РУҚА
Задания № 9, 10 · ЕГЭ

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Как закон сохранения энергии описывает нагревание, теплообмен и работу газа
5 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Тепловые процессы подчиняются закону сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает, а переходит из одной формы в другую. В задачах рассматривают, как теплота изменяет внутреннюю энергию тела и совершает работу, например при расширении газа.

1. Энергия в тепловых процессах

Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии хаотического движения его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: передать телу теплоту или совершить над ним работу.

D
Теплота и работа

Количество теплоты \(Q\) — энергия, переданная телу при теплообмене. Работа \(A\) — энергия, переданная телу или отданная им при действии сил и перемещении границы системы. В школьной термодинамике работу газа считают положительной, если газ расширяется и сам совершает работу.

\(Q\)
количество теплоты
Дж
\(U\)
внутренняя энергия
Дж
\(A\)
работа газа
Дж
\(p\)
давление
Па
\(V\)
объём
м³
\(T\)
абсолютная температура
К
T
Первый закон термодинамики

Количество теплоты, переданное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и совершение системой работы. Это содержание первого закона термодинамики.

\[Q = \Delta U + A\]

Здесь \(\Delta U=U_2-U_1\) — изменение внутренней энергии, а \(A\) — работа газа. Поэтому \(\Delta U=Q-A\): если газ получил теплоту, но часть энергии отдал в виде работы, внутренняя энергия увеличится не на всю величину \(Q\).

2. Нагревание, охлаждение и теплообмен

При нагревании тела его внутренняя энергия обычно увеличивается, поэтому \(\Delta U>0\). При охлаждении внутренняя энергия уменьшается, и \(\Delta U<0\). Изменение температуры при нагревании или охлаждении рассчитывают через удельную теплоёмкость вещества.

\[Q = cm\left(T_2-T_1\right)=cm\Delta T\]

В этой формуле \(c\) — удельная теплоёмкость вещества, \(m\) — масса, а \(\Delta T\) — изменение температуры. Если тело нагревается, \(\Delta T>0\) и \(Q>0\); если охлаждается, \(\Delta T<0\) и \(Q<0\).

При теплообмене между телами в изолированной системе потери теплоты одного тела равны приобретению теплоты другого. Если пренебречь нагреванием сосуда и потерями в окружающую среду, используют уравнение теплового баланса.

\[Q_1+Q_2+\dots+Q_n=0\]
T
Правило теплового баланса

В замкнутой системе алгебраическая сумма количеств теплоты, полученных и отданных всеми телами, равна нулю. Удобно считать полученную теплоту положительной, а отданную — отрицательной.

Для двух тел без фазового перехода это часто записывают так: \(c_1m_1(T-T_1)+c_2m_2(T-T_2)=0\), где \(T\) — конечная общая температура.

Микро-проверка

Газ получил количество теплоты \(Q=500\) Дж и совершил работу \(A=200\) Дж. Как изменилась его внутренняя энергия?

3. Работа газа и разные процессы

Работа газа появляется, когда газ перемещает поршень или изменяет объём сосуда с подвижной границей. При постоянном давлении она равна произведению давления на изменение объёма.

\[A=p\left(V_2-V_1\right)=p\Delta V\]

При расширении \(V_2>V_1\), поэтому \(A>0\): газ совершает работу над внешними телами. При сжатии \(V_2<V_1\), поэтому \(A<0\): внешние силы совершают работу над газом. Подробные случаи для изопроцессов разобраны на странице работы газа в изопроцессах.

0.511.522.533.544.55246810V, м³p, Па0p(V)
На pV-графике работа газа при постоянном давлении равна площади прямоугольника под графиком: \(A=p\Delta V\).

На диаграмме \(p(V)\) работа газа численно равна площади под графиком между начальным и конечным объёмами. Для сложного пути процесс разбивают на участки. В циклическом процессе газ возвращается в исходное состояние, поэтому \(\Delta U=0\), а полученная теплота равна работе за цикл: \(Q=A\).

D
Частные случаи первого закона

При постоянном объёме \(\Delta V=0\) и \(A=0\), поэтому \(Q=\Delta U\). При теплоизоляции \(Q=0\), поэтому \(\Delta U=-A\). В полном цикле \(\Delta U=0\), так как внутренняя энергия зависит только от состояния, а не от пути процесса.

Для идеального газа внутренняя энергия определяется только температурой. Поэтому если начальная и конечная температуры одинаковы, то \(\Delta U=0\), даже если за это время газ расширялся, сжимался или получал теплоту.

4. Разбор задачи

№
Нагревание газа при постоянном давлении

Газ массой \(m=0{,}5\) кг нагрели от \(T_1=300\) К до \(T_2=500\) К. Удельная теплоёмкость газа \(c=700\) Дж/(кг·К). Газ расширился при постоянном давлении \(p=2\cdot10^5\) Па от объёма \(V_1=0{,}010\) м³ до \(V_2=0{,}020\) м³. Найдём количество теплоты.

1
Сначала вычислим изменение внутренней энергии по изменению температуры.
\(\displaystyle \Delta U=cm\Delta T=700\cdot0{,}5\cdot(500-300)=70000\ \text{Дж}\)
2
Найдём работу газа при постоянном давлении.
\(\displaystyle A=p\Delta V=2\cdot10^5\cdot(0{,}020-0{,}010)=2000\ \text{Дж}\)
3
Применим первый закон термодинамики: полученная теплота равна сумме изменения внутренней энергии и работы.
\(\displaystyle Q=\Delta U+A=70000+2000=72000\ \text{Дж}\)

Ответ: газ получил \(Q=7{,}2\cdot10^4\) Дж теплоты. Большая часть энергии пошла на увеличение внутренней энергии, а \(2000\) Дж — на работу расширения.

5. Алгоритм решения и частые ошибки

  1. Определите систему: газ, жидкость, твёрдое тело или несколько тел.
  2. Запишите первый закон термодинамики \(Q=\Delta U+A\) или уравнение теплового баланса.
  3. Выберите формулы для \(Q\), \(\Delta U\) и \(A\) с учётом процесса.
  4. Проверьте знаки: нагревание обычно даёт \(Q>0\), расширение — \(A>0\), сжатие — \(A<0\).
  5. Подставьте величины в единицах СИ и оцените разумность ответа.
!
Частые ошибки

1. Путают работу газа \(A\) с работой внешних сил: при расширении работа газа положительна, а работа внешних сил отрицательна. 2. Используют \(Q=cmT\), забывая, что нужна разность температур \(\Delta T\). 3. Не учитывают, что при постоянном объёме \(A=0\). 4. Смешивают градусы Цельсия и кельвины: для разности температур численное значение одинаково, но в газовых законах нужна абсолютная температура. 5. Считают, что внутренняя энергия зависит от пути процесса; она определяется состоянием системы.

Как не ошибиться со знаками

Нарисуйте энергетическую схему: теплота входит в систему — знак «плюс», энергия уходит из системы — знак «минус». Если газ расширяется, он отдаёт энергию внешним телам, поэтому в формуле \(Q=\Delta U+A\) работа газа записывается со знаком плюс.

6. Итоговая проверка

Q
Быстрый тест по теме

Проверь себя

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · знаки работы
Газ сжали, и внешние силы совершили над ним работу. Как записывается работа газа в первом законе?
Главное за минуту

Главное

  • Первый закон термодинамики: \(Q=\Delta U+A\).
  • При нагревании без фазового перехода \(Q=cm\Delta T\), а изменение внутренней энергии связано с изменением температуры.
  • Работа газа при постоянном давлении: \(A=p\Delta V\); при расширении она положительна, при сжатии отрицательна.
  • В изолированной системе действует тепловой баланс: сумма всех количеств теплоты равна нулю.
  • При решении задачи сначала выбирают систему, затем записывают закон сохранения энергии и только после этого подставляют формулы и числа.