§ 33. Расширение газа в пустоту
В основу приведенных выше рассуждений о тепловых процессах в газах был положен закон сохранения энергии, выраженный уравнением (23,3):
Действительно, газ, находящийся, например, в сосуде с подвижным поршнем, производит на него давление и при расширении совершает работу. При изотермическом процессе работа совершается за счет подводимой извне теплоты, при адиабатном — за счет
внутренней энергии. В этом последнем случае газ при расширении охлаждается. Взамен энергии, которую теряют молекулы, получается кинетическая энергия поршня, если ему сообщается заметная скорость, или потенциальная энергия, если, например, вместе с поршнем поднимается некоторый груз или сжимается пружина. Этой энергией можно воспользоваться для приведенияв движение машины, если ее должным образом соединить с поршнем.
При адиабатном сжатии, наоборот, внутренняя энергия газа увеличивается за счет работы внешних сил. Энергия же тела, совершающего эту работу, уменьшается.
Следует, однако, заметить, что само по себе расширение газа не может привести к его охлаждению, если при расширении газ не производит работу. Это значит, что если идеальный газ расширяется таким образом, что к сосуду, в котором он находится, присоединяется другой, пустой сосуд, то температура газа не изменяется. При таком расширении в пустоту идеальный газ не совершает работы.
Неизменность температуры газа при этом следует из того, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от занимаемого объема. Это было показано экспериментально еще в прошлом столетии (1845 г.) Джоулем.
Опыт Джоуля состоял в следующем. Два баллона, один — наполненный воздухом до сравнительно высокого давления (около 20 атмосфер), другой — пустой (откачанный), могут быть соединены друг с другом при помощи крана. Оба баллона помещались в водяной калориметр, тщательно теплоизолированный от окружающего пространства. Через некоторое время после открытия соединительного крана измерялось изменение температуры воды в калориметре. Опыт показал, что температура калориметра не изменялась. Это доказывает, что и газ сохранил свою начальную температуру.
Опыт Джоуля вместе с тем может служить экспериментальным доказательством того, что внутренняя энергия газа (идеального) при постоянной температуре не зависит от объема.
Более поздние точные опыты показали, что при расширении сильно сжатого газа в пустоту температура газа изменяется. Но это изменение температуры, как будет показано в гл. VIII, связано с неидеальностью газа.
В прошлом столетии, когда кинетическая теория не получила еще достаточного развития, было потрачено немало усилий для опытного доказательства справедливости соотношения (23.1). После того как оно было твердо установлено, оно получило название первого начала термодинамики.
С точки зрения кинетической теории, согласно которой тепловая энергия есть энергия хаотических движений молекул, первое начало термодинамики попросту является выражением закона сохранения энергии.
