Vybrané kapitoly ze středoškolské fyziky - Pro přípravný kurz k přijímacím zkouškám z fyziky na DFJP Univerzity Pardubice - Základy termiky a termodynamiky

Tato vnitřní energie není ovšem konstantní veličinou. Děje, při nichž dochází k jejím změnám, lze obecně rozdělit do dvou skupin:

→ děje, při nichž se vnitřní energie mění konáním práce W (např. třením, stlačováním plynu, apod.),

→ děje, při nichž změna vnitřní energie nastává tepelnou výměnou (t.j. dodáváním nebo odebíráním tepla Q dané soustavě).

5.2.1 První termodynamický zákon

Tento termodynamický zákon je vlastně určitým obecným vyjádřením zákona zachování energie v termodynamické soustavě; lze ho vyslovit různými ekvivalentními formulacemi, např.:

Přírůstek vnitřní energie soustavy ∆U se rovná součtu práce W vykonané okolními tělesy působícími na soustavu určitými silami a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě.

Matematicky pak vyjádříme tuto skutečnost jednoduchou rovnicí

∆U = W + Q . (5.9)

Jestliže soustava energii přijímá, považujeme práci W vykonanou okolními tělesy na soustavě a teplo dodané soustavě za kladné veličiny (W > 0 J, Q > 0 J); jestliže soustava sama koná práci nebo tepelnou výměnou odevzdává teplo do okolí, a tedy svou vnitřní energii snižuje, přiřadíme práci W a teplu Q záporná znaménka (W < 0 J, Q < 0 J) - viz obr. 5.3.

Pozn.: Pro rozlišení dvou odlišných situací, kdy práci na plynu konáme vnějšími silami a naopak, kdy plyn práci koná sám (při svém rozpínání), se tyto práce rozlišují i formálním označením. Práce plynu samotného se označuje jako W ′ a má při zvětšování objemu plynu kladnou hodnotu. Rovnici (5.9) lze tak formálně vyjádřit v ekvivalentním tvaru

∆U = Q − W ′ . (5.10)

5.2.2 Stavová rovnice ideálního plynu

Stav termodynamické soustavy je určen souhrnem hodnot všech nezávislých parametrů této soustavy. Veličiny, jež charakterizují stav termodynamické soustavy, se nazývají stavové veličiny (těmi mohou být např. teplota, tlak objem, vnitřní energie, látkové množství, hmotnost, ...). Vztah mezi stavovými veličinami při daném rovnovážném stavu soustavy vyjadřuje tzv. stavová rovnice.

Stavovou rovnici můžeme psát v různém tvaru. Máme-li stále stejné množství (tedy i stejnou hmotnost) ideálního plynu, jenž přejde ze stavu 1 do stavu 2, pak nejjednodušším zápisem stavové rovnice je vztah

= , resp. , (5.11)

kde p je tlak plynu, V jeho objem a T absolutní teplota !!! → tady pozor; pro číselné hodnoty teplot uváděných v absolutní (T) a Celsiově (t) teplotní stupnici platí převodní vztah

T = t + 273,15 .

Ze stavové rovnice (3.11) tak vyplývá, že při jakékoli stavové změně v ideálním plynu, jenž má stálou hmotnost, se uvedený poměr nemění !!!

5.2.3 Děje v ideálním plynu

a) Izotermický děj

Je dějem, při němž je teplota plynu stálá a mění se pouze jeho objem V a tlak p. Vztah mezi těmito veličinami dostaneme ze stavové rovnice. Je-li počáteční objem plynu V1 a tlak p1 a dojde-li izotermickým dějem k jejich změně na hodnoty V2 a p2, musí platit