ТЕРМОДИНАМИКА ИЗОПРОЦЕССОВ
Первый закон термодинамики: Q = ΔU + A' имеет свои особенности при его применении к изопроцессам. Изопроцессами называют такие газовые процессы, при которых один из макропараметров состояния газа p, V, T сохраняется неизменным. К изопроцессам также относят адиабатный процесс, процесс, при котором Q = 0. Другим важным условием для любого изопроцесса является неизменность массы газа и его химического состава (молярной массы).
Задание. Понять характер превращения энергии при изопроцессах.
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=

Опыт 1. Изотермический процесс. 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).
Изотермическим процессом называют процесс, протекающий при постоянной температуре: Т = const. На практике такой процесс реализуется, когда у газа есть возможность свободного теплообмена с окружающей средой. Не будь такого теплообмена при сжатии газ бы нагревался, а при расширении охлаждался. Поскольку теплообмен занимает некоторое время, такой процесс обычно проводят достаточно медленно, поэтому в задачах его легко узнать по такой, например, фразе в условии: "Медленно расширяясь (или сжимаясь) газ..."
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. Температуру, массу газа, молярную массу, нужно 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 изотермического процесса 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. Средний столбик (жёлтого цвета) ΔU не появляется совсем. Это значит при изотермическом процессе внутренняя энергия не меняется (ΔU = 0). Это и есть главный признак изотермического процесса на языке термодинамики. Если в задаче или вопросе вы встретите слова "изотермический процесс", смело пишите: ΔU = 0, и используйте этот факт при ответе на вопрос! Например, полученное газом тепло полностью идёт на совершение работы газом (перемещение поршня).
Опыт 2. Проведём опыт наоборот, вместо расширения будем сжимать газ. Поменяйте местами значение высоты поршня на 100 и 10 мм. Нам потребуется для этого процесса совершить работу сжатия А = - A', поэтому мы увидим, что работа газа стала отрицательной, количество теплоты теперь тоже будет отрицательным, что означает, что мы не нагреваем газ (огонёк не горит), а наоборот отнимаем тепло. И, как и в опыте 1, работа внешних сил по сжатию газа полностью превращается в тепло, которое надо отнять от газа, дабы сохранить его температуру неизменной.
Опыты 3 и 4. Изохорный процесс. Теперь оставим объём газа неизменным, а попробуем менять температуру. Начальное значение пусть будет 27°С, а конечное, например, 327°С. Нажмите кнопку СОСТ.1, начертите новую таблицу, аналогичную первой, запишите в неё данные о начальном состоянии газа и конечные значения объёма и температуры. Сосредоточьтесь для наблюдения короткого процесса, и нажмите кнопу СОСТ. 2. Процесс пошёл. Заметьте поведение всех элементов анимации. Каковы теперь превращения энергии? Что вы поэтому поводу думаете? Теперь подводимое к цилиндру тепло запасается в равном количестве в виде внутренней энергии газа, работа не совершается (A' = 0), поршень не движется, давление газа растёт за счёт подогрева. И наоборот (опыт 4), если мы при постоянном объёме охлаждаем газ, то его давление падает, отнимаемое нами тепло (- Q), приводит к уменьшению его внутренней энергии (- ΔU). Занесите ваши данные по опыту 4 в таблицу отчёта.
Активно используйте это факт при решении задач при изохорном процессе. Узнать его в задаче легко по фразе: "В замкнутом объёме..." Объём-то не меняется, работа не совершается!
Опыты 5 и 6. Изобарный процесс. В следующем опыте мы будем менять два параметра и объём, и температуру, но так, чтобы получить от этих изменений одинаковое давление газа и в начале опыта, и в конце. Как этого добиться? Подумайте...
При изобарном процессе отношение объёмов прямо пропорционально отношению температур: V₁/V₂ = T₁/T₂. Значит, нам достаточно взять начальную высоту 10 мм, а конечную 20 мм, и температыру в конце в два раза больше, чем в начале. Если вы всё сделали правильно, то при запуске процесса вы увидите название "изобара".
Проделав опыт, аккуратно запишите все данные в строку для опыта 5 таблицы, аналогичний предыдущим. 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 (опыт 6) забираем тепло, когда температура в начале больше в два раза, чем в конце, а объём меньше тоже в два раза, то мы имеем возможность это тепло взять частично как из запасов внутренней энергии, так и из работы внешних сил при сжатии газа. При изобарном процессе ни одна из термодинамических величин не обращается в ноль. Зато это единственный процесс, когда в рамках школьной физики мы умеем подсчитать и работу газа, и изменение внутренней энергии, и количество теплоты.
Опыты 7 и 8. Адиабатный процесс. Надо сделать так, чтобы Q = 0. На практике этого достигают либо теплоизоляцией цилиндра с газом, либо проводят процесс так быстро, что теплообмен просто не успевает произойти. По этой причине все взрывы относят к адиабатным процессам. Так же это происходит при откупоривании бутылки с газировкой особенно, когда она вскипает. Напрямую у нас таких возможностей в этой анимации нет. Будем как в опытах 5 и 6 правильно подбирать наши объёмы и температуры. Уравнение адиабатного процесса считается сложноватым и в школе его не изучают, так же как и не изучают формулу работы газа при адиабатном процессе. Но компьютеру-то это не помеха. Если мы увеличим температуру в два раза, то для одноатомного газа в адиабатном процессе высоту положения поршня надо будет уменьшить в 2,83 раза, а для двухатомного воздуха - в 5,56 раза. Начальную температуру возьмём 27°С, конечную 327°С, начальный объём 28,3 мм, а конечный - 10 мм для одного из инертных газов. В этом случае компьютер, подсчитав отношения объёмов и температур, примет этот процесс как адиабатный, высветит слово "адиабата", и, о, чудо! Мы увидим, что во время процесса количество теплоты будет равно нулю. Совершаемая нами работа по перемещению поршня вниз (уменьшению объёма газа), будет целиком и полностью превращаться во внутреннюю энергию газа, а теплообмена не будет. Поменяв местами обе высоты и обе температуры, мы получим адиабатное расширение. Теперь работа по подъёму поршня совершается исключительно за счёт запасов внутренней энергии (- ΔU). Энергия газа уменьшается, за счёт чего совершается работа, температура газа неизбежно падает.
Начертите в листе отчёта четвёртую таблицу, аналогичную предыдущим и заполните её вашими результатами.

Таблицы заполнены, теперь можно подвести итог. В каждой из четырёх таблиц выделите те графы, которые в себе заключают главные особенности того или иного процесса. Хорошенько запомните эти особенности и активно используйте их при решении задач.
Если вы всё делали разумно, то проверьте, как вы усвоили эту тему, ответив на контрольные вопросы.
Десятичные дроби вводятся через точку. Ответы нужно округлять по правилам приближённых вычислений с погрешностью не более 10%.
Желаем успеха!