Внутрішня енергія ідеального газу. Робота газу при зміненні його об'єму. Перший закон термодинаміки. Адіабатичний процес. Теплові машини План

1. Основи термодинаміки. Внутрішня енергія тіла. Внутрішня енергія ідеального газу. Способи зміни внутрішньої енергії.

2. Перший закон термодинаміки. Робота газу при зміні його об'єму.

3. Теплоємність.

4. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів.

5. Адіабатний процес. Застосування першого закону термодинаміки до адіабатного процесу ідеального газу.

6. Коловий процес. Теплові двигуни і холодильні машини. Оборотні і необоротні процеси.

7. Цикл Карно і його коефіцієнт корисної дії для ідеального газу.

8. Другий закон термодинаміки.

1. Основи термодинаміки. Внутрішня енергія тіла. Внутрішня енергія ідеального газу. Способи зміни внутрішньої енергії.

Термодинаміка — теорія теплових процесів, у яких не враховується молекулярна будова, а теплові явища описуються макроскопічними параметрами і реєструються приладами. Внутрішня енергія тіла — сума кінетичної енергії теплового (хаотичного) руху молекул тіла та потенціальної енергії їх взаємодії. Практика і наукові дослідження переконують, що зміна внутрішньої енергії може відбуватись в результаті виконання роботи або внаслідок теплопередачі.

Внутрішня енергія ідеального газу. Оскільки потенціальна енергія взає­модії молекул (відповідно до мо­делі) дорівнює нулю, то внутрішня енергія ідеального газу дорівнює сумі кінетичних енергій молекул.

2. Перший закон термодинаміки. Робота газу при зміні його об'єму. Можливі дві форми передавання енергії від одного тіла до іншого, а, отже, і зміни внутрішньої енергії системи.

Перша форму передавання енергії - робота.

Друга форма передавання енергії - теплота.

Теплота подібно до роботи є формою передавання енергії, а зовсім не видом енергії. Теплота, на відміну від енергії, не є функцією стану.

Робота і теплота мають ту спільну властивість, що вони існують лише в процесі передавання енергії, а їх числові значення істотно залежать від виду цього процесу.

Проте між теплотою і роботою існує глибока якісна відмінність. Теплота і робота є нерівноцінними формами передавання енергії впорядкованого руху. Виконання роботи над системою може безпосередньо привести до збільшення будь-якого виду енергії системи (кінетичної, потенціальної, внутрішньої).

Теплота і робота тісно пов'язані між собою. Обидві ці форми передавання ене­гії переходять одна в одну і в реальних умовах супроводять одна одну. Так, наприклад, при нагріванні металевого стрижня не тільки збільшується його внутрішня енергія, а відбувається також розширення стрижня і, отже, виконується робота розширення.

Перший закон термодинаміки - закон збереження і перетворення енергії, застосований до термодинамічних процесів.

Це рівняння є математичним виразом першого закону термодинаміки: теплота, надана системі, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії і на виконання системою роботи проти зов­нішніх сил.

Вираз для першого закону термодинаміки для малої зміни стану системи матиме вигляд: або в коректнішій формі , де нескінченно мала зміна внутрішньої енер­гії системи, - нескінченно мала робота, - нескінченно мала кількість теплоти. У цьому виразі є головним диферен­ціалом, а і такими не є.

Дуже важливим є випадок, коли система - це періодично діюча машина, в якій газ, пара або інше "робоче тіло" внаслідок деякого процесу повертається до початкового стану. У цьому разі і .

Робота, що виконується машиною за один цикл, дорівнює підведеній ззовні теплоті . Цей висновок дає змогу сформулювати перший закон термодинаміки так: неможливо побудувати періодично діючий двигун, який виконував би роботу без підведення енергії ззовні або виконував би роботу більшу, ніж кількість переданої йому ззовні енергії (вічний двигун першого роду неможливий).

З найдемо роботу, яка виконується газом при зміні його об'єму. Нехай газ знаходиться в циліндричній посудині з поршнем (рис 66).

Якщо газ, розширюючись, переміщує поршень на нескінченно малу відстань , то він виконує над ним роботу

де - площа поршня, - зміна об'єму газу.

Повну роботу , яка виконана газом при зміні його об'єму від до знайдемо інтегруванням:

Результат інтегрування визначається характером залежності між тиском і об'ємом газу.

З образимо графічно залежність тиску від об'єму (рис.67).

При збільшенні об'єму на виконана газом робота дорівнює , тобто вона числово дорівнює площі, яка заштрихована на рис. Повна робота, що виконується газом при розширенні від об'єму до визначається площею, яка обмежена віссю абсцис, кривою і прямими і

Величина роботи залежить не тільки від початкового і кінцевого станів тіла, а й від того, яким є термодинамічний процес, тобто по якій кривій відбувається зміна стану.

Якщо процес відбувався по замкненій кривій і газ повернувся до початкового стану, то повна робота, виконана газом, не дорівнює нулю.