Что нужно знать
Работа газа в термодинамике — это энергия, которую газ передаёт окружающим телам или получает от них при изменении своего объёма. При расширении газ совершает положительную работу, а при сжатии работа газа отрицательна. Если газ расширяется при постоянном давлении, его работа рассчитывается по формуле A = p · (V₂ − V₁), где p — давление газа в паскалях (Па), V₁ и V₂ — начальный и конечный объёмы в кубических метрах (м³), A — работа в джоулях (Дж). Работа газа зависит от изменения объёма и давления, при котором происходит процесс. Если объём газа не изменяется, работа газа равна нулю. На графике зависимости давления от объёма работа газа при постоянном давлении равна площади прямоугольника под графиком. Например, при нагревании воздуха в цилиндре с подвижным поршнем газ расширяется, поднимает поршень и совершает механическую работу. Типичная ошибка учеников — путать работу газа с изменением его внутренней энергии или считать, что газ совершает работу при неизменном объёме.
Тест: 11 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют работой газа в термодинамике?
- Энергию, которую газ передаёт окружающим телам или получает от них при изменении объёма
- Энергию, необходимую для изменения температуры газа
- Энергию движения всех молекул газа
- Количество теплоты, которое газ получает при нагревании
Работа газа связана с перемещением внешних тел под действием силы давления газа или при его сжатии внешними силами.
2. В каких единицах СИ измеряется работа газа?
- В паскалях (Па)
- В джоулях (Дж)
- В кубических метрах (м³)
- В ваттах (Вт)
Работа является физической величиной, характеризующей передачу энергии, и в системе СИ измеряется в джоулях.
3. Какую работу совершает газ при расширении, если давление постоянно?
- Равную нулю
- Всегда равную количеству полученной теплоты
- Положительную
- Отрицательную
При расширении газ перемещает окружающие тела, например поршень, в направлении действия силы давления и совершает положительную работу.
4. При каком процессе работа газа равна нулю?
- При расширении газа
- При повышении давления газа
- При сжатии газа
- При постоянном объёме газа
Работа газа определяется изменением объёма. Если объём не изменяется, перемещение поршня отсутствует и работа газа равна нулю.
5. Как изменится работа газа при постоянном давлении, если увеличение объёма станет в два раза больше?
- Увеличится в два раза
- Не изменится
- Уменьшится в два раза
- Увеличится в четыре раза
При постоянном давлении A = p · (V₂ − V₁). Работа прямо пропорциональна изменению объёма.
6. Воздух в цилиндре нагревают, и он поднимает подвижный поршень. Какое явление происходит?
- Объём газа остаётся постоянным, поэтому работа положительна
- Газ расширяется и совершает положительную работу
- Газ расширяется, но его работа равна нулю
- Газ сжимается и совершает положительную работу
При нагревании газ расширяется, перемещает поршень вверх и совершает работу против внешних сил.
7. Газ расширяется при постоянном давлении 100 кПа от объёма 2 л до 5 л. Какую работу совершает газ?
A = p · (V₂ − V₁). Переведём единицы: p = 100 000 Па, ΔV = 3 л = 0,003 м³. A = 100 000 · 0,003 = 300 Дж.
8. Газ при постоянном давлении 200 кПа сжимают от объёма 4 л до 2 л. Чему равна работа газа?
- 400 Дж
- 200 Дж
- -200 Дж
- -400 Дж
A = p · (V₂ − V₁). ΔV = 2 − 4 = -2 л = -0,002 м³. A = 200 000 · (-0,002) = -400 Дж.
9. Газ расширяется при постоянном давлении 50 кПа, совершая работу 150 Дж. На сколько увеличился его объём?
Из формулы A = p · ΔV получаем ΔV = A / p. ΔV = 150 / 50 000 = 0,003 м³ = 3 л.
10. При постоянном давлении газ расширился на 0,004 м³ и совершил работу 800 Дж. Чему равно давление газа?
- 150 кПа
- 200 кПа
- 100 кПа
- 250 кПа
Используем формулу A = p · ΔV. p = A / ΔV = 800 / 0,004 = 200 000 Па = 200 кПа.
11. Что произойдёт с работой газа при постоянном изменении объёма, если давление увеличится в три раза?
- Работа увеличится в девять раз
- Работа уменьшится в три раза
- Работа увеличится в три раза
- Работа не изменится
При постоянном изменении объёма работа определяется формулой A = p · ΔV. Поэтому при увеличении давления в три раза работа также увеличится в три раза.