2.3. Перший закон термодинаміки.

Програмні питання

Зміст закону і його формулювання. Аналітичний вираз першого закону термодинаміки. Принцип еквівалентності теплоти і роботи. Внутрішня енергія та її властивості. Робота газу, її визначення і графічне зображення в координатах . Ентальпія газу.

Прочитайте

Л-1, ст.. 91-101; Л -2, ст. 12-18; Л-3, ст..96-101.

Теоретичні відомості

Перший закон термодинаміки є конкретизацією всесвітнього за­кону Ломоносова. У цьому законі знаходить своє втілення принцип еквівалентності тепла й механічної енергії, який полягає в тому, що при підведенні з навколишнього середовища до робочого тіла тепла робоче тіло розширюється і виконує роботу. При цьому певній кількості підведеного тепла відповідає певна кількість одержаної роботи. Це еквівалентне співвідношення тепла й механічної енергії (роботи) зберігається і в зворотних процесах, тобто при підведенні до робочого тіла певної кількості роботи з навколишнього середовища й одержанні певної кількості тепла від стискування робочого тіла.

Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії стосовно до термодинамічних процесів. Він встановлює кількісну залежність між підведеною до системи теплотою, її внутрішньою енергією і виконуваною системою роботою (механічною енергією).

Перший закон термодинаміки формулюється так:

Вся теплота, підведена до системи, витрачається на зміну внутрішньої енергії і на виконання зовнішньої роботи:

(3.1)

де - підведена до системи теплота;

- внутрішня енергія на початку і в кінці процесу;

- робота, виконана системою.

Як відомо з фізики, молекули газу володіють кінетичною енергією хаотичного руху і потенціальною енергією взаємодії. Тому кінетичну енергію мікроскопічних теплових рухів молекул і потенціальну енергію їх взаємодії цих молекул називають внутрішньою енергією тіла.

У будь-якому стані система ізольована від зовнішнього середовища чи така, що перебуває у взаємодії з нею, має внутрішню енергію U. Коли стан системи змінився внаслідок будь-якого термодинамічного процесу, то зміна її внутрішньої енергії не залежить від кінцевого і початкового стану робочого тіла.

Тому повна зміна енергії тіла в процесі визначається різницею значень енергії на початку і в кінці взаємодії із зовнішнім середовищем.

де - внутрішня енергія на початку і в кінці процесу.

Робота.

Механічна робота, що розглядається в термодинаміці, є мірою механічної енергії. Вона виконується при переміщенні тіла в просторі під дією механічної сили. Коли газ в циліндрі розширюється, то його об’єм збільшується ( ). При цьому газ пересуває поршень, здійснюючи механічну роботу. Таку роботу називають позитивною. При стисканні газу ( на нього діє зовнішнє середовище. Цю роботу називають негативною.

Зміна об’єму газу супроводжується роботою, яка дорівнює добутку тиску, під яким перебуває газ, на зміну його об’єму.

(3.2)

Газ, як робоче тіло, крім внутрішньої енергії має ще потенціальну енергію, пов'язану з тиском і питомим об'ємом газу. Величина потенціальної енергії газу вимірюється добутком тиску на питомий об'єм ( .).

Фізичний зміст цієї величини розкривається в її розмірності, а саме:

тобто потенціальна енергія газу, виміряна добутком тиску на питомий об'єм, характеризує величину роботи (енергії) в Дж, яку потрібно затратити, щоб 1 кг робочого тіла з питомим об'ємом v ввести в середовище з тиском р.

Сума внутрішньої енергії и і потенціальної енергії pv газу нази­вається ентальпією і позначається і:

і= и + рv [Дж/кг] (3.3)

Підставивши в вираз i = f(T) значення складових величин ентальпії газу з формули і питомого характеристичного рівняння (pv=RT), дістанемо:

i= и + рv == с_vТ + RT = (с_v + R) Т,

але з рівняння Майера c_v + R = c_p, тоді

Отже, ентальпія ідеального газу дорівнює добутку масової теплоєм­ності при постійному тиску на абсолютну температуру газу.

Питання і завдання для самоперевірки

1. У чому полягає суть першого закону термодинаміки?

2. Як визначається робота і внутрішня енергія газу?

3. Що таке ентальпія газу?

4. Задача:

На стискання газу затрачена робота 200 МДж. Теплообмін з навколишнім середовищем відсутній. Знайти зміну внутрішньої енергії газу.

4. Другий закон термодинаміки.

Дослідження термодинамічних процесів.

Програмні питання

Зміст закону і його формулювання. Колові процеси або цикли. Прямий і зворотній цикл. Термічний ККД циклу і холодильний коефіцієнт. Цикл Карно, загальні властивості оборотних і необоротних циклів. Аналітичний вираз другого закону термодинаміки. Ентропія газів. Система координат TS. Абсолютна термодинамічна температура.

Порядок і методи дослідження термодинамічних процесів. Ізохорний, ізобарний, ізотермічний, адіабатний процеси та їх зображення в координатах Політропний процес.