- •Основные положения мкт. Доказательство существования молекул. Размеры и масса молекул.
- •Строение газообразных, жидких и твердых тел
- •Опыт Штерна. Распределение молекул по скоростям
- •Идеальный газ. Изопроцессы.
- •Абсолютная температурная шкала. Абсолютный нуль температуры.
- •Уравнение состояния идеального газа Менделеева - Клапейрона
- •Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа
- •Внутренняя энергия. Внутренняя энергия идеального газа
- •Количество теплоты
- •Первый закон термодинамики и его применение к различным процессам
- •1. Изобарный процесс. Работа газа.
- •2. Изохорный процесс. Теорема Майера
- •3. Изотермический процесс
- •4. Адиабатный процесс
- •Принцип действия тепловых двигателей. Кпд теплового двигателя
- •Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Парообразование. Конденсация. Испарение.
- •Кипение. Удельная теплота парообразования.
- •Влажность воздуха
- •Поверхностное натяжение жидкостей. Свойства поверхностного слоя жидкости
- •Капиллярные явления. Смачивание и несмачивание
- •Кристаллические и аморфные тела. Свойства твердых тел
- •Сила упругости. Закон Гука. Виды деформаций
- •Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •Изотерма реального газа. Критическая температура
- •Диаграмма состояния вещества.
- •Двигатели внутреннего сгорания.
- •Паровая и газовая турбины
- •Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики и его статистический смысл
- •Теплоемкость твердых тел.
Первый закон термодинамики и его применение к различным процессам
Эквивалентность количества теплоты и механической работы была установлена в середине XIX в. английским ученым Джоулем и немецким ученым Майером. Это привело к открытию одного из самых фундаментальных законов физики — закона сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает; в различных процессах она только превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах.
Закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам принято называть первым законом (или первым началом) термодинамики: внутренняя энергия системы может изменяться при совершении работы внешними силами над системой или в результате теплообмена: или количество теплоты, полученное системой, в общем случае расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил:
.
1. Изобарный процесс. Работа газа.
Пусть в цилиндре с незакрепленным невесомым поршнем находится идеальный газ (рис.). Нагреем его, сообщив газу количество теплоты Q. Поскольку поршень не закреплен, давление газа р постоянно и равно атмосферному. При нагревании на T происходит изобарное расширение газа и его объем увеличивается на V = Sh (где S - площадь поршня, h - высота поднятия поршня). Работа расширения газа А = Fh = pSh = рV.
Эта формула для работы газа справедлива не только для изобарного процесса, но и для любого процесса, в котором объем газа изменяется на сколь угодно малую величину V.
При изобарном процессе количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется как на его нагревание (т. е. на увеличение внутренней энергии), так и на работу расширения, которую газ совершает против сил внешнего давления. Поэтому первый закон термодинамики для изобарного процесса записывают в виде Q=A+U.
При изобарном нагревании газа на T его объем увеличивается на V. Работа газа при изобарном расширении может быть найдена как . В любом другом процессе работа газа может быть найдена как площадь под графиком процесса в р, V координатах. Из формулы для работы газа следует, что газовая постоянная численно равна работе которую совершает 1 моль идеального газа при изобарном нагревании на 1 К.
В результате для изобарного процесса можно записать:
.
Из этой записи следует, что молярная теплоемкость газа при постоянном давлении:
.
2. Изохорный процесс. Теорема Майера
Так как в данном процессе объем газа не изменяется, то V= 0, т.е. А = 0 - в изохорном процессе газ не совершает работы. Первый закон термодинамики принимает вид: Q = U - в изохорном процессе вся сообщаемая газу теплота идет на увеличение его внутренней энергии.
Для изохорного процесса можно записать:
.
Из этой записи следует, что молярная теплоемкость газа при постоянном объеме:
.
Теплоемкость газа зависит от вида процесса - теорема Майера (в честь немецкого врача, который одним из первых сформулировал закон сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам): молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении равна сумме молярной теплоемкости этого газа при постоянном объеме и молярной газовой постоянной.
Молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении или при постоянном объеме не зависит от его химического состава и температуры, а зависит только от числа степеней свободы молекул, которое в свою очередь зависит от числа атомов в этих молекулах.