Работа газа при изобарном, изотермическом и адиабатном процессах

В основе деятельности практически любой тепловой машины лежит такое термодинамическое явление, как работа, совершаемая газом при расширении или сжатии. Здесь стоит вспомнить, что в физике под работой понимается количественная мера, характеризующая действие определенной силы на тело. В соответствии с этим работа газа, необходимым условием для совершения которой является изменение его объема, есть не что иное, как произведение давления на это изменение объема.

Работа газа при изменении его объема может носить как изобарный, так и изотермический характер. Кроме того, собственно расширительный процесс может носить и произвольный характер. Работу газа, которая совершается при изобарном расширении, можно найти по следующей формуле:

A=pΔV,

в которой p – количественная характеристика давления газа, а ΔV – разность между начальным и конечным объемом.

Процесс произвольного расширения газа в физике обычно представляют как последовательность отдельных изобарных и изохорных процессов. Последние характеризуются тем, что работа газа, как и ее количественные показатели, равна нулю, потому что перемещения поршня в цилиндре не происходит. При таких условиях получается, что работа газа при произвольном процессе будет изменяться в прямой зависимости от увеличения объема сосуда, в котором происходит движение поршня.

Если сравнивать работу, совершаемую газом при расширении и сжатии, то можно отметить, что при расширении направление вектора перемещения поршня совпадает с вектором силы давления этого самого газа, поэтому в скалярном исчислении работа газа положительна, а внешних сил – отрицательна. При сжатии газа с общим направлением перемещения цилиндра совпадает уже вектор внешних сил, поэтому их работа положительна, а работа газа отрицательна.

Рассмотрение понятия «работа, совершаемая газом» будет неполным, если не затронуть также и адиабатные процессы. Под таким явлением в термодинамике понимается процесс, когда отсутствует теплообмен с какими-либо внешними телами.

Это возможно, например, в том случае, когда сосуд с работающим поршнем обеспечен хорошей теплоизоляцией. Кроме того, процессы сжатия или расширения газа могут быть приравнены к адиабатным в том случае, если время изменения объема газа намного меньше того временного отрезка, за который наступает тепловое равновесие между окружающими телами и газом.

Наиболее часто встречающимся в повседневной жизни адиабатным процессом можно считать работу поршня в двигателе внутреннего сгорания. Суть этого процесса состоит в следующем: как известно из первого закона термодинамики, изменение внутренней энергии газа будет в количественном отношении равно работе сил, направленных извне. Эта работа по своему направлению положительна, поэтому и внутренняя энергия газа будет увеличиваться, а температура его самого повышаться. При таких исходных условиях понятно, что при адиабатном расширении работа газа будет происходить за счет уменьшения его внутренней энергии, соответственно, температура в рамках этого процесса будет уменьшаться.