Тема 2. Закони термодинаміки

 

1. І закон термодинаміки (І ЗТД) – це закон збереження і перетворення енергії при теплових процесах.

 Кількість теплоти, отримана ТДС у ході теплового процесу, іде на збільшення її внутрішньої енергії і на виконання нею роботи.

                                                                                                                   (9)

 

І ЗТД заперечує можливість створення вічного двигуна І роду:

Не можна створити машину, яка б необмежено виконувала роботу, не отримуючи енергію ззовні, бо якщо  тобто робота виконуватиметься за рахунок внутрішньої енергії, яка не є безмежною.

 

2. Застосування І ЗТД до ізопроцесів

Ізотермічний процес

                                                                       (10)

Вся кількість теплоти, отримана газом при ізотермічному процесі, іде на виконання ним роботи розширення газу.

 теплоємність речовини при цьому процесі не має фізичного змісту, оскільки не має нагрівання.

Ізохорний процес

                                                                        (11)

Вся кількість теплоти, отримана газом при ізохорному процесі, іде на його нагрівання.

Теплоємність при ізохорному процесі (для 1-атомного газу)

;

; * .                                                                                 (12)                       

Ізобарний процес

                                                                                        (13)

Вся кількість теплоти, отримана газом при ізобарному процесі, іде на його нагрівання і на виконання ним роботи розширення газу.

Теплоємність при ізобарному процесі (для 1-атомного газу)

;

; .                                                                                         (14)

Як видно, теплоємності при сталому тиску і сталому об’ємі відрізняються:

Рівняння Майєра встановлює зв’язок між теплоємностями при сталому тиску і сталому об’ємі.

                                                                                                                           (15)

Така різниця пояснюється тим, що Q, отримана газом при V = const, іде тільки на нагрівання, а при p = const, – ще і на виконання А.

4. Адіабатний процес – ТДП, який відбувається без теплообміну із зовнішнім середовищем (або ТДС – ізольована, або ТДП – дуже швидкий).

Приклад: стиск повітря у дизельному двигуні, розширення пари шампанського при вильоті корка, розширення нагрітого повітря при підніманні у верхні шари атмосфери.     

Умова:                                                                (16)                                                                                        

Рівняння процесу                                                                                                                      

> 1 – показник адіабати.

Адіабата – графік адіабатного процесу.

Адіабата крутіша за ізотерму, тому що при Q = 0 на ΔV впливає

 і ΔТ і Δр, а при Т = const – лише Δр.

З умови процесу випливає І ЗТД:

                                                           (17)

Внутрішня енергія газу збільшується за рахунок роботи зовнішніх сил.

Або: робота виконується газом лише за рахунок його внутрішньої енергії.

Зведена таблиця застосування І ЗТД до ізопроцесів

ТДП	Отримана газом Q	Здійснена газом А	Зміна U	І ЗТД	Формулювання І ЗТД
Ізотермічний T = const	Q > 0	А > 0	ΔU = 0	Q = А	Передана газом кількість теплоти витрачається на виконання ним роботи
Ізохорний V = const	Q > 0	А = 0	ΔU > 0	Q = ΔU	Передана газом кількість теплоти йде на збільшення його внутрішньої енергії
Ізобарний p = const	Q > 0	А > 0	ΔU > 0	Q =ΔU + А	Передана газом кількість теплоти йде на збільшення його внутрішньої енергії і виконання ним роботи
Адіабатний Q = const	Q = 0	1) А > 0 2) А < 0	1) ΔU < 0 2) ΔU > 0	1) ΔU = –А = А´ 2) А = – ΔU	1) Внутрішня енергія газу збільшується за рахунок роботи зовнішніх сил 2) Під час розширення газ виконує роботу за рахунок зменшення його внутрішньої енергії.

3. ІІ закон термодинаміки (ІІ ЗТД) – вказує напрям протікання необоротних процесів у природі.

З І закону термодинаміки випливає неможливість побудови "вічного" двигуна першого роду, бо будь-яка система не може нескінченно довго виконувати роботу без передачі їй теплоти. Дійсно, коли Q = 0, то робота має виконуватись за рахунок внутрішньої енергії системи, яка є обмеженою.

Закон збереження і перетворення енергії стверджує, що кількість енергії за будь-яких її перетворень незмінна, але нічого в ньому не вказує на те, які енергетичні перетворення можливі. Однак багато процесів, цілком допустимих з точки зору закону збереження енергії, ніколи не відбуваються в дійсності. Такі процеси називають необоротними.

Наприклад, нагріте тіло, поступово охолоджуючись, передає свою енергію більш холодним тілам, які його оточують. Зворотний процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого самовільно відбуватися не може. Всі тіла вільно падають на землю, але самовільно з землі вони не можуть піднятися вгору. При гальмуванні автомобіля чи затухаючих коливаннях маятника механічна енергія перетворюється у внутрішню, але ніколи автомобіль чи маятник не відновлять свій рух за рахунок своєї внутрішньої енергії, ля цього їм потрібна енергія зовнішніх тіл. Кількість таких прикладів можна навести безліч. Усі вони свідчать, що процеси в природі мають певну спрямованість, і у зворотному напрямі вони самовільно відбуватися не можуть.

Напрям можливих енергетичних перетворень вказує ІІ закон термодинаміки. Він підтверджує необоротність процесів в природі і був сформульований на основі дослідних фактів багатьма вченими: Клаузіусом, Планком, Томсоном.

Зміст ІІ ЗТД наступний: енергія не може переходити сама по собі від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.

Тоді ІІ ЗТД заперечує можливість створення вічного двигуна ІІ роду:

Не можна створити машину, яка, отримавши ззовні деяку кількість теплоти при будь-якій температурі, повністю перетворила б її в механічну роботу і при цьому повернулась точно у вихідний стан. Інакше багатократно повторюючи такий цикл, можна було б перетворити в механічну роботу величезні запаси енергії які акумульовані у воді морів, океанів землі.

Таким чином,

І ЗТД заперечує можливість існування машини, за допомогою якої можна було б виробити енергію з нічого, а ІІ ЗТД заперечує можливість створення машини, здатної виконувати роботу лише за рахунок охолодження одного тіла.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: