ЭНЕРГИЯ В ГАЗОВЫХ ПРОЦЕССАХ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
А как ведёт себя энергия в газовых процессах? Процессы для своего протекания требуют расхода энергии. Очевидно, переходя из одного состояния в другое, газ может использовать как свои внутренние запасы энергии, так и энергию, взятую извне. В строгом выражении это простое утверждение носит название Первого закона термодинамики: Q = ΔU + A'.
Это означает: количество теплоты Q (взятое от внешнего источника, или отданное ему) ведёт либо к увеличению/уменьшению внутренней энергии ΔU (внутренних запасов энергии газа), либо к совершению работы A' (к расширению/сжатию, иначе к изменению .его объёма, толканию поршня газом/внешними силами).
Не всё так просто в этом законе. Важны не только числовые связи: Q = чему-то... , но и детали работы этого соотношения, которым мы и посвятим эту нашу работу.
Также обратите внимание, если мы упростим себе задачу, и возьмём идеальный газ (молекулы которого не взаимодействуют между собой, иначе как только при столкновениях), энергия его молекул сугубо кинетическая E = mv²/2 = ⁱ/₂kT, то есть является функцией температуры: U = ⁱ/₂νRT. Слово функция означает однозначную зависимость U(T), иначе, увеличение температуры увеличивает внутреннюю энергию газа, и наоборот. А вот с количеством теплоты Q и работой газа A' такой простой зависимости не получается. Их значение среди прочего определяется характером протекающего процесса, и однозначной формулы не имеют! К счастью, компьютер способен для нас подсчитать эти величины даже в том случае, когда школьной математики вам для этого не хватит. Заметим, что считать будто количество теплоты Q определяется температурой T, есть большое заблуждение. Температура Т определяет лишь тот кусочек теплоты Q, который идёт на изменение внутренней энергии ΔU, а не всю величину Q.
Задание. Рассмотреть внимательно поведение энергии при газовых процессах и понять характер превращения энергии в этом случае.
Установка. Справа в окне анимации вы увидите цилиндр с подвижным поршнем, заполненный газом, с присоединённым к нему манометром. Он показывает абсолютное давление газа, которое происходит от удержания поршня в определённом положении. На рисунке вам дана площадь поршня S_пор. Вы можете самостоятельно выбирать массу газа от 0.5 до 1.0 г, один из четырёх видов газа (справа от поля ввода сразу появится его молярная масса в г/моль).
Для процесса недостаточно задания одной точки, поэтому слайдеры в анимации заменены четырьмя полями для ввода данных: начальной высоты положения поршня H₁, конечной высоты положения поршня H₂, начальной температуры газа Т₁, конечной температуры газа Т₂. Высота положения поршня должна быть в пределах 10 ... 100 мм, а температура 27 ... 327 °С.
Для ввода ваших изменений не забывайте каждый раз нажимать кнопочку СОСТ. 1 в поле анимации, в результате чего поршень переместится в заданное вами положение 1, а манометр покажет давление p₁.
Справа внизу вы увидите два поля, в которых компьютер введёт для вас значения работы газа A' и количества теплоты Q в данном процессе с учётом их знака. Значение изменения внутренней энергии ΔU вы всегда можете подсчитать сами. Начальные значения этих величин будут равны нулю, ибо они имеют смысл только во время протекания процесса. Правее три поля для диаграмм будут наглядно демонстрировать вам величины Q, ΔU, A' с учётом их знака на короткое время (время протекания процесса). Нажав кнопочку СОСТ. 2 вы запустите процесс перехода из состояния 1 в состояние 2, будьте внимательны, чтобы всё успеть хорошо разглядеть. При необходимости можно повторить процесс столько раз, сколько вам будет нужно для понимания превращений энергии.
Смело экспериментируйте, чтобы понять, как ведёт себя газ в зависимости от ваших действий! Однако для чистового эксперимента ведите себя культурно, старайтесь выбирать такие значения переменных, чтобы вам было удобно с ними работать, например, чтобы манометр показывал не слишком маленькое значение и т.д.

№ опыта	Давление газа p, Па	Объём газа V, м3	Температура газа T, К	Масса газа m, кг	Молярная масса μ, кг/моль	Q, Дж	ΔU, Дж	A', Дж
1	p1=	V1=	T1=
	p2=	V2=	T2=
2	p1=	V1=	T1=
	p2=	V2=	T2=
3	p1=	V1=	T1=
	p2=	V2=	T2=

Опыт 1. Начертите таблицу для записи результатов опыта.
Объём газа V = HS вам придётся подсчитать самим, а для удобства записи в таблицу малых чисел используйте десятичные степени (стандартную запись числа).
Возьмите начальную высоту H₁ = 10 мм, а конечную побольше, например, H₂ = 100 мм, подсчитайте объём газа в м³ в каждом случае и занесите эти данные в таблицу.
Температуры, массу газа, молярную массу, можно пока оставить без изменения, их значение также занесите в таблицу.
Приведите газ в начальное состояние, кликнув СОСТ.1 в поле анимации. Запишите в таблицу давление газа p₁ в состоянии 1.
Теперь будьте внимательны, вам за короткое время нужно будет многое увидеть, как поведёт себя поршень, вспыхнет ли огонёк под ним для нагрева, а, главное, как поведут себя диаграммы энергий Q, A', ΔU. Кликните СОСТ. 2. Всё придёт в движение! Запишите давление газа p₂ в состоянии 2, работу газа A', количество теплоты Q и подсчитайте сами изменение внутренней энергии газа ΔU. Если переход из состояния 1 в состояние 2 происходит как изопроцесс, то его название высветится рядом с цилиндром. Если не успели рассмотреть, повторите опыт, переведя газ сначала кнопкой в состояние 1, а затем в состояние 2.
Что в итоге вы увидели в части превращения энергии в таком процессе? Как вы поняли происходящее? Запишите свои наблюдения в лист отчёта.
Сверим кое-какие наблюдения. Достаточно ли вы были наблюдательны, чтобы понять увиденное? При запуске процесса (в данном случае изотермического) поршень начинает движение вверх, увеличивая объём газа в соответствии с нашими данными по высоте поршня. Из-за этого давление газа начинает падать, это понятно. Под поршнем появляется огонёк для подогрева, ибо, если просто дать поршню пойти вверх, то газ начнёт остывать, а нам надо постоянство температуры. Подогрев даёт некоторое количество теплоты (Q) - красный столбик. Постепенно, по мере подъёма поршня количество теплоты Q расходуется на совершение работы A', равное Q, красный столбик (Q) тает, а фиолетовый (A') увеличивается. По завершении процесса превращения энергии заканчиваются, столбики диаграмм исчезают.
Опыт 2. Теперь оставим объём газа неизменным, а попробуем менять температуру. Начальное значение пусть будет 27°С, а конечное, например, 327°С. Нажмите кнопку СОСТ.1, запишите в таблицу в вашем листе отчёта данные о начальном состоянии газа и конечные значения объёма и температуры. Сосредоточьтесь для наблюдения короткого процесса, и нажмите кнопу СОСТ. 2. Процесс (изохорный) пошёл. Заметьте поведение всех элементов анимации. Каковы теперь превращения энергии? Что вы поэтому поводу думаете? Можно повторить опыт, поменяв начальную и конечную температуру. Что изменилось в перетоке энергии? Как это понять? Теперь подводимое к цилиндру тепло запасается в равном количестве в виде внутренней энергии газа, работа не совершается, поршень не движется, давление газа растёт за счёт подогрева. И наоборот, если мы при постоянном объёме охлаждаем газ, то его давление падает, отнимаемое нами тепло (- Q), приводит к уменьшению его внутренней энергии (- ΔU).
Уравнение, по которому перетекает энергия в наших опытах туда-сюда: Q = ΔU + A', может найти аналогию где угодно. Например, его можно записать так: Логистика = склад + магазин. Логистика завозит товар (в нашем случае тепловую энергию), часть его попадает на склад (у нас это внутренняя энергия), а часть реализуется в магазине (у нас - совершается работа). Если вам так понятнее будет.
Опыт 3. В следующем опыте мы можем поменять оба параметра и объём, и температуру в любом порядке. Такой процесс уже названия иметь не будет, это не изопроцесс! А можете поменять также и массу газа, и его химический состав (молярную массу). Только имейте в виду, что воздух ведёт себя как двухатомный газ и для него i = 5, а не 3, как для одноатомного газа в формуле изменения внутренней энергии: ΔU = ⁱ/₂νRΔT. Проделав опыт, аккуратно запишите все данные в строку для опыта 3. Теперь мы видим, что подводимое к газу тепло может расходоваться как на совершение работы газом, так и на увеличение внутренней энергии. Если же мы наоборот забираем тепло, то мы имеем возможность его взять частично как из запасов внутренней энергии, так и из работы внешних сил при сжатии газа.
Так при H₁ = 50 мм, H₂ = 10 мм, T₁ = 327°С, T = 27°С мы можем увидеть парадоксальный процесс: при охлаждении газа его температура растёт! Работа внешних сил так велика по сравнению с другими слагаемыми в Первом законе ТД, что её хватает и на перемещение поршня, и на покрытие отводимого количества теплоты, и на увеличение внутренней энергии газа (температуру).
Последний вопрос: куда вся энекргия девается по окончании процесса? Никуда энергия деться не может! Количество теплоты в процессе расходуется на изменение внутренней энергии и совершение рваботы, Жёлтый столбик (изменение внутренней энергии) исчезает, потому что по окончании энергия газа перестаёт меняться, ибо жёлтый столбик не сама энергия, а только та её часть, на которую эта энергия меняется (нет процесса - нет изменений энергии), Работа газа (фиолетовый столбик) по окончании процесса перестаёт совершаться, а итогом этого является перемещение поршня (что и есть совершение работы).

Таблица заполнена, теперь можно подвести итог, и, если вы всё делали разумно, то вам будет не сложно ответить на контрольные вопросы.
Десятичные дроби вводятся через точку. Ответы нужно округлять по правилам приближённых вычислений с погрешностью не более 10%.
Желаем успеха!