Тема №2. Внутреннея энергия, теплота и работа в термодинамике.

На ряду с механической энергией тела обладают ещё и энергией заключенной внутри самих тел – внутренней энергией. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии беспорядочного движения всех молекул системы относительно ее центра масс и потенциальной энергии взаимодействия этих молекул между собой.

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа равна:

; .

Существует два способа изменения внутренней энергии: совершение механической работы над системой и теплообмен с другими системами.

Работа газа в термодинамике равна: , где p – давление газа, ΔV - изменение объема газа.

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Количество энергии, отданное или полученное телом при теплообмене, называется количеством теплоты (теплотой): .

Теплота, необходимая для изменения температуры тела, равна:

; ; ; ;

c – удельная теплоёмкость вещества; .

Теплота необходимая для плавления и кристаллизации, равна: ;

λ – удельная теплота плавления; .

Теплота, необходимая для парообразования и конденсации: ;

L – удельная теплота плавления; .

Теплота, выделяемая при сгорании топлива, равна: ;

q – удельная теплота сгорания топлива; .

Уравнение теплового баланса: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующими в теплообмене, равна нулю: .

Тема №3.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОППРОЦЕССАМ В ИДЕАЛЬНОМ ГАЗЕ. АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС.

Закон сохранения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; количество энергии неизменно, оно лишm переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии применительно к тепловым процессам называется первым законом термодинамики: количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на работу, совершаемую системой против внешних сил: . С учетом того, что работа внешних сил А^' противоположна работе системы А (А^'=- А), первый закон термодинамики можно записать в следующем виде: изменение внутренней энергии системы равно сумме сообщенного ей количества теплоты и работы, произведенной над системой внешними силами: .

Первый закон термодинамики доказывает невозможность создания вечного двигателя – устройства, способного неограниченно долго совершать работу без получения энергии извне.

Первый закон термодинамики применительно к различным изопроцессам:

1. Изотермический процесс: , , , .

2. Изохорный процесс: , , , .

3. Изобарный процесс: , .

4. Адиабатный процесс – изопроцесс, идущий без обмена теплотой между системой и окружающей средой: , .

Тема №4.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Виды тепловых двигателей: 1) двигатели внутреннего сгорания: а) дизельные, б) карбюраторные; 2) паровые двигатели; 3) турбины: а) газовые, б) паровые.

Все названые тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты.

T₁ – температура нагревателя;

T₂ –температура холодильника;

Q₁ – теплота, полученная

от нагревателя;

Q₂ – теплота, отданная

холодильнику;

A' – работа, выполненная

двигателем.

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклических процессов – циклов. Цикл – это такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – это отношение совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: .

Французский инженер Сади Карно рассмотрел идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он нашел оптимальный идеальный цикл теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических обратимых процессов – цикл Карно. КПД такой тепловой машины с нагревателем при температуре и холодильником при температуре : . Независимо от конструкции, выбора рабочего тела и типа процессов в тепловом двигателе его КПД не может быть больше КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, и имеющего те же, что и у данного теплового двигателя, температуру нагревателя и холодильника.

КПД тепловых двигателей невысок, поэтому важнейшей технической задачей является его повышение. Тепловые двигатели имеют два существенных недостатка. Во-первых, в большинстве тепловых двигателей используется органическое топливо, добыча которого быстро истощает ресурсы планеты. Во-вторых, в результате сгорания топлива в окружающую среду выбрасывается огромное количество вредных веществ, что создает значительные экологические проблемы.

С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин связано открытие в 1850 г. немецким физиком Р. Клазиусом второго начала термодинамики: невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.

Физические величины и их единицы измерения:

Наименование величина	Обозначение	Единица измерения	Формула
Относительная молекулярная масса	Mr (эм эр)	безразмерная величина
Масса одной молекулы (атома)	m0	кг
Масса	m	кг
Молярная масса	M
Количество вещества	ν (ню)	моль (моль)	;
Число частиц	N (эн)	безразмерная величина
Давление	p (пэ)	Па (паскаль)
Концентрация	n (эн)
Объём	V (вэ)
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы		Дж (джоуль)
Температура по шкале Цельсия	t	°C
Температура по шкале Кельвина	T	К (кельвин)
Средняя квадратичная скорость молекул
Поверхностное натяжение	σ (сигма)
Абсолютная влажность	ρ (ро)
Относительная влажность	φ (фи)	%
Внутренняя энергия	U (у)	Дж (джоуль)
Работа	А (а)	Дж (джоуль)
Количество теплоты	Q (ку)	Дж (джоуль)