
- •Іі. Нульовий і перший закони термодинаміки іі. 1. Нульовий закон термодинаміки
- •Іі. 2. Перший закон термодинаміки
- •В будь-якому процесі приріст внутрішньої енергії u якої-небудь системи рівний кількості наданої системі теплоти q мінус кількість роботи w, що здійснюється системою.
- •Якщо продиференціювати рівняння (іі.2.38), то матимемо
- •Для найпростіших систем
- •Скориставшись (іі.2.37) рівняння (іі.2.44) можна записати
Якщо продиференціювати рівняння (іі.2.38), то матимемо
dН = dU + рdV + Vdр (ІІ.2.40)
Ця функція стану набуває досить простого змісту тоді, коли в системі відбуваються зміни при р = const, тобто в ній протікає ізобарний процес, і якщо вона не здійснює при цьому корисної роботи, тоді
dH = dU + рdV (ІІ.2.41)
або для більш широкого інтервалу змін
Н = U + рV (ІІ.2.42)
З рівняння (ІІ.2.11) можна записати
Q = dU + рdV (ІІ.2.43)
або
QP = U + рV (ІІ.2.44)
При протіканні ізохорного процесу (V = 0)
U = QV (ІІ.2.45)
Врахувавши залежності (ІІ.2.45) і (ІІ.2.42), матимемо
Н = QV + рV = QP (ІІ.2.46)
Внутрішня енергія, будучи функцією стану, є функцією незалежних змінних (параметрів стану системи).
Для найпростіших систем
U = f (V, T). (ІІ.2.47)
Звідси повний диференціал U
.
(ІІ.2.48)
Підставивши значення dU з рівняння (ІІ.2.48) в рівняння (ІІ.2.10) знаходимо:
(ІІ.2.49)
Якщо в системі, що вивчається, має місце лише робота розширення і відсутні інші види роботи, то W = рdV. Тоді:
(ІІ.2.50)
Позначивши коефіцієнт при диференціалах незалежних змінних у рівнянні (ІІ.2.50) символами l і CV , одержимо
Q = ldV + CV dT (ІІ.2.51)
Із рівнянь (ІІ.2.48), (ІІ.2.50) і (ІІ.2.51) матимемо:
(ІІ.2.52)
Величини
не є похідними якої-небудь функції.
Перша з них є теплотою ізотермічного
розширення тіла. Ця величина, розмірність
якої співпадає з розмірністю тиску,
складається із зовнішнього тиску і
величини
;
останній відображає взаємне притягання
молекул і може бути названа внутрішнім
тиском.
Цей член в рівнянні малий для реальних
газів і дуже великий (у порівнянні із
звичайними значеннями зовнішнього
тиску) для рідин і твердих тіл.
Величина CV, у відповідності з рівнянням (ІІ.2.52), є теплоємність при сталому об’ємі. Теплота, що поглинається системою при сталому об’ємі, витрачається повністю на збільшення внутрішньої енергії (при умові, що не виконується ніяка інша робота, в тому числі і робота розширення).
Із рівнянь (ІІ.2.52) і (ІІ.2.48) одержуємо:
dU = (l – р)dV + CVdT (ІІ.2.53)
Коефіцієнти повного диференціала внутрішньої енергії при змінних V і Т мають простий, як це показано вище, фізичний зміст.
Вибравши в ролі незалежних змінних р і Т або V і р і, вважаючи внутрішню енергію функцією цих пар змінних, можна, аналогічно попередньому, одержати:
Q = hdр + CpdT, (ІІ.2.54)
Q = dV + dр, (ІІ.2.55)
де
величини h,
Cp,
,
пов’язані з похідними внутрішньої
енергії більш складними співвідношеннями,
ніж подані в рівнянні (ІІ.2.52). Слід
відмітити, що
є теплоємністю
при сталому тиску,
а
– теплота
ізотермічного зростання тиску.
а) Ізохоричний процес
Якщо об’єм системи в ході процесу залишається сталим, то робота не здійснюється.
Дійсно, якщо V = 0, то і
W = рV = 0 (ІІ.2.56)
б) Ізобаричний процес
Припустимо, що система в стані 1 характеризується масою m1, тиском р1, температурою Т1 і об’ємом V1. В стані 2, якщо це закрита система при сталому тиску, змінюється температура й об’єм, які будуть рівні відповідно Т2 і V2. Зміна внутрішньої енергії системи буде визначатись
U = U2 – U1 = QP – W, (ІІ.2.57)
де QP – величина енергії у формі теплоти при сталому тиску. Робота ідеального газу при його розширенні від об’єму V1 до об’єму V2 згідно з рівнянням (ІІ.2.35) буде рівна
W = р(V2 – V1), (ІІ.2.58)
Значення роботи із рівняння (ІІ.2.58) підставляємо в рівняння (ІІ.2.57) і одержане рівняння записуємо в такій формі
QP= (U2 – U1) + р(V2 – V1) = (U2 + рV2) – (U1 + рV1) (ІІ.2.59)
Функція U + рV, яку ми позначимо через Н, як ми вже зазначали вище, називається ентальпією. Тоді, U2 + рV2 і U1 + рV1 – величини ентальпії відповідно для станів 2 і 1 взятої системи, і рівняння (ІІ.2.59) матиме вигляд:
QP = H2 – H1 = H (ІІ.2.60)
QP рівна зміні ентальпії. І навпаки – вся енергія у формі тепла, що підводиться, йде на збільшення ентальпії системи.