Лекция 11
Термодинамика _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Главное содержание термодинамики состоит в двух основных законах, касающихся поведения энергии. Они справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения.
Основные понятия термодинамики:
Термодинамическая система ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Замкнутая термодинамическая система___________________________________________________________
Термодинамический процесс ___________________________________________________________________________________________
Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела.
Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул тела и потенциальных энергий взаимного расположения молекул относительно друг друга. W=Ek+Ep
Внутренняя энергия идеального газа _____________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
Наиболее прост по своим свойствам одноатомный газ, состоящий из отдельных атомов, а не молекул (гелий, неон, аргон).
Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой m нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома _________________ на число атомов____________________________
Учитывая, что kNA =R, получим значение внутренней энергии идеального газа:___________________________
Используя уравнение
Клапейрона – Менделеева,
внутреннюю
энергию одноатомного газа можно посчитать
также как ____________________________________
Внутренняя энергия идеального газа зависит____________________________________________________
Для реальных газов, жидкостей и твердых тел внутренняя энергия________________________________________________________________________________________
В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю.
Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической, а внутренней энергии тела.
При совершении работы (сжатии или расширении) изменяется внутренняя энергия газа.
В
ычислим
работу газа при расширении.
______________________________________________________
______________________________________________________
______________________- по 3-ему з-ну Ньютона.
Следовательно:________________________________________________
Если газ расширяется:
_______________________________________________________________________________________________
При расширении работа газа________________________ , при сжатии __________________________________
В этом случае положительную работу А/ совершают над газом внешние силы Таким образом:
_______________________________________________________________________________________________
Геометрическое истолкование работы.
В изобарном процессе площадь под графиком в координатах p,V_________________________________(1)
(1)
(2)
В общем случае надо ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате совершаемой работы, но и вследствие__________________________
Теплообменом или теплопередачей называется ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
При установлении контакта между телами с различными температурами происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, у которого температура ниже.
Количество теплоты (Q) ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Количество теплоты Q является энергетической величиной.
Количество теплоты измеряется в системе СИ_______________________________________________________
Первый закон термодинамики
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает:_______________________________________________________________________________________
Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями природы и связывает их воедино.
Первый закон термодинамики является _______________________________________________________________________________________________
Формулировка закона:
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
__________________________
Если система изолирована, то она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0) и над ней не совершается работа внешних сил (А=0). В этом случае___________________________________________
Внутренняя энергия изолированной системы____________________________________________________
Учитывая, что А/ =-А, первый закон термодинамики можно записать так:
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
__________________________
Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
С помощью первого закона термодинамики можно делать важные заключения о характере протекающих процессов. Рассмотрим изопроцессы. Пусть система представляет собой идеальный газ.
1.В изотермическом процессе (T=const) ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением
__________________________
Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения ___________________________________________________________________________________________
При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом ___________________________________________________________________________________________
2. В изохорном процессе (V = const)____________________________________________________________
Изменение внутренней энергии_________________________________________________________________
3. В изобарном процессе (p = const) ____________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
При изобарном расширении –________________________________________________________________
При изобарном сжатии –______________________________________________________________________
В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
4.Рассмотрим теперь процесс, протекающий в системе которая не обменивается теплотой с окружающими телами.
Адиабатным называют______________________________________________________________________
График адиабаты:
В адиабатном процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид _____________________
Изменение внутренней энергии газа происходит за счет работы внешних сил.
При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.
Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении
Необратимые процессы _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Обратимыми процессами называют ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.
Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов ___________________________________________________________________________________________
Второй закон термодинамики
Немецкий физик Р. Клаузиус сформулировал этот закон так:____________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Тепловым двигателем называется ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Некоторые виды тепловых двигателей:____________________________________________________________
Физические основы работы всех тепловых двигателей одинаковы. Тепловой двигатель состоит из трех основных частей:_______________________________________________________________________________
Процесс работы теплового двигателя
Рабочим телом называется _____________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________________
Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически.
Для этого рабочее тело должно совершать ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________________
К
руговые
процессы изображаются на диаграмме
(p, V)
газообразного рабочего тела с помощью
замкнутых кривых.
При расширении газ совершает________________________________________________
При расширении газ совершает__________________________________________________
Полная работа за цикл A = A1 - A2 на диаграмме (p, V)__________________________________
Для того, чтобы в цикле получить выигрыш в работе, цикл нужно обходить по часовой стрелке. При этом температура газа изменяется.
Тепловой резервуар ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 и отдает холодильнику количество теплоты Q2 .
При этом совершается работа A, равная______________________________________________________________________________________
Э
нергетическая
схема тепловой машины
Q1 –_____________________________________________________
Q2 – _____________________________________________________
А – ____________________________________________________
Итак, в тепловых двигателях не вся внутренняя энергия пара или газа превращается в механическую энергию.
Пусть Aп – полезная работа; Q1 – количество теплоты, поступившее от нагревателя; Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику: Aп = Q1 – Q2.
Тогда____________________________________________________________
Коэффициентом полезного действия η_________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
Коэффициент полезного действия η указывает,___________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику.
Коэффициент полезного действия тепловой машины______________________________________________
В начале XIX века французский инженер Сади Карно исследовал пути повышения КПД тепловых двигателей. Он придумал цикл, который должен совершать идеальный газ в некоторой тепловой машине, такой, что при этом получается максимально возможный КПД.
Цикл Карно состоит_______________________________________
Коэффициент полезного действия цикла Карно:
______________________________________________________________
Очевидно, что для увеличения КПД нужно_______________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
Понижать температуру холодильника искусственно невыгодно, так как это требует дополнительных затрат энергии.
Повышать температуру нагревателя можно тоже до определенного предела, так как различные материалы обладают различной жаропрочностью при высоких температурах.
Однако формула Карно показала, что___________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Примеры решения задач.