8.4 Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — Изменение внутренней энергии ΔU не изолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A внешних сил

Вместо работы А, совершаемой внешними силами над термодинамической системой, часто удобнее бывает рассматривать работу A’, совершаемую термодинамической системой над внешними телами. Так как эти работы равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку:

Тогда после такого преобразования первый закон термодинамики будет иметь вид:

Первый закон термодинамики — В не изолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии равно разности между полученным количеством теплоты Q и работой A’, совершаемой данной системой против внешних сил.

Диф.форма: dQ=dU+dA

Говоря простым языком первый закон термодинамики говорит о энергии, которая не может сама создаваться и исчезать в никуда, она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую (механическая в тепловую).

Важным следствием первого закона термодинамики является то, что невозможности создать машину (двигатель), которая способна совершать полезную работу без потребления энергии извне. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя первого рода.

1. Теплота и работа – единственные формы передачи энергии.

2. Вытекает из условия, что в круговом процессе изменение dU равно 0 (нулю). т.е. работа совершается за счет проводимой энергии (вечный двигатель I-го рода не возможен).

3. 

Теплота, подведенная к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил.

Знаки для работы:

Работа системы против внешних сил «+».

Работа, совершаемая окружающей средой над системой «–».

8.5 Уравнение адиабаты идеального газа

Адиабатный процесс – процесс без теплообмена с окружающей средой: dQ_s=0, энтропия S=const. Любой газ до 3 МПа можно условно считать идеальным, а до 50 МПа – с погрешностью. Идеальный газ - научная абстракция при которой полагается, что молекулы не имеют объема (считаются материальными точками) и отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия (силы взаимного притяжения, отталкивания).

Уравнения адиабаты идеального газа (три уравнения Пуассона):

1).Pv^k=const, P₁v₁^k=P₂v₂^k…=const;

2).Тv^k-1=const, Т₁v₁^k-1=Т₂v₂^k-1…=const;

3).ТР^-((k-1)/k)=const, Т₁Р₁^-((k-1)/k)=Т₂Р₂^-((k-1)/k)…=const,

где Р абсолютное давление в (Па); Т – абсолютная термодинамическая температура, (К); v – удельный объем(м³/кг); k - показатель адиабаты: К=С_р/С_V=С_μр/С_μV; С_р>С_V в К раз

8.6 Теплота, работа и внутренняя энергия в простейших процессах

Простейшие процессы или изопроцессы – это процессы, где какой то один из параметров (Р, Т, S, v) поддерживается постоянным.

1) В изохорном процессе v=const, А_v=0, из общей формулы работа: (Работа - площадь под кривой), где Р абсолютное давление в (Па).

По 1-у закону термодинамики: Q_v=∆U_v; Изменение внутренней энергии: , где - средняя удельная изохорная теплоемкость в диапазоне от начальной температуры Т₁ до конечной температуры Т₂;

2) Изобарный процесс. Работа А_р=Р(v₂-v₁), где v₁ и v₂ – удельный начальный и конечный объемы; Теплота , где - средняя удельная изобарная теплоемкость; J₂-J₁ – удельные энтальпии системы в начальном и конечном состоянии. (Используются в диаграммах: JS (для пара) и Jd (для влажного воздуха)). Изменение внутренней энергии: ;

3) Изотермический процесс Т=const, ∆U=0. Q_T=A_T – теплота идет на совершение работы; Работа А_Т=RTℓn(P₁/P₂)=RTℓn(v₂/v₁);

(P-V и T-S координаты)

4) Адиабатный процесс – процесс без теплообмена с окружающей средой: энтропия S=const, dQ=0, A_s=-∆U_s – работа совершается за счет внутренней энергии системы. Изменение внутренней энергии: ; Работа: A_s=(P₁v₁-P₂v₂)/(K-1) или A_s= RT/(K-1)[1-(Т₂/Т₁)^(k-1)/k)].