§ 2.3. Основы термодинамики

Внутренняя энергия

U [Дж]

➨ сумма кинетической энергии теплового движения молекул (атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия.

● внутренняя энергия

одноатомного

идеального газа

➨ равна сумме средних кинетических энергий поступа-тельного движения молекул, составляющих газ:

( ; )

● изменение

внутренней

энергии

➨ в ТД процессе изменение внутренней энергии идеаль-ного газа определяется только изменением его темпера-туры и не зависит от характера этого процесса.

● cпособы изменения

внутренней энергии

➨ 1) теплообмен (нагревание или охлаждение газа);

2) совершение работы ( сжатие или расширение газа).

Количество теплоты

Q [Дж]

➨ мера изменения внутренней энергии тел при теплообмене;

➨ калория – внесистемная единица количества теплоты:

1 кал = 4,1868 Дж; 1 ккал = 4186,8 Дж

● теплоемкость вещества

➨ физическая величина, численно равная количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить телу для нагревания его на один градус (1⁰С или 1 К).

● удельная теплоемкость

вещества

➨ количество теплоты Q, подводимое к веществу массой 1 кг для изменения его температуры на один градус (1⁰С или 1 К);

➨одно и то же вещество, находящееся в разных агрегат-ных состояниях, имеет разную удельную теплоемкость, например, с_льда=2100 Дж/кг·К; с_воды=4200 Дж/кг·К

● теплота

нагревания охлаждения

► с – удельная теплоемкость вещества;

- масса вещества;

► формула справедлива в пределах одного агрегатного состояния вещества;

● молярная теплоемкость

➨ количество теплоты, подводимое к одному молю вещества для изменения его температуры на один градус(1⁰С или 1 К);

● закон сохранения

количества теплоты

(уравнение теплового баланса)

➨ в процессе теплообмена количество теплоты , отдаваемое телами с более высокой температурой, равно количеству теплоты , которое получают тела с более низкой температурой;

● пример уравнения

теплового баланса

с₁m₁(T₁-) = с₂m₂(-T₂)

➨ описывает состояние теплового равновесия двух тел с удельной теплоемкостью, массой и начальной температурой с₁,m₁,T₁ и с₂,m₂,T₂ соответственно и установившейся промежуточной общей температурой (Т₁>>Т₂).

Работа в термодинамике

➨ находящийся в сосуде газ оказывает на поршень площадью S давление р=F/S, под действие которого поршень перемещается на расстояние , изменяя объем газа на и совершая работу.

● знак работы

работа положительная при расширении газа ;

работа отрицательная при сжатии газа ;

работа равна нулю, если объем газа не изменялся

с течением времени.

Работа в изопроцессах:

● изотермический процесс

➨ или

● изобарный процесс

➨

● изохорный процесс

➨ А=0

Графическое изображение

работы

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

➨ во всех процессах, происходящих в природе, энергия не исчезает и не создается, а переходит от одного тела к другому и превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах.

Первый закон термодинамики

➨ количество теплоты Q, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии ΔU системы и на совершение системой механической работы A.

● вечный двигатель

первого рода

➨ нельзя построить периодически действующий двига-тель, который совершал бы работу большую, чем та энер-гия, которая подводится к двигателю извне.

Применение первого закона ТД к изопроцессам:

● изотермический процесс

➨ = или Q=

● изобарный процесс

➨

● изохорный процесс

➨

● адиабатный процесс

➨

Необратимость тепловых процессов

➨ необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направ-лении – от горячего тела к холодному; в обратном направ-лении они могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Все реальные процессы – необратимые, протекают с невосполнимой потерей энер-гии на нагрев окружающей среды, преодоление сил трения.

Второй закон термодинамики

➨ исторически открытие второго закона ТД было связано с изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин, проведенным французским ученым С. Карно. Позднее Клаузиус и Кельвин предложили различные по виду, но эквивалентные формулировки второго закона ТД.

● формулировка Клаузиуса

➨ невозможен круговой процесс, единственным результа-том которого является передача теплоты от менее нагре-того тела к более нагретому;

● формулировка Кельвина

➨ невозможен круговой процесс, единственным результа- том которого является превращение теплоты, получен-ной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

● вечный двигатель

второго рода

➨ невозможно построить периодически действующую ма-шину, которая целиком превращала бы в работу теплоту, извлекаемую из окружающих тел (океана, атм. воздуха).

Статистическое

обоснование второго

закона ТД

➨ второй закон термодинамики является статистическим законом и описывает закономерности хаотического дви-жения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему.

Круговой процесс (цикл)

➨ термодинамический процесс, в результате совершения которого рабочее тело возвращается в исходное состояние;

➨ на диаграммах состояния p-V, p-T и др. изображаются в виде замкнутых кривых;

➨ круговые процессы являются физической основой ра-боты тепловых двигателей;

● прямой цикл

➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу за счет сообщенной ему теплоты;

➨ на диаграмме прямой цикл изображен замкнутой кривой, которая обходится по часовой стрелке ();

● обратный цикл

➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу, т.е. над рабочим телом совершается и от него отводится равное количество теплоты;

➨на диаграмме обратный цикл изображен замкнутой кри-вой, которая обходится против часовой стрелки ();

Тепловой двигатель

.

➨ периодически действующая машина, совершающая меха-ническую работу за счет получаемого извне количества теплоты; ➨ периодичность заключается в многократном повторе-нии одного и того же рабочего цикла – после расширения следует сжатие газа;

➨ реальные тепловые двигатели работают по разомкну-тому циклу: после расширения газ выбрасывается и сжи-мается новая порция; цикл может быть замкнутый, тогда расширяется и сжимается одна и та же порция газа;

● устройство теплового

двигателя

➨ Рабочее тело - газ или пар – при расширении совершает работу. Нагреватель имеет температуру Т₁ и передает количество теплоты Q₁ рабочему телу. При сжатии рабочее тело передает холодильнику количество теплоты Q₂; температура холодильника Т₂ меньше температуры нагревателя Т₁; роль холодильника часто играет атмосфера.

Из закона сохранения энергии следует, что работа, совершаемая тепловой машиной за один цикл, равна:

● КПД теплового двигателя

➨ отношение работы А, совершенной тепловым двигателем, к количеству теплоты Q₁, полученному от нагревателя.

● идеальный тепловой

двигатель

➨ двигатель, не имеющий потерь на механическое трение и работающий по особому круговому циклу, называемому циклом Карно.

Цикл Карно

Изотермы - 1-2; 3-4

Адиабаты - 2-3; 4-1

➨ представляет собой идеализацию цикла реальной теп-ловой машины; рабочим телом является идеальный газ;

цикл является прямым обратимым круговым процессом, состоящим из двух изотерм и двух адиабат.

➨ () -изотермическое расширение - рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты ;

➨ () -изотермическое сжатие - рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты ;

➨ при адиабатном расширении и сжатии, энергия извне к рабочему телу не поступает и эти процессы происходят за счет изменения его внутренней энергии.

КПД идеального теплового

двигателя

➨ увеличение КПД зависит от разности между темпера-турами нагревателя Т₁ и холодильника Т₂ и не зависит от свойств рабочего тела и конструкции двигателя.

Основные виды тепловых двигателей

➨ по способам получения механического движения под-разделяются на:

● поршневые

➨ паровые машины (КПД до 20%);

➨ двигатели внутреннего сгорания:

▪ карбюраторные (КПД- 18-24%) – создал в 1867г.

Н. Отто, применяются в настоящее время;

▪ дизели (КПД - 30-39%) - создал в 1897г. Р.Дизель,

применяются в настоящее время;

● ротационные

➨ паровая (КПД до 43% );

➨ газовая турбина (КПД – до 34%);

● реактивные

➨ ракетные двигатели, воздушно-реактивные

(КПД до 42%);