Вопрос 15.Основные положения термодинамики.

Тепловые явления были известны с древнейших времён, однако изучение их на научной основе началось только в 17 веке, когда был изобретён прибор, позволяющий количественно измерять тепловые явления. В этот период были разграничены понятия теплота и температура, а также созданы две теории, объясняющие природу тепловых явлений. Теплота – внутренне состояние.

Вещественная теория. Согласно положению данной теории каждое материальное тело содержит в себе невесомую жидкость-теплород. При этом чем больше теплорода в материальном теле, тем выше его температура.

Корпускулярная теория. Согласно положению данной теории мельчайшие частицы, из которых состоит материальное тело совершают постоянные колебательные движения. Чем сильнее колебания частиц, тем выше температура тела.

До середины 18 века в физике доминировала вещественная теория, поскольку с её помощью удовлетворённо объяснились многие тепловые процессы теплопередач. Во второй половине 18 века была установлена взаимосвязь между механической работой и тепловыми явлениями. Указанный факт не объяснялся с помощью вещественной теории, поэтому она была признана несостоятельной. Корпускулярная теория стала основополагающей и послужила предпосылкой возникновения физического раздела, который получил название термодинамики.

Термодинамика базируется на следующих основных категориях:

1.материя

2.материальное тело

3.термодинамические параметры: температура, давление, объём

4.термодинамическое равновесие- состояние материального тела, при котором ни один из термодинамических параметров не изменяется

5.термодинамический процесс- состояние материального тела, при котором изменяется хотя бы один термодинамический параметр

Термодинамические процессы характеризуются двумя законами термодинамики:

1)Внешняя энергия переданная телу расходуется на изменение его внутреннего состояния и совершения им полезной работы

2)Невозможно существование материальных объектов без внешней энергии(невозможно передать тепловую энергию от более холодного тела к более нагретому)

Таким образом тепловая картина мира дополн. механистич. дополнения о мире след. положениями:

-не все процессы, происходящие в природе являются простыми механическими, некоторые процессы являются тепловыми и сопровождаются изменениям агрегатного состояния тела и изменениям его температур

-тепловые процессы в отличии от механистических необратимы и имеют вероятностный характер.

Вопрос 16. Взаимосвязь тепловых явлений и механики.

Майер — один из первых в своей знаменитой работе 1842 указал на эквивалентность затрачиваемой работы и производимого тепла и тем обосновал первый закон термодинамики.

Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Майер впервые рассчитал, исходя из теоретических оснований, механический эквивалент тепла. Работа эта долго оставалась незамеченной, и лишь в 1862 году Клаузиус и Тиндаль обратили внимание на это исследование Майера.

Открытие Р. Майером эквивалентности теплоты и энергии позволило измерять количество теплоты энергетическими единицами. В системе СИ единицей работы и теплоты является джоуль.

В работе Майера (1841) содержалась мысль о том, что «движение, теплота и электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые измеряются друг другом и переходят в друг друга по определенным законам». В книге «Органическое движение в связи с обменом веществ» (1845) он последовательно и систематично изложил учение о сохранении и превращении энергии. Воспользовавшись данными по удельной теплоемкости, Майер получил значение механического эквивалента теплоты I = 425 кГм/ккал.

Тепловая машина.

Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчета тепловых машин. Первыми тепловыми машинами были паровые двигатели, замкнутый термодинамический цикл которых впервые был описан в 1690 году Дени Папином.  Первые тепловые двигатели предназначались для подъема воды из шахт и были изобретены английскими инженерами в 1698 году Томасом Севери  и в 1712 году Томасом Ньюкоменом.  Если в насосе Севери использовался пар в качестве тела, непосредственно толкающего воду, то машина Ньюкомена была первой поршневой паровой машиной.

     Широкое применение паровых машин в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом паровой машины, в которой работа совершалась без использования атмосферного давления, что значительно сократило расход топлива. Уатт дополнил свои машины важнейшими механическими изобретениями, такими как преобразователь поступательного движения во вращательное, центробежный регулятор, маховое колесо и т.д. В 1784 году Уатт запатентовал универсальную паровую машину двойного действия, в которой пар совершал работу по обе стороны поршня.

          Тепловые машины или тепловые двигатели предназначены для получения полезной работы за счет теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных превращений или по другим причинам (например, вследствие нагрева солнечными лучами). Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело. В качестве холодильника выступает окружающая среда.

Принцип действия тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передает рабочему телу теплоту  , вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу   над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдает холодильнику теплоту  , возвращаясь в исходное состояние.

     В соответствии с первым началом термодинамики, при осуществлении кругового процесса, из-за возвращения рабочего тела в исходное состояние, его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершенная рабочим телом механическая работа равна разности подведенной и отведенной теплоты.