§ 36. Робота під час розширення газу

У сучасному виробництві широко розповсюджені теплові двигуни, в яких внутрішня енергія перетворюється в механічну. Процес її перетворення здійснюється за допомогою розширення пари чи газу. Нагріті до високої температури і стиснуті пара чи газ мають значний запас енергії, яку передають частково під час розширення поршню двигуна або лопаткам турбіни. Інший принцип покладено в будову реактивних двигунів, де внаслідок витікання газу в один бік створюється реакція віддачі у протилежний. Але в усіх випадках робота виконується в результаті розширення газу.

Щоб зрозуміти принцип дії теплових двигунів, необхідно розглянути умови, за яких газ може виконувати роботу.

Припустимо, що газ нагрівається ізобарно (за сталого тиску; р = const) і певна його маса знаходиться в циліндрі з рухомим поршнем, який може без тертя переміщатися вздовж осі циліндра (мал. 67). Початкова температура Т₁ газу дорівнює температурі навколишнього середовища; поршень перебуває в спокої, якщо тиск на нього зсередини і ззовні однаковий, наприклад дорівнює атмосферному. У результаті нагрівання газ розширюватиметься. Енергія, яка підводиться в цьому випадку, витрачатиметься частково на нагрівання газу, частково на виконання ним роботи.

Нехай під час підвищення температури газу до Т₂ поршень переміститься на відстань І. Отже, газ, розширюючись і переміщуючи поршень, виконав тим самим роботу проти зовнішніх сил. Оскільки тиск залишався сталим, то діюча на поршень сила дорівнює: F = pS, де S — площа поршня. Таким чином, виконана газом робота: А = pSl. Але Sl — приріст об'єму газу V₂ - V₁. Отже,

A=p(V₂-V₁), (36.1)

тобто робота, виконана газом за ізобарного розширення

проти зовнішніх сил, дорівнює добуткові тиску газу на приріст його об'єму.

Під час розширення газ виконує додатну роботу, оскільки напрям сили і напрям переміщення поршня збігаються. Розширюючись, газ передає енергію навколишнім тілам. Якщо газ стискується, то формула (36.1) для роботи газу правильна. Але тепер V₂ < V₁і тому А < 0.