ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям, протекающим в термодинамических системах.

Закон сохранения и превращения энергии гласит, что в изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная. Как следствие, энергия ниоткуда не появляется и никуда не исчезает, а лишь переходит из одного состояния в другое.

Внутренняя энергия

Под внутренней энергией газа понимается вся энергия, заключенная внутри тела или в системе тел. Внутренняя энергия включает в себя:

1) кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;

2) потенциальную энергию взаимодействия молекул;

3) энергию электронных оболочек атомов;

4) внутриядерную энергию.

В большинстве теплоэнергетических процессов две последние составляющие остаются неизменными. Поэтому внутренняя энергия определяется как кинетическая и потенциальная энергия. При этом кинетическая энергия есть функция температуры, а потенциальная энергия зависит от среднего расстояния между молекулами, а следовательно, от объема. Таким образом, внутренняя энергия (U) – это функция состояния тела:

,

где U_пот – потенциальная составляющая; U_кин – кинетическая составляющая; U₀ – постоянная интегрирования. Величина U₀ представляет собой нулевую энергию, или внутреннюю энергию при абсолютном нуле. Как известно, при 0 К тепловое движение молекул прекращается, но продолжается движение частиц внутри атомов, например движение электронов. Поскольку абсолютное значение внутренней энергии методами термодинамики установить невозможно, то при термодинамическом анализе системы используют изменение внутренней энергии в результате процесса, поэтому величина U₀ не учитывается и принимается равной нулю.

Для идеальных газов в понятие внутренней энергии включают кинетическую энергию движения молекул и энергию колебательных движений атомов в молекуле. Для реальных газов дополнительно учитывают потенциальную составляющую энергии, связанную с наличием сил взаимодействия между молекулами и зависящую от расстояния между ними. Внутренняя энергия является аддитивным или экстенсивным параметром, так как ее величина зависит от массы тела.

Удельная внутренняя энергия (u) (отнесенная к 1 кг) равна сумме энергий ее отдельных составляющих:

Изменение удельной внутренней энергии не зависит от характера или пути процесса, а определяется только начальным и конечным его состоянием:

Этот факт наглядно демонстрирует рис. 4.

 

Рис. 4. Изменение удельной внутренней энергии газа

Рис. 5. р, υ-диаграмма

 

Во всех процессах изменение удельной внутренней энергии будет одно и то же. В круговых процессах изменение удельной внутренней энергии равно нулю:

.

Утверждение, что удельная внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры, справедливо с допустимой погрешностью и для реальных газов, если они находятся при высокой температуре и малом давлении. Если на р, υ-диаграмме (рис. 5) между изотермами Т₁ и Т₂ изобразить ряд произвольных процессов 1–2, 3–4, 5–6, которые имеют различные начальные и конечные объемы и давления, то изменение удельной внутренней энергии идеального газа будет одинаковым:

Работа расширения

Работа в термодинамике, как и в механике, определяется произведением действующей на рабочее тело силы на путь ее действия. Допустим, что имеется газ с параметрами М или m (масса) и V (объем), заключенный в эластичную оболочку с поверхностью F (рис. 6). Если газу сообщить некоторое количество теплоты, то он будет расширяться, совершая при этом работу против внешнего давления р, оказываемого на него средой. Газ действует на каждый элемент оболочки dF с силой, равной p dF, и, перемещая ее по нормали к поверхности на расстояние dn, совершает элементарную работу p dF dn. Общую работу, совершенную в течение бесконечно малого процесса, получим, интегрируя данное выражение по всей поверхности F оболочки:

Из рис. 6 очевидно, что интеграл по поверхности соответствует изменению объема ∆V:  Следовательно,  При конечном изменении объема работа против сил внешнего давления, называемая работой расширения, выражается зависимостью:

.

Работа δL и изменение объема ∆V всегда имеют одинаковые знаки, отсюда:

1) δL > 0 и ∆V > 0 – при расширении работа тела положительна, при этом само тело совершает работу;

2) δL < 0 и ∆V < 0 – при сжатии работа тела отрицательна, при этом не тело совершает работу, а на его сжатие затрачивается работа.

Если процесс расширения протекает не с 1 кг газа, а с m (кг), то уравнение работы расширения примет вид:

.

Для исследования равновесных процессов в термодинамике используют р, υ-диаграммы, где работа изменения объема эквивалентна площади под кривой процесса (рис. 7). Каждому пути перехода соответствует своя работа расширения, следовательно, работа зависит от характера термодинамического процесса, а не является функцией только начального и конечного состояния системы.
	Рис. 7. Графическое изображение работы в р, υ-координатах

Теплота

Помимо макрофизической формы передачи энергии – работы существует также и микрофизическая, т. е. осуществляемая на молекулярном уровне. В этом случае энергия может быть передана системе без совершения работы. Мерой количества энергии, переданной микрофизическим путем, является теплота.

Теплота может передаваться либо при непосредственном контакте между телами (теплопроводность, конвекция), либо на расстоянии (излучение) при обязательном наличии градиента температур.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: