Циклический процесс
Циклический процесс — это последовательность изменений состояния газа, после которой газ возвращается к исходным значениям температуры, давления и объёма. Цикл лежит в основе работы тепловых двигателей, где рабочее тело многократно проходит одни и те же состояния.
В конце цикла внутренняя энергия газа становится такой же, как в начале, потому что она определяется состоянием газа. Поэтому изменение внутренней энергии за полный цикл равно нулю: \(\Delta U=0\). Полученная газом теплота расходуется на совершение работы.
Работа газа за цикл
Работа газа зависит от изменения объёма и давления. На диаграмме, где по горизонтали отложен объём \(V\), а по вертикали — давление \(p\), работа за замкнутый цикл численно равна площади фигуры внутри цикла.
Если цикл проходит по часовой стрелке, газ в целом совершает положительную работу: расширение происходит при большем давлении, чем сжатие. Если направление против часовой стрелки, работа газа отрицательна: внешние силы совершают работу над газом. В тепловом двигателе цикл обычно направлен по часовой стрелке.
Газ расширился при давлении \(p_1=200\ кПа\) от объёма \(V_1=1\ л\) до \(V_2=3\ л\), а затем сжался при давлении \(p_2=100\ кПа\) до исходного объёма. Работа цикла равна площади прямоугольника: \(A=(p_1-p_2)(V_2-V_1)=100\ кПа\cdot2\ л=200\ Дж\).
Площадь внутри замкнутого цикла показывает работу за цикл. Площадь под отдельным участком графика показывает работу только на этом участке. Кроме того, возвращение газа в исходное состояние означает \(\Delta U=0\) за цикл, но работа и теплота при этом могут быть ненулевыми.
Что показывает площадь фигуры, ограниченной циклом на p–V-диаграмме?
Главное
- Циклический процесс возвращает газ в исходное состояние.
- За полный цикл \(\Delta U=0\), а работа газа равна площади замкнутого цикла на p–V-диаграмме.
- Направление по часовой стрелке соответствует положительной работе газа; направление против часовой стрелки — отрицательной.