Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии для тепловых процессов) определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии системы дельта U, количеством теплоты Q, подведенным к ней, и суммарной работой внешних сил A, действующих на систему.

Первый закон термодинамики - Изменение внутренней энергии системы при ее переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе извне, и работы внешних сил, действующих на нее:

Первый закон термодинамики - количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Частные случаи первого закона термодинамики для изопроцессов

При изохорном процессе объем газа остается постоянным, поэтому газ не совершает работу. Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами:

При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы:

При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется как на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы газом:

Адиабатный процесс - термодинамический процесс в теплоизолированной системе.

Теплоизолированная система - система, не обменивающаяся энергией с окружающими телами.

Формула КПД теплового двигателя: Здесь Q₁ - количество теплоты, полученное рабочим телом, Q₂ - количество теплоты, отданное холодильнику. A - полезная работа. Формула Карно для оценки максимального КПД теплового двигателя: T₁ - температура нагревателя, T₂ - температура холодильника.

Цикл Карно для тепловой машины

Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1 > 0, A > 0, Q2 < 0; T1 > T2

Энергетическая схема холодильной машины. Q1 < 0, A < 0, Q2 > 0, T1 > T2

23.

ПРИМЕНЕНИЕ 1 ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ.
Процесс	Постоянные	График	Изменение внутренней энергии	Запись 1-го закона термодинамики	Физический смысл
Изотермическое расширение	m=const M=const T=const pV=const		U=const ΔU=0	Q=A'	Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на совершение этой системой механической работы.
Изотермическое сжатие	m=const M=const T=const pV=const		U=const ΔU=0	A=-Q	Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Вся работа внешних сил выделяется в виде тепла.
Изохорное нагревание	m=const M=const V=const		p↑ T↑ U↑ ΔU>0	A=0 Q= ΔU	Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии.
Изохорное охлаждение	m=const M=const V=const		p↓ T↓ U↓ ΔU<0	A=0 Q= ΔU<0	Система уменьшает свою внутреннюю энергию, отдаваятепло окружающим телам.
Изобарное расширение (нагревание)	m=const M=const p=const		V­↑ T­↑ U­↑ ΔU>0	Q=ΔU+A' ΔU=Q-А'>0	Количество теплоты, переданное системе, превышает совершенную еюмеханическую работу. Часть тепла расходуется на совершение работы, а часть – на увеличениевнутр. энергии.
Изобарное сжатие (охлаждение)	m=const M=const p=const		V↓ T↓ U↓ ΔU<0	ΔU=Q+A<0 Q<0	Количество теплоты, отдаваемое системой, превышает работу внешних сил. Часть тепла  система отдает за счет уменьшениявнутр. энергии.
Адиабатное Расширение	m=const M=const =const		ΔU<0 U↓  T↓	Q=0 A' > 0 ΔU=-A' < 0 A'=-ΔU	Система совершает механическую работу только за счет уменьшения своей внутренней энергии.
Адиабатное сжатие	m=const M=const =const		ΔU>0 U­↑  T­↑	Q=0 A>0 ΔU=A	Внутренняя энергия системы увеличивается за счет работы внещних Сил.

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС

Адиабатный процесс — процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой.

Из первого начала термодинамики следует, что работа газа при адиабатном процессе совершается за счет его внутренней энергии:  (1). С другой стороны, из уравнения Клапейрона-Менделеева следует:  (2). Разделим уравнение (2) на уравнение (1): , где . Проинтегрируем полученное уравнение: . Таким образом, при адиабатном процессе  или   — уравнение Пуассона. С учетом уравнения Клапейрона-Менделеева ( , ) уравнение Пуассона может быть представлено в виде:  или   или  .

График адиабатного процесса — более крутая кривая, чем гипербола при изотермическом процессе. Это следует из выражения производной  , полученной из уравнения Пуассона.

Работа газа при адиабатном процессе равна убыли внутренней энергии: .