&nbsp;&nbsp; В результате каких процессов может меняться внутренняя энергия? Вы уже знаете, что есть два вида таких процессов: совершение работы и теплопередача. Начнем с работы. Чему она равна при сжатии и расширении газа и других тел?<br>&nbsp;&nbsp; '''Работа в механике и термодинамике.''' В ''механике'' работа определяется как произведение модуля силы, модуля перемещения точки ее приложения и косинуса угла между ними. При действии силы на движущееся тело работа равна изменению его кинетической энергии.<br>&nbsp;&nbsp; В ''термодинамике'' движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела друг относительно друга. В результате может меняться объем тела, а его скорость остается равной нулю. Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но она равна не изменению кинетической энергии тела, а изменению его внутренней энергии.<br>&nbsp;&nbsp; '''Изменение внутренней энергии при совершении работы.''' Почему при сжатии или расширении тела меняется его внутренняя энергия тела? Почему, в частности, нагревается воздух при накачивании велосипедной шины?<br>&nbsp;&nbsp; Причина изменения температуры газа в процессе его сжатия состоит в следующем: ''при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия''. Так, при движении навстречу молекулам газа поршень во время столкновений передает им часть своей механической энергии, в результате чего газ нагревается. Поршень действует подобно футболисту, встречающему летящий мяч ударом ноги. Нога сообщает мячу скорость, значительно большую той, которой он обладал до удара.<br>&nbsp;&nbsp; И наоборот, если газ расширяется, то после столкновения с удаляющимся поршнем скорости молекул уменьшаются, в результате чего газ охлаждается. Так же действует и футболист, для того чтобы уменьшить скорость летящего мяча или остановить его, - нога футболиста движется от мяча, как бы уступая ему дорогу.<br>&nbsp;&nbsp; При сжатии или расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как при этом меняется среднее расстояние между молекулами.<br>&nbsp;&nbsp; '''Вычисление работы.''' Вычислим работу в зависимости от изменения объема на примере газа в цилиндре под поршнем (''рис.13.1''). <br>[[Image:A13.1.jpg|center|182x217px]]Проще всего вначале вычислить не работу силы [[Image:A76-5.jpg|14x21px]], действующей на газ со стороны внешнего тела (поршня), а работу, которую совершает сила давления газа, действуя на поршень с силой [[Image:A76-6.jpg|22x25px]]. Согласно третьему закону Ньютона [[Image:A76-7.jpg|60x20px]]. Модуль силы, действующей со стороны газа на поршень, равен [[Image:A76-8.jpg|66x20px]], где ''p'' - давление газа, а ''S'' - площадь поверхности поршня. Пусть газ расширяется изобарно и поршень смещается в направлении силы [[Image:A76-6.jpg|19x22px]] на малое расстояние [[Image:A76-9.jpg|113x20px]]. Так как давление газа постоянно, то работа газа равна:<br>[[Image:A76-1.jpg|center|441x20px]]&nbsp;&nbsp; Эту работу можно выразить через изменение объема газа. Начальный его объем ''V₁=Sh₁'', а конечный ''V₂=Sh₂''. Поэтому<br>[[Image:A76-2.jpg|center|269x19px]]где [[Image:A76-12.jpg|104x17px]] - изменение объема газа.<br>&nbsp;&nbsp; При расширении газ совершает положительную работу, так как направление силы и направление перемещения поршня совпадают.<br>&nbsp;&nbsp; Если газ сжимается, то формула (13.3) для работы газа остается справедливой. Но теперь [[Image:A76-13.jpg|57x17px]], и поэтому [[Image:A76-14.jpg|52x14px]] (''рис.13.2'').<br>[[Image:A13.2.jpg|center|192x212px]]&nbsp;&nbsp; Работа ''A'', совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы самого газа ''A''´ только знаком: [[Image:A76-16.jpg|69x14px]], так как сила [[Image:A76-5.jpg|16x24px]], действующая на газ, направлена против силы [[Image:A76-6.jpg|21x24px]] а перемещение поршня остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил, действующих на газ, равна:<br>[[Image:A76-3.jpg|center|233x30px]]&nbsp;&nbsp; При сжатии газа, когда [[Image:A76-17.jpg|135x18px]], работа внешней силы оказывается положительной. Так и должно быть: при сжатии газа направления силы и перемещения точки ее приложения совпадают.<br>&nbsp;&nbsp; Если давление не поддерживать постоянным, то при расширении газ теряет энергию и передает ее окружающим телам: поднимающемуся поршню, воздуху и т. д. Газ при этом охлаждается. При сжатии газа, наоборот, внешние тела передают ему энергию и газ нагревается.<br>&nbsp;&nbsp; '''Геометрическое истолкование работы.''' Работе ''A´ ''газа для случая постоянного давления можно дать простое геометрическое истолкование.<br>&nbsp;&nbsp; Построим график зависимости давления газа от занимаемого им объема (''рис.13.3''). Здесь площадь прямоугольника ''abdc'', ограниченная графиком ''p₁''=const, осью ''V'' и отрезками ''ab'' и ''cd'', равными давлению газа, численно равна работе (13.3):<br>[[Image:A76-4.jpg|center|298x22px]][[Image:A13.3.jpg|center|250x181px]]&nbsp;&nbsp; В общем случае давление газа не остается неизменным. Например, при изотермическом процессе оно убывает обратно пропорционально объему (''рис.13.4''). В этом случае для вычисления работы нужно разделить общее изменение объема на малые части и вычислить элементарные (малые) работы, а потом все их сложить. Работа газа по-прежнему численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости ''p'' от ''V'', осью ''V'' и отрезками ''ab'' и ''cd'', равными давлениям ''p₁'', ''p₂'' в начальном и конечном состояниях газа.<br>[[Image:A13.4.jpg|center|253x180px]]<br><br>&nbsp;&nbsp;&nbsp;???<br>&nbsp;&nbsp; 1. Почему газы при сжатии нагреваются?<br>&nbsp;&nbsp; 2. Положительную или отрицательную работу совершают внешние силы при изотермическом процессе, изображенном на рисунке 13.2?<br>  

<br> ''Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс''