2.2. Основи термодинаміки

2.2.1. Робота в термодинаміці. Внутрішня енергія

Термодинаміка – розділ фізики, який вивчає найзагальніші закономірності процесів у макроскопічних системах, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги і процесів переходу між такими станами.

Термодинамічна система – це сукупність мікроскопічних тіл, які взаємодіють і обмінюються енергією між собою і навколишнім середовищем.

Термодинамічним процесом називається перехід системи з початкового стану в кінцевий через послідовність проміжних станів. Процеси бувають оборотні і необоротні. Оборотним називається процес, при якому можна здійснити оборотний перехід системи з кінцевого стану в початковий через ті ж самі проміжні стани, щоб у навколишніх тілах не сталося жодних змін. Оборотний процес – це фізична абстракція.

Необоротний процес супроводжується тертям або теплопередаванням від нагрітого тіла до холодного.

Термодинамічні параметри – параметри стану – сукупність фізичних величин, що характеризують властивості і стан термодинамічної системи. Такими параметрами є температура Т, об’єм V, тиск р. Стан системи, у якому вона може перебувати досить довго (параметри стану у часі є незмінними), називається термодинамічною рівновагою

Внутрішня енергія – це сума енергій молекулярних взаємодій і енергії теплового руху молекул. Оскільки потенціальна енергія взаємодії молекул ідеального газу дорівнює нулю, то внутрішня енергія одноатомного ідеального газу дорівнює сумі кінетичних енергій молекул.

Внутрішня енергія ідеального газу пропорційна масі газу і його термодинамічній температурі. Внутрішню енергію можна змінити двома способами: теплообміном і виконанням механічної роботи.

Теплообмін – зміна внутрішньої енергії за рахунок передавання її від одного тіла до іншого без виконання роботи.

Виконання механічної роботи:

1. При деформації тіла нагріваються.

2. Нагрівання тіл, яке зумовлено виконанням роботи проти сил тертя.

Теплопередача між тілами можлива за рахунок теплопровідності, конвекції, випромінювання.

Теплопровідність – обмін енергією між тілами, що перебувають у безпосередньому контакті.

Конвекція – перенесення енергії потоками рідини або газів.

Випромінювання – перенесення енергії електромагнітними хвилями, видимим світлом, інфрачервоним випромінюванням.

Навколишні тіла (зовнішня сила) виконують над газом роботу А, причому робота в обох випадках однакова, її значення різняться лише знаком: А=А’.

В результаті зміни об’єму на під час ізобарного процесу робота дорівнює: = R Т

Під час розширення газу V₂ > V₁ - робота додатна. Під час стискання газу V₂ < V₁ - робота від’ємна. Чисельно робота А дорівнює площі відповідної криволінійної трапеції, обмеженої графіком залежності .

Теплоємністю тіла називають відношення кількості теплоти, потрібної для підвищення його температури від значення до значення , до різниці цих температур :

Q – кількість теплоти, С – теплоємність тіла, - різниця температур.

Питома теплоємність тіла с – характеристика речовини, що визначається кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання 1кг речовини на 1 К.

Вимірюється в СІ питома теплоємність Дж/ кг·К.

Тіла, нагріті до певної температури, віддають холоднішим тілам деяку кількість теплоти. Знаючи початкові температури, маси всіх тіл і питомі теплоємності, можна обчислити невідому теплоємність твердого тіла, виходячи з так званого рівняння теплового балансу, яке формулюється так: кількість теплоти Q₁, яку віддає більш нагріте тіло, дорівнює кількості теплоти, що її набуває менш нагріте тіло Q₂.

Якщо в теплообміні бере участь кілька тіл, умова їхньої рівноваги така:

Це рівняння виражає закон збереження енергії при тепловому обміні і називається рівнянням теплового балансу.

Перший закон термодинаміки

Збільшення внутрішньої енергії тіла може бути спричинене передаванням кількості теплоти , а також виконанням роботи А. Перший закон термодинаміки формулюється так: зміна внутрішньої енергії Δ U системи дорівнює сумі роботи А, виконаної над системою зовнішніми силами і наданої їй кількості теплоти .

Якщо роботу виконує система над зовнішніми тілами, то , тоді

Кількість теплоти , що надана системі, йде на збільшення її внутрішньої енергії і виконання системою роботи проти зовнішніх сил.

1) Ізохорний процес: Δ V = 0, A=0 , отже , де - питома теплоємність при сталому об’ємі.

2) Ізобарний процес:

. А= R Т

3) Ізотермічний процес: Δ Т=0, Δ U=0, якщо ізотермічне нагрівання, A>0, , Q>0 газ отримує енергію ззовні.

При ізотермічному стисканні A<0, Q<0 тому тому, газ віддає енергію навколишньому середовищу.

Процес, який відбувається без теплообміну з навколишніми тілами, називається адіабатичним. Адіабатичними можна наближено вважати процеси, які швидко відбуваються. Отже, в такому процесі Q = 0, , тобто робота виконується за рахунок зміни внутрішньої енергії тіла.

Другий закон термодинаміки

Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого є перетворення теплоти, одержаної від нагрівника, у еквівалентну їй роботу.

М.Планк: «У природі неможливий процес, єдиним результатом якого був би перехід теплоти повністю в роботу».

К. Клаузіс: «Теплота не може сама собою переходити від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою».