Тема 2. Основы термодинамики

Термодинамика изучает тепловые свойства макроскопических тел без учёта их молекулярного строения.

Основные понятия термодинамики

Внутренняя энергия

Количество теплоты

Работа газа

Внутренняя энергия

С точки зрения МКТ внутренняя энергия макроскопического тела – это сумма кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул тела и потенциальных энергий взаимодействия всех этих молекул друг с другом.

– внутренняя энергия .

Вычисление внутренней энергии любого тела для элементарной физики невыполнимая задача из-за огромного числа молекул в макроскопических телах.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа – это кинетическая энергия хаотического движения его молекул, т.к. молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, и их потенциальная энергия считается равной нулю.

.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газапрямо пропорциональна его абсолютной температуре.

Внутренняя энергия данной массы газа зависит лишь от одного макроскопического параметра – термодинамической температуры и не зависит от других его макроскопических параметров.

Зная что , получим: .

Используя уравнение состояния идеального газа получаем: .

О внутренней энергии газа судят только по температуре. Если температура газа не изменяется, то постоянной остаётся и его внутренняя энергия. Изменение внутренней энергии, независимо от того в каком процессе газ переходит из одного состояния в другое, определяется только изменением его температуры.

Внутренняя энергия идеального газа – является функцией его состояния.

- внутренняя энергия газа соответственно при температурах .

- изменение внутренней энергии при изменении температуры на

, таким образом .

Способы изменения внутренней энергии (способы перехода газа из состояния с одной температурой в состояние с другой температурой):

1. Совершение работы системой или над системой (нагревание при трении или сжатии, охлаждение при расширении).

2. Теплообмен (теплопередача) – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Виды теплопередачи

1. Теплопроводность – передача энергии от более нагретых тел или участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоят тела.

2. Конвекция – процесс теплообмена, осуществляемый путём переноса энергии потоками жидкости или газа.

3. Излучение – перенос энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами.

Количество теплоты

Количество теплоты – энергия, которую тело получает или отдаёт в процессе теплообмена, т.е. количественная мера изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи.

В различных тепловых процессах количество теплоты находится по-разному.

1. Количество теплоты при нагревании (охлаждении): , где – масса тела, - изменение температуры, - удельная теплоёмкость вещества.

Удельная теплоёмкость вещества – это количество теплоты, которое получает или отдаёт 1кг вещества при изменении его температуры на 1К.

Для данного газа удельные теплоёмкости при нагревании при постоянном давлении и при постоянном объёме различны,

При нагревании количество теплоты, поглощаемое телом, , приохлаждении количество теплоты, выделяемое телом,

2. Количество теплоты при парообразовании (конденсации): , где – масса тела, – удельная теплота парообразования (конденсации).

Удельная теплота парообразования (конденсации) – это количество теплоты, необходимое для превращения при постоянной температуре 1кг жидкости в пар той же температуры или выделяемое 1кг пара при переходе его при постоянной температуре в жидкость той же температуры.

При парообразовании , при конденсации

3. Количество теплоты при плавлении (кристаллизации): где – масса тела, – удельная теплота плавления (кристаллизации).

Удельная теплота плавления (кристаллизации) – количество теплоты необходимое для превращения 1кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры или выделяемое 1кг жидкости при кристаллизации.

При плавлении , при кристаллизации

4. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива: где – масса тела, – удельная теплота сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой 1кг.

Уравнение теплового баланса: + (алгебраическая сумма), - количества теплоты, полученные или отданные телами при теплообмене.

Работа в термодинамике

В термодинамике в качестве системы, которая совершает работу при переходе из одного состояния в другое или над которой совершается работа внешними силами, является газ. О совершении работы судят по объёму: если объём газа не изменяется (газ не расширяется и не сжимается), например, в цилиндре под поршнем, и поршень застопорен, то работа не совершается.

ʹ - работа газа, - работа внешних сил

Когда газ расширяется, он сам совершает работу, ʹ , при этом При сжатии внешние силы совершают работу над газом, при этом

ʹ =-

Изменение состояния газа может происходить в изохорном, изобарном, изотермическом процессах.

В изохорном процессе ʹ = 0, работа не совершается.

В изобарном процессе при постоянном давлении изменяются объём и температура, работа газа: ʹ = , где - давление, - изменение объёма, - . Используя уравнение состояния идеального газа, можно получить: ʹ =

Если представить процесс изобарного расширения газа графически в координатных осях то геометрически работа газа представляет собой площадь прямоугольника под изобарой.

1 2

ʹ

В изотермическом процессе при постоянной температуре изменяются объём и давление, работа газа: ʹ = = .

Если представить процесс изотермического расширения газа графически в координатных осях то геометрически работа газа представляет собой площадь фигуры под изотермой.

1

ʹ

Работа в термодинамике – это функция процесса.

Работа и количество теплоты зависят от процесса перехода системы из одного состояния в другое, при одних и тех же начальном и конечном состояниях работа и количество теплоты могут быть различными. Изменение внутренней энергии зависят только от начального и конечного состояний.

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии для тепловых процессов): изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе

или

Если система изолирована, то над ней не совершается работа ( ) и она не обменивается теплом с окружающей средой ( ), то , , т.е. внутренняя энергия изолированной (замкнутой) системы остаётся неизменной (сохраняется).

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: