B.4 · Термодинамика

Это пособие охватывает выбранные темы уровня HL для курса, впервые аттестованного в 2025; оно не является полной программой.

Предварительные требования: читать указанные количества и единицы, использовать арифметику и моделированные условия ниже.

Примеры являются оригинальными и вымышленными: они не представляют собой реальные измерения или реальные студенческие исследования.

Что могло бы объяснить это наблюдение?

• Сжатие газа может нагреть его даже без нагревателя. Работа — это ещё один путь передачи энергии в систему.

Постройте модель

• Внутренняя энергия является свойством выбранной системы.
• Тепло и работа описывают передачу энергии через её границу.
• Для идеального одноатомного газа внутренняя энергия зависит от температуры и количества вещества.
• Адиабатный: Процесс без передачи тепла.
• Внутренняя энергия: Суммарная микроскопическая кинетическая и потенциальная энергия системы.

Выберите доказательства для проверки гипотезы

• Перед применением первого начала термодинамики укажите знак конвенции.
• Здесь изменение внутренней энергии равно теплоте, подведённой к системе, минус работа, совершенная системой.
• Работа расширения может уменьшить внутреннюю энергию, если тепло не подводится.

В лаборатории: Определите, является ли процесс изотермным, адиабатным или при постоянном объёме. На графике зависимости давления от объёма площадь под кривой процесса равна работе, совершённой газом. Путь имеет значение для работы, даже если начальные и конечные точки совпадают.

Работайте с известными величинами

• Известно: газ получил 300 Дж при нагревании и совершил работу 120 Дж.
• Учитывая ΔU = Q-W, получаем ΔU = 300-120 = 180 Дж.
• При адиабатном сжатии Q=0 и работа газа отрицательна, поэтому ΔU положительно.

Ваш ход: Газ получает 500 Дж тепла и совершает 200 Дж работы. Найдите изменение внутренней энергии.

Проверьте вывод и его границы применимости

• Адиабатный процесс не означает постоянную температуру.
• Используйте указанную систему знаков; в некоторых курсах работа, совершенная над газом, имеет противоположный знак.

Неверно: В каждом адиабатном процессе температура постоянна. Адиабатность фиксирует теплообмен (Q = 0), а не температуру. При адиабатном сжатии температура повышается — велосипедные насосы нагреваются, а при адиабатном расширении понижается. Постоянство температуры характерно для изотермического, а не адиабатного процесса.

Ключевые моменты:

• Внутренняя энергия является свойством выбранной системы.
• Перед применением первого начала термодинамики укажите знак конвенции.
• Обратите внимание: адиабатный процесс не означает постоянную температуру.

Запишите на основе изменения внутренней энергии на 450 Дж

• Газ получает 800 Дж тепла и совершает 350 Дж работы.
• Найдите изменение внутренней энергии. Адиабатность означает отсутствие теплообмена, а не постоянную температуру.

Запишите на основе изотермического процесса

• Газ медленно расширяется при постоянной температуре, совершая работу в 200 Дж.
• ΔU = 0, значит Q = W = 200 Дж: тепло поступает ровно так же быстро, как уходит работа — изотерма это баланс, а не отсутствие энергии.

Запишите на основе суммарного результата цикла

• За один полный цикл газ поглощает 500 Дж и отдаёт 300 Дж.
• Суммарная работа = 500 − 300 = 200 Дж, а ΔU = 0 за весь цикл — внутренняя энергия является функцией состояния; она возвращается к исходному значению.