Лабораторная работа № 2 (7к) Основы термодинамики

Цели работы: исследование термодинамических процессов, производимых в идеальном газе. Проверка первого начала термодинамики, расчет теплоемкости газа.

Основы теории

Раздел физики, изучающий свойства тел без использования представлений о характере движения и взаимодействия частиц, из которых они состоят, называется термодинамикой.

Термодинамика рассматривает свойства тел и явления, происходящие в них, опираясь на общие законы (начала) термодинамики. Законы термодинамики и молекулярно-кинетическая теория дополняют друг друга.

Первоначально термодинамика возникла как наука об использовании теплоты для получения работы (теоретическая теплотехника). Одновременно были открыты законы термодинамики, обладающие большой общностью. Эти законы относятся к преобразованиям энергии, ее изменениям в различных процессах и к ряду связанных с ней величин. Поэтому основное содержание современной термодинамики можно определить как учение о наиболее общих свойствах макроскопических систем и о закономерностях тепловых, а также ряда других физических явлений.

Внутренняя энергия. Одним из важнейших параметров термодинамической системы является ее внутренняя энергия. Внутренней энергией системы называют ту часть ее полной энергии, которая определяется собственными параметрами этой системы. Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии хаотического теплового движения и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетическая и потенциальная энергии тела как целого во внутреннюю энергию не входят.

Внутренняя энергия идеального газа. Внутренняя энергия идеального газа представляет собой сумму кинетических энергий теплового движения его частиц. В статистической физике выводится закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы. На каждую поступательную и вращательную степень свободы приходится энергия, равная , на каждую колебательную – кТ.

При этом без учета колебательных степеней свободы, которые "включаются" при высоких температурах, для одноатомного газа i =3, для двухатомного i = 5, для многоатомного i = 6.

Средняя кинетическая энергия молекул газа, таким образом, равна . Поэтому внутренняя энергия идеального газа, состоящего из N молекул, .

Т ак как , то .

Рис.1. Работа в термодинамике

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от одного параметра – его абсолютной температуры: U = f(T).

Работа в термодинамике. По определению работы δA=Fdl, но F=pS , a Sdl = dV => δA = pdS.

Тогда полная работа

.

Как видно из полученного выражения, работа положительна при увеличении объема и отрицательна при его уменьшении. Согласно свойствам интеграла, работа также определяется площадью под кривой процесса в координатах рV (рис. 1).

Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия изолированной термодинамической системы может изменяться двумя способами: при совершении работы и при теплообмене (теплопередаче).

В термодинамической системе количество переданной теплоты δQ идет на изменение внутренней энергии dU и совершение системой работы δA внешних сил:

δQ = dU+δA.

Первое начало термодинамики является законом сохранения энергии для термодинамических процессов.