2.6. Термодинамика

Внутренняя энергия вещества – это энергия атомов и молекул данного вещества.

Внутренняя энергия U (Дж) идеального газа равна кинетической энергии всех его молекул.

Для идеального одноатомного газа внутренняя энергия равна:

,

где  — число молей газа, R— универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура.

Изменение внутренней энергии идеального одноатомного газа равно:

Одноатомными идеальными газами являются все инертные газы (гелий, аргон, неон).

Газ совершает работу при изменении его объема.

Работа газа определяется по формуле:

,

где р — давление газа, V — изменение объема газа.

Работа газа численно равна площади фигуры, ограниченной графиком p = f(V).

Рис. 9

Количество теплоты Q (Дж) — это мера энергии, передаваемой системе в процессе теплообмена, т. е. без совершения механической работы.

1. Нагревание (охлаждение) тела.

Количество теплоты, поглощаемое телом при нагревании (выделяемое при охлаждении) определяется по формуле:

,

с — удельная теплоемкость вещества, Дж/кгК;

С = сm — теплоемкость тела, Дж/К.

Знак «+» ставят при нагревании, «–» — при охлаждении тела.

2. Плавление (кристаллизация) вещества.

Количество теплоты, поглощаемое в процессе плавления (выделяемое в процессе кристаллизации) определяется по формуле:

,

 — удельная теплота плавления вещества, Дж/кг.

Плавление и кристаллизация происходят при постоянной для каждого вещества температуре — температуре плавления.

3. Испарение (конденсация) вещества.

Количество теплоты, поглощаемое в процессе испарения (выделяемое в процессе конденсации) определяется по формуле:

,

r — удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Кипение происходит при постоянной для каждого вещества температуре кипения, зависящей от внешнего давления.

4. Горение топлива.

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, определяется по формуле:

,

q — удельная теплота сгорания топлива, Дж/кг.

Уравнение теплового баланса: количество теплоты, которое выделяют тела равно количеству теплоты, которое поглощается другими телами с учетом тепловых потерь (рис 10).

Q_выдел  = Q_погл

Рис. 10

1 – нагревание твердого тела, 2 – плавление, 3 – нагревание жидкости, 4 – кипение, 5 – конденсация, 6 – охлаждение жидкости, 7 – кристаллизация, 8 – охлаждение твердого тела.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах (первый закон термодинамики).

Количество теплоты Q, сообщенное системе (газу), идет на изменение внутренней энергии U системы и на работу А, совершаемую системой против внешних сил:

Q = U + A.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в идеальных газах.

1) Изотермический процесс.

Температура в этом процессе постоянна T = const, поэтому изменение температуры T = 0. Следовательно, изменение внутренней энергии: U = 0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса:

Q = A.

2) Изохорный процесс.

Так как в этом процессе объем V = const, то изменение объема V = 0 и, следовательно, работа газа A = pV = 0.

Первый закон термодинамики для изохорного процесса:

Q = U.

3) Изобарный процесс.

Так как здесь давление не изменяется (p = const), то из уравнения Менделеева – Клапейрона следует, что работа газа

A= pV = RT,

где V - изменение объема,  - число молей, T - изменение температуры газа, R - универсальная газовая постоянная.

Первый закон термодинамики для изобарного процесса:

Q = U + А.

Адиабатный процесс — процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой:

Q = 0.

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса:

A = – U,

то есть газ совершает работу А только за счет уменьшения своей внутренней энергии U.

Тепловой двигатель — устройство для преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу.

Коэффициент полезного действия (КПД)  теплового двигателя - это отношение полезной работы А к количеству тепла Q_н, полученного двигателем от нагревателя (рис. 11):

Рис. 11

A — работа газа; Q_н — количество теплоты, полученное двигателем от нагревателя; Q_х — количество теплоты, переданное двигателем холодильнику; Т_н — температура нагревателя; Т_х — температура холодильника;  — коэффициент полезного действия (КПД).

Пар называется ненасыщенным, если количество испаряющихся молекул больше количества молекул перешедших в жидкость в результате конденсации.

Пар называется насыщенным, если он находится в состоянии термодинамического равновесия с жидкостью, т.е. количество испарившихся молекул равно количеству молекул перешедших в жидкость. Давление и плотность насыщенного пара зависят от его температуры.

Абсолютная влажность  плотность водяного пара в атмосфере

.

Относительная влажность воздуха равна отношению плотности водяных паров в атмосфере к плотности насыщенного пара при данной температуре. ( Или парциального давления водяного пара в атмосфере к давлению насыщенного пара при данной температуре).

Точка росы — температура, при которой пар становится насыщенным, т. е. когда относительная влажность равна 100 %.