- •Механика Основы молекулярной физики и термодинамики
- •Курс лекций.
- •Оглавление
- •Глава 1. Кинематика материальной точки
- •Глава 2. Динамика материальной точки
- •Глава 3. Динамика твердого тела
- •Глава 4. Работа и энергия
- •Глава 5. Законы сохранения в механике
- •Глава 6. Механические волны
- •Глава 7. Молекулярное движение
- •Глава 8. Основы термодинамики
- •Глава 1. Кинематика материальной точки
- •1.1 Понятия и определения
- •Модуль вектора ускорения
- •Для самостоятельного изучения
- •1.2. Виды движения
- •При постоянной угловой скорости , угловой путь и угол поворота определяется из равенств:
- •Для самостоятельного изучения
- •Глава 2. Динамика материальной точки
- •2.1 Понятие силы. Равнодействующая сила.
- •2.2 Силы гравитационного взаимодействия
- •2.3 Силы трения
- •2.4 Сила вязкого трения и сопротивления среды.
- •2.5 Сила упругости. Закон Гука.
- •2.6 Законы Ньютона
- •2.7 Принцип относительности Галилея. Неинерциальные системы отсчета
- •2.8 Задачи динамики материальной точки.
- •2.9 Примеры решения типовых задач.
- •Глава 3. Динамика твердого тела
- •3.1. Поступательное движение
- •3.2. Вращательное движение
- •3.3. Колебательное движение
- •Глава 4. Работа и энергия
- •4.1. Работа. Мощность
- •4.2. Кинетическая энергия
- •И всегда положительна в любой системе отсчета.
- •4 Dr.3. Потенциальная энергия
- •4.4. Связь потенциальной энергии с силой
- •Для самостоятельного изучения
- •4.5. Потенциальная энергия тела относительно поверхности Земли
- •4.6. Работа силы тяжести
- •4.7. Потенциальная энергия пружины
- •4.8 Потенциальный барьер и яма
- •4.9. Работа и энергия при вращательном движении
- •4.10 Кинетическая энергия вращательного движения
- •4.11 Энергия колебательного движения тела
- •4.12 Добротность
- •Лекция 12
- •Глава 5. Законы сохранения в механике
- •5.1 Закон сохранения импульса
- •5.2 Закон сохранения момента импульса
- •При составлении равенства (5.5) учтено, чтои.
- •5.3 Закон сохранения энергии
- •Для самостоятельного изучения
- •5.4 Применение законов сохранения к упругому и неупругому соударению двух тел
- •5.4.1 Абсолютно упругий удар
- •5.4.2 Абсолютно неупругий удар
- •Глава 6. Механические волны
- •6.1 Продольные и поперечные волны
- •Уравнение плоской гармонической волны. Волновое уравнение.
- •Глава 7. Молекулярное движение
- •7.1 Размеры и масса молекул
- •7.2. Движение и столкновение молекул газа
- •7.3 Давление и температура.
- •7.4 Скорость и энергия молекул [распределение Максвелла]
- •7.5 Диффузия, внутреннее трение, теплопроводность.
- •7.6 Давление идеального газа на стенку
- •7.7 Уравнение состояния идеального газа
- •Глава 8. Основы термодинамики
- •8.1. Термодинамическая система. Внутренняя энергия идеального газа
- •8.2. Работа и теплопередача
- •8.3. Первое начало термодинамики, термодинамические изопроцессы.
- •8.4 Теплоемкость
- •Теплоемкость газов при постоянном объеме.
- •8.5 Обратимые и необратимые процессы. Термодинамическая вероятность. Энтропия.
- •8.6 Изменение энтропии в изопроцессах
- •8.7 Тепловая машина. Цикл Карно.
- •Для самостоятельного изучения
- •8.8 Второе начало термодинамики
- •Основные понятия в механике Кинематика
- •Динамика
- •Вес тела – сила, приложенная к опоре или подвесу, которые удерживают тело от свободного падения. При неподвижной опоре (подвесе) или при их равномерном движении вес тела равен силе тяжести.
- •Работа и энергия
- •Механические волны
- •Молекулярная физика
- •Термодинамика
- •Основные законы Механика
- •Молекулярная физика
- •Обозначения
- •Механика Основы молекулярной физики и термодинамики
8.3. Первое начало термодинамики, термодинамические изопроцессы.
Количество тепла δQ подведенное к ТС, затрачивается на изменение внутренней энергии и на совершение работы.
δQ=dA+dU. (8.3)
Если на ТС действуют силы обуславливающие давление Р и изменение её состояния происходит равновесно, то первое начало термодинамики определяет связь количества тепла с давлением, изменением объема и внутренней энергией.
δQ=PdV+dU.
Термодинамический процесс (ТП) – это последовательность состояний термодинамической системы. Опыт показывает, что все (ТП) происходят в соответствии с первым началом термодинамики. Рассмотрим изопроцессы, как наиболее распространенные в термодинамике.
Изопроцесс – это процесс, протекающий при постоянном значении одного из параметров состояния термодинамической системы. Выделяют изохорический (V=const, dV=0),изобарический(P=const, dP=0) и изотермический (T=const,dT=0) процессы.
Первое начало термодинамики для изохорического процесса
δQ=dU. (8.4)
Обмен энергии между газом и внешней средой при изохорическом процессе происходит только в форме теплопередачи. Подводимое к системе тепло затрачивается лишь на изменение ее внутренней энергии. Уравнение состояния идеального газа для изохорического процесса
, (8.5)
аего график в координатахPT приведем на рис. 8.4.
Для изобарического процесса первое начало термодинамики
δQ=PdV+dU. (8.6)
Обмен энергией между ТС и окружающей средой при изобарическом процессе происходит в форме работы и теплопередачи. Подводимое к системе тепло затрачивается на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы. Работа изобарического процесса при расширении газа от V1 до V2
. (8.7)
Уравнение изобарического процесса
(8.8)
а его график в координатах PV и VT приведен на рис. 8.5.
Изотермический процесс возможен только про наличии идеального теплового контакта между газом и окружающей средой. Первое начало термодинамики для изотермического процесса:
δQ=PdV. (8.7)
При изотермическом процессе система обменивается энергией с внешней средой в форме теплопередачи и в форме работы. Подводимое к системе тепло затрачивается только на совершение работы
.(8.8)
Из уравнения состояния идеального газа
P=.
Подставим последнее равенство в (8.8), тогда
. (8.9)
Уравнение изотермического процесса
(8.10)
а его график в координатах PV, VT приведен на рис 8.6.
Адиабатический процесс идет при идеальной тепловой изоляции системы от окружающей среды. На практике это может быть достигнуто при очень кратковременных процессах, когда система не успевает обменяться теплом с окружающей средой. Так, например, вследствие большой скорости взрыва горючей смеси при работе двигателя внутреннего сгорания можно считать адиабатическим процесс сжатия газа. Так как передача теплоты при адиабатическом процессе не происходит, то δQ=0, а уравнение первого начала термодинамики имеет вид
dA+dU=0 (8.11)
При адиабатическом процессе газ совершает работу только за счет своей внутренней энергии
.
Когда dV>0 , внутренняя энергия газа уменьшается (dT<0) и он охлаждается. Сжатие (dV<0) наоборот, приводит к увеличению внутренней энергии (dT>0) и нагреванию газа.
Охлаждение газа при адиабатическом расширении используется в технике для получения низких температур. Работа холодильных установок также основана на адиабатическом расширении газа. Нагревание газа при адиабатическом сжатии происходит, например, при работе дизельного двигателя в цилиндрах которого газ сжимается и нагревается больше чем на 500 С.
Работа газа при адиабатическом процессе:
, (8.12)
(8.13)
Уравнение адиабатического процесса
, (8.14)
а его график в координатах PV приведены на рис. 8.7.
Запишем равенство (8.14) в виде:
Решением полученного дифференциального уравнения будет
.
Так как T= , то
, (8.15)
где
Уравнение называется уравнением адиабаты, график которой приведен на рис.8.7.
Задания для самоконтроля знаний.
Определить внутреннюю энергию молекул кислорода при температуре 20ºС.
Дать определение работы и теплопередачи.
Записать первое начало термодинамики для изотермического процесса.
Записать уравнение для изохорического процесса.
Определить работу при изотермическом процессе углекислого газа массой 1кг при температуре 20ºС и увеличении его объема в 2 раза.
При каких условиях в адиабатическом процессе происходит охлаждение газа.
Лекция 17