РУҚА
Задания № 8, 12 · ОГЭ

Термодинамические процессы

Изопроцессы, первый закон термодинамики и графическое определение работы газа
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Термодинамический процесс — это изменение состояния газа, жидкости или другой системы. В этой теме удобно связать параметры состояния с тремя величинами: работой газа, количеством теплоты и изменением внутренней энергии.

Основные понятия и первый закон термодинамики

Состояние идеального газа задаётся давлением \(p\), объёмом \(V\) и абсолютной температурой \(T\). Их связь описывает уравнение состояния идеального газа: \(pV=\nu RT\), где \(\nu\) — количество вещества, а \(R\) — универсальная газовая постоянная. Перед решением задач полезно повторить параметры термодинамического процесса и связь давления, температуры и объёма.

D
Термодинамический процесс

Термодинамический процесс — переход системы из одного состояния в другое при изменении хотя бы одного параметра состояния. Изопроцессом называют процесс, в котором один из параметров идеального газа остаётся постоянным.

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

Количество теплоты, переданное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и совершение системой работы: \(Q=\Delta U+A\). Если работу совершают над газом, то удобно записать \(Q=\Delta U-A_{\text{над}}\), где \(A_{\text{над}}=-A\).

\[Q=\Delta U+A\]

Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры. Поэтому \(\Delta U=\nu C_V\Delta T\). Если температура не меняется, внутренняя энергия идеального газа не изменяется: \(\Delta U=0\).

\[\Delta U=\nu C_V(T_2-T_1)\]

Изопроцессы: что постоянно и как считать величины

Основные изопроцессы подробно рассматриваются на страницах изотермический процесс, изобарический процесс и изохорический процесс. Здесь собраны их признаки и следствия для работы, теплоты и внутренней энергии.

ПроцессПостоянная величинаЗаконРабота газа
Изотермический\(T=const\)\(pV=const\)\(A=\nu RT\ln\frac{V_2}{V_1}\)
Изобарический\(p=const\)\(\frac{V}{T}=const\)\(A=p(V_2-V_1)\)
Изохорический\(V=const\)\(\frac{p}{T}=const\)\(A=0\)
T
Работа газа на p–V-диаграмме

При квазистатическом процессе работа газа равна площади под графиком зависимости \(p(V)\) между начальными и конечными объёмами. При расширении \(V_2>V_1\) работа положительна, при сжатии \(V_2<V_1\) — отрицательна.

\[A=\int_{V_1}^{V_2}p(V)\,dV\]
123456789100.10.20.30.40.50.60.70.80.9V, м³p, ПаpV = const
Изотерма на p–V-диаграмме: при увеличении объёма давление уменьшается.

Для изохорического процесса график на p–V-диаграмме — вертикальный отрезок: объём не меняется, поэтому площадь под ним равна нулю. Для изобарического процесса график — горизонтальный отрезок, а работа равна площади прямоугольника \(p(V_2-V_1)\). Такие графики и площади особенно важны в задачах на графики тепловых процессов.

Что нужно знать наизусть

Изохорический процесс: \(A=0\), поэтому \(Q=\Delta U\). Изотермический процесс идеального газа: \(\Delta U=0\), поэтому \(Q=A\). Изобарический процесс: \(A=p\Delta V\), а изменение температуры можно найти из уравнения состояния.

Количество теплоты в разных процессах

Количество теплоты можно находить непосредственно из первого закона или через теплоёмкость. Для нагревания и охлаждения газа при заданном процессе используют \(Q=\nu C\Delta T\), где \(C\) — молярная теплоёмкость данного процесса.

\[Q=\nu C\Delta T\]
ПроцессТеплотаИзменение внутренней энергии
Изохорический\(Q=\nu C_V\Delta T\)\(\Delta U=\nu C_V\Delta T\)
Изобарический\(Q=\nu C_P\Delta T\)\(\Delta U=\nu C_V\Delta T\)
Изотермический\(Q=A\)\(\Delta U=0\)

Для одноатомного идеального газа \(C_V=\frac{3}{2}R\), а \(C_P=\frac{5}{2}R\). Для двухатомного газа при обычных температурах часто используют \(C_V=\frac{5}{2}R\) и \(C_P=\frac{7}{2}R\), если теплоёмкости считаются постоянными.

Микро-проверка

Газ расширяется при постоянной температуре. Как изменяются его внутренняя энергия и количество теплоты?

Разобранный пример: нагревание газа при постоянном давлении

№
Условие

Одноатомный идеальный газ количеством \(\nu=2\) моль нагрели при постоянном давлении от \(T_1=300\) К до \(T_2=600\) К. Найдите работу газа, изменение внутренней энергии и количество теплоты. Используйте \(R=8{,}31\) Дж/(моль·К).

Показать решение Решение

Процесс изобарический, поэтому давление постоянно, а работа связана с изменением температуры через уравнение состояния.

1
При постоянном давлении \(p\Delta V=\nu R\Delta T\).
\(\displaystyle A=p(V_2-V_1)=\nu R(T_2-T_1)\)
2
Находим изменение температуры.
\(\displaystyle \Delta T=T_2-T_1=600-300=300\ \text{К}\)
3
Подставляем данные в формулу работы.
\(\displaystyle A=2\cdot 8{,}31\cdot 300=4986\ \text{Дж}\approx 5{,}0\ \text{кДж}\)
4
Для одноатомного газа \(C_V=\frac{3}{2}R\).
\(\displaystyle \Delta U=\nu C_V\Delta T=2\cdot\frac{3}{2}R\cdot300=7479\ \text{Дж}\approx7{,}5\ \text{кДж}\)
5
По первому закону термодинамики теплота равна сумме изменения внутренней энергии и работы.
\(\displaystyle Q=\Delta U+A=7479+4986=12465\ \text{Дж}\approx12{,}5\ \text{кДж}\)

Ответ: \(A\approx5{,}0\) кДж, \(\Delta U\approx7{,}5\) кДж, \(Q\approx12{,}5\) кДж. При нагревании все три величины положительны.

Произвольный процесс и участки графика

Если процесс состоит из нескольких участков, каждый участок анализируют отдельно. Для каждого перехода определяют знак работы, изменение температуры и изменение внутренней энергии, затем складывают результаты: \(A_{\text{общ}}=A_1+A_2+...\), \(Q_{\text{общ}}=Q_1+Q_2+...\).

На p–V-, V–T- и p–T-диаграммах один и тот же процесс выглядит по-разному. Сначала определите, какие величины отложены по осям, затем установите постоянный параметр. При переходе между состояниями можно применять задачи на объединённый газовый закон, а при расширении или сжатии — правила из материала расширение и сжатие газа.

!
Частые ошибки

1. Путают работу газа и работу внешних сил: при расширении \(A>0\), а работа внешних сил отрицательна. 2. Используют температуру в градусах Цельсия вместо кельвинов в газовых законах. 3. Считают, что \(Q=\Delta U\) при любом процессе: это верно только при \(A=0\). 4. Забывают знак работы при сжатии. 5. На p–V-диаграмме считают площадь под графиком, не проверив масштаб и направление перехода.

Алгоритм решения

Запишите вид процесса; выпишите постоянный параметр; переведите температуру в кельвины и объём в кубические метры; определите знак \(A\); найдите \(\Delta U\) по изменению температуры; примените \(Q=\Delta U+A\). Если дан график, разбейте его на простые участки.

Проверка знаний

Q
Быстрый тест по теме

Быстрый тест

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · Работа
Какова работа газа в изохорическом процессе?
Главное за минуту

Главное

  • Первый закон термодинамики: \(Q=\Delta U+A\).
  • Изохорический процесс: \(A=0\); изотермический для идеального газа: \(\Delta U=0\); изобарический: \(A=p\Delta V\).
  • Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры: \(\Delta U=\nu C_V\Delta T\).
  • Работа на p–V-диаграмме равна площади под графиком; при расширении она положительна, при сжатии отрицательна.
  • В задачах с несколькими участками каждый участок считают отдельно, затем результаты складывают.