Робота в термодинаміці

   Вітаю! Механічна взаємодія системи з навколишнім середовищем характеризується величиною роботи, яку вона здійснює, протидіючи зовнішнім силам. Для термомеханічної системи необхідною ознакою вчинення роботи є зміна її обсягу. Якщо цей обсяг не змінюється, то ні за яких умов не може бути обміну механічної енергією між системою і навколишнім середовищем.
      Розглянемо роботу, що здійснюються системою проти зовнішніх сил. Система, обмежена поверхнею площі f, знаходиться в стані рівноваги з середовищем при тиску р (рис. 1).

При підведенні до системи ззовні нескінченно малу кількість теплоти об'єм системи змінюється від V до V + dV. В результаті система здійснює роботу dL, величина якої дорівнює добутку сили pf на переміщення dx:

dL = pfdx.    (1)

     Твір fdx є зміна обсягу системи dV, тому вираз (1) приводиться до вигляду dL = pdV.

     Розділивши ліву і праву частини цього рівняння на масу М газу в системі, знайдемо роботу одиниці маси газу:

dl = pdv.      (2)

     Величина v = V / M являє собою питомий об'єм газу в системі. Вираз (2) показує, що робота dl може бути виражена через параметри стану газу: абсолютний тиск р і питомий об'єм v.

При вивченні процесів зміни стану в термодинаміки застосовується графічний метод, при якому досліджуваний процес зображується на діаграмі, а потім проводиться його аналіз. Здійснюються при цьому роботу можна визначити, використовуючи рυ-діаграму (рис. 2). Процес розширення газу зі стану 1 в стан 2 на цій діаграмі зображується кривої 1-2. Оче видно, що робота розширення в елементарному процесі при зміні питомої обсягу на величину υ еквівалентна майданчику dl.

     Інтегруючи вираз (2) в межах зміни питомої обсягу від υ1 до υ2 визначаємо роботу в процесі розширення газу 1-2:

  Відповідно до рівняння (3), робота розширення відповідає на рυ-діаграмі заштрихованої площі під кривою процесу, обмеженою віссю абсцис і крайніми ординатами. Це важлива властивість рυ-діаграми широко використовується в термодинаміки для дослідження процесів, що відбуваються в теплових двигунах.

   Аналіз рυ-діаграми дозволяє встановити, що робота не визначається однозначно початковими і кінцевими параметрами стану газу (положенням точок 1 і 2), а залежить також від шляху процесу. Між точками 1 і 2 можна провести велику кількість кривих, які представлятимуть різні процеси. При цьому в кожному з процесів робота матиме різні значення.

  Чим вище розташована крива, що з'єднує точки 1 і 2, тим більше робота розширення системи, так як при цьому середній тиск газу в процесі зміни стану матиме більше значення. Отже, робота є функцією процесу, і для визначення її величини, крім початкового і кінцевого станів, повинна бути задана залежність, що описує характер процесу.