Първи принцип на термодинамиката

Два начина да промениш вътрешната енергия

Частиците на газа се движат непрекъснато. Колкото по-горещ е газът, толкова по-бързо се движат. Енергията на това движение е вътрешната енергия U на газа.

• Топлообмен. Пламък под цилиндъра дава на газа количество топлина Q. Лед или студена вода взимат топлина от газа.
• Работа. Когато натискаш буталото, външните сили вършат работа A върху газа и той се затопля – без никакъв пламък. Така се затопля помпата за колело.

Изненада: по термометъра не можеш да познаеш кой начин е използван. 80 J топлина или 80 J работа затоплят газа еднакво. Газът има вътрешна енергия, а не „топлина“: топлината е само начин енергията да се промени.

Първият принцип

Изменението на вътрешната енергия е равно на получената топлина плюс работата на външните сили:

ΔU = Q + A

Това е законът за запазване на енергията при топлинните процеси. В симулацията трите ленти Q, A и ΔU винаги се сумират.

• Q > 0, когато газът получава топлина, и Q < 0, когато отдава.
• A > 0 при свиване (буталото натиска газа) и A < 0 при разширяване. Самият газ върши работа със същата големина и обратен знак.

Работа при постоянно налягане

Свободното бутало държи налягането постоянно. Тогава работата на външните сили е

A = −pΔV

Удобно: 1 kPa · 1 L = 1 J. Ако пламък 5 W гори 7 s под свободно бутало, газът получава Q = 35 J, буталото се вдига от 1,0 L на 1,1 L и A = −100 kPa · 0,1 L = −10 J. Тогава ΔU = 35 J − 10 J = 25 J. Не цялата топлина остава в газа – част от нея отива за вдигане на буталото.

Температурата я мерим и в келвини: T = t + 273,15. При постоянен обем p/T = const, а при постоянно налягане V/T = const.

Адиабатен и изохорен процес

• Адиабатен е процес без топлообмен: Q = 0, значи ΔU = A. Примери: свиване в изолиран цилиндър, бързо помпане, бързо пръскане със спрей. При свиване газът се затопля, при разширяване изстива – затова флаконът със спрей изстива.
• Изохорен е процес при постоянен обем (буталото е заключено): A = 0, значи ΔU = Q. Пламък 5 W за 4 s дава 20 J и газът се затопля с 24 K.

Знаеш ли, че… дизеловият двигател пали горивото без искра. Той свива въздуха 15–23 пъти и въздухът става достатъчно горещ, за да запали горивото.

Защо няма вечен двигател

Ако газът мине през цикъл и се върне в началото (същият обем и същата температура), вътрешната му енергия е същата: ΔU = 0. Значи A = −Q. Газът може да даде работа навън само ако получи топлина. Машина, която дава работа от нищо, нарушава закона за запазване на енергията.

Още една изненада: ако свиеш газа във водна баня бързо или бавно и изчакаш, крайното състояние е едно и също, но работата – не. Рязкото свиване наполовина иска около 79,5 J, а бавното – около 71,1 J. Работата и топлината зависят от пътя, а вътрешната енергия – само от състоянието.

Правила на играта

В симулацията цилиндърът е за до 400 kPa. Над това се отваря предпазен клапан и опитът спира. Това е правило на играта: истинските цилиндри издържат повече. Топлообменът с водата и леда е „ускорен“ – трае секунди, а не минути, за да се вижда в рамките на урока. В цилиндъра има само около 0,04 mol въздух, затова енергиите са десетки джаули, а ледът се топи в милиграми.

Безопасност

• Не нагрявай затворени съдове (буркан, бутилка, флакон): налягането расте с температурата и съдът може да се пръсне.
• Флаконите със спрей не се оставят на слънце или до печка и не се пробиват, дори когато изглеждат празни.
• Не свързвай помпа или компресор с предмети, които не са за надуване. Не надувай гумата над налягането, написано на нея.
• Помпата и вентилът се загряват при бързо помпане. Изчакай, преди да ги хванеш.
• Опитите с пламък в клас се правят само с учител.