Естествознание

Мы уже знаем, что внутреннюю энергию тел можно изменять теплообменом - передавая телу или "забирая" у него некоторое количество теплоты. А опыт Румфорда продемонстрировал нам, что внутреннюю энергию тел можно изменить и совершением работы. То есть существуют два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и работа.

DU - изменение внутренней энергии тела
Q - полученное им количество теплоты
A - совершенная над телом работа

Эта формула гласит, что изменение внутренней энергии тела есть величина, равная сумме количества теплоты, полученной этим телом, и совершенной над ним работы. Это утверждение называется первым законом термодинамики. Чтобы лучше понять его суть, рассмотрим примеры, иллюстрирующие взаимосвязь изменения внутренней энергии и совершения работы.

Опыт "воздушное огниво". Возьмем толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыплем измельченной "серы" от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы сильно сожмем воздух. В результате он нагревается настолько сильно, что серный порошок воспламеняется.

Объясним опыт. Удар длился очень недолго, поэтому передачей теплоты от воздуха в цилиндре наружу можно пренебречь. Из внешней среды теплота также не поступала. Следовательно, теплообмен отсутствовал, то есть Q = 0. Тогда имеем: DU = 0 + A, то есть DU = A, что и означает изменение внутренней энергии (DU) за счет совершения механической работы (А).

Полученная формула DU = A или А = DU - частный случай первого закона термодинамики: при отсутствии теплообмена вся совершенная над телом работа идет на изменение внутренней энергии тела. В нашем случае работа, совершенная над воздухом, привела к возрастанию его внутренней энергии - воздух нагрелся.

Опыт "туман в бутыли". Для него нам потребуются бутыль и насос, изображенные на рисунке. Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным. Придерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда пробка готова выскочить, накачивание прекращают и ожидают 5-10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся). При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!

Разделим объяснение результатов этого опыта на три этапа. Рассмотрим их.

Накачивая воздух, мы совершаем над ним работу. По аналогии с объяснением опыта "воздушное огниво", первый закон термодинамики запишется: A = DU. Поскольку А - положительная величина, значит, и DU - положительная величина. Это говорит, что внутренняя энергия воздуха изменяется в большую сторону - то есть возрастает.

Затем 5-10 минут работу не совершали (A = 0), давая воздуху возможность охладиться. Следовательно, первый закон термодинамики запишется: DU = - Q. Величина - Q является отрицательной, значит, и равная ей величина DU тоже является отрицательной. Следовательно, внутренняя энергия воздуха изменяется в меньшую сторону - уменьшается.

Затем пробку отпускают, и она вылетает, подталкиваемая струей воздуха. Все это происходит очень быстро, поэтому не учитываем теплопередачу: Q = 0. Кроме того, работа совершена не над воздухом, а им самим, следовательно, первый закон термодинамики запишется так: DU = - A. Поскольку величина -A является отрицательной, значит, и DU тоже отрицательна. Следовательно, внутренняя энергия воздуха опять убывает. Он охлаждается ниже комнатной температуры, и в бутыли появляется туман.