Перший закон термодинаміки

План

1. Зміст закону і його формулювання.

2. Внутрішня енергія та її властивості. Робота газу, її визначення. Ентальпія і ентропія газу.

3. Перший закон термодинаміки для потоку (відкрита система)

1. Зміст закону та його формулювання

Рис. 20 – pv-діаграма процесу розширення (а) і стиску (б) газу

Кожна тонка на рv-діаграмі показує стан робочого тіла. Плавна крива, яка сполучає точки 1 і 2, графічно показує закон зміни стану газу, тобто процес, і тому називається лінією процесу. В математичному розумінні рійняння процесу набирає вигляду: р = f (v) (6.1). Отже, кожна лінія на pv-діаграмі зображує закон зміни параметрів робочого тіла, тобто характер процесу.

Робота 1 кг газу в процесі 12 виразиться як сума робіт елементар­них процесів, тобто:

(6.2)

Отже, на рv-діаграмі робота процесу зображується площею(інтеграл – площа), обмеженою вгорі лінією процесу, знизу — віссю абсцис і з боків ординатами початко­вого й кінцевого тисків.

Величина роботи l [Дж] визначається не тільки початковим і кінце­вим станом робочого тіла, а залежить також від характеру процесу

рv-діаграму часто називають робочою діаграмою.

Формулювання (коротке) 1-го закону термодинаміки: тепло і механічна енергія можуть перетворюватися одне в одне. При цьому кількість енергії, затраченої у вигляді тепла, дорівнює кількості одержаної механічної енергії (6.3) і навпаки.

Перший закон термодинаміки - окремий випадок закону збереження і перетворення енергії, а саме застосування цього фундаментального закону до термодинамічних систем. Відповідно до цього закону повна енергія ізольованої термодинамічної системи при будь-яких процесах, гцо відбуваються в системі, залишається постійною, тобто ∑Е_і= const, де Е_і - різні види енергії.

Нехай до термодинамічної системи масою m, що займає об'єм V при тиску р і температурі Т, підводиться від зовнішнього джерела (із зовнішнього середовища) нескінченно мала кількість теплоти δQ.Унаслідок підведення теплоти температура системи збільшується на dT. Підвищення температури призводить до збільшення кінетичної енергії теплового руху мікрочасток на величину dE_K.

Відповідно до рівняння стану підвищення температури при постійному тиску зовнішнього середовища призводить до збільшення об'єму системи на dv. Збільшення відстані між молекулами призводить до зростання потенціальної енергії часток на dE_n. Зміна кінетичної dE_K і потенційної dE_n енергії системи обумовлює зміну її внутрішньої енергії на du.

Під час підведення до термодинамічної системи кількості теплоти δQ і внаслідок зміни її об'єму на величину dV здійснюється робота розширення проти сил зовнішнього тиску. Оскільки в розглянутій системі немає інших змін, то відповідно до закону збереження енергії маємо

(6.4)

Таким чином, для ізольованої термодинамічної системи теплота, що передається їй, іде на зміну її внутрішньої енергії і на здійснення зовнішньої роботи.

З рівняння випливає, що внутрішня енергія системи, будучи однозначною функцією її стану, змінюється під дією зовнішніх впливів (надходження деякої кількості теплоти δQ і здійснення роботи δL). Крім того, робота може відбуватися або за рахунок надання системі кількості теплоти, або за рахунок зміни внутрішньої енергії (або за рахунок δQ і dU).

Вираз - математичне рівняння першого закону термодинаміки для ізольованих систем. Для системи, що містить 1 кг робочого тіла,

(6.5)

В інтегральній формі це рівняння має такий вигляд:

(6.6)