Лекция № 3 «Первый закон термодинамики»

Первый закон термодинамики гласит: теплота может превращаться в механическую работу, равно как и механическая работа может превращаться в тепло.

Энергия и ее виды

Под энергией обычно понимают способность тела производить работу.

Тело может совершать работу, когда оно движется. Поэтому различным видам движение тел(материи) соответствуют и различные виды энергии – механическая, внутренняя, тепловая, электрическая, химическая и т.д.

Внутренняя энергия состоит из:

1) кинематической энергии поступательного движения молекул;

2) кинематической энергии вращательного движения молекул;

3) энергии внутримолекулярных колебаний;

4) потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Для реальных газов внутренняя энергия представляет собой внутренних кинетических энергий и потенциальной энергии взаимодействия молекул.

.

Для идеальных газов внутренняя энергия представляет собой сумму внутренних кинетических энергий.

.

Закон сохранения энергии

В результате взаимодействия тела (газа) с другими телами (с окружающей средой) происходит энергетический обмен, при котором происходит перераспределение энергии, то есть энергия переходит от одного тела к другому. Передача энергии от одного тела к другому может осуществляться только в двух возможных формах: в форме работы и форме тепла.

Работа газа

Различают работу расширения и работу сжатия газа.

Работа расширения – это работа, совершаемая силой давления газа при увеличении объема газа.

Работа сжатия – это работа, совершаемая внешними силой давления газа при уменьшении объема газа.

Второй формой передачи энергии является теплообмен, или теплопередача.

Тепло

Когда два тела с различной температурой, то есть с различной скоростью движения молекул, приходят в контакт, то внутренняя энергия от более нагретого тела передается менее нагретому телу до тех пор, пока температуры тел не сравняются.

Для оценки величины переданной энергии путем теплообмена вводится понятие количества тепла.

Обозначается тепло:

q - для одного килограмма газа:

Q - для произвольного количества газа.

Количество тепла определяется произведением удельной массовой теплоемкости газа на изменение температуры газа.

Энтальпия (теплосодержание) газа

Энтальпией или теплосодержанием газа называется сумма внутренней энергии и потенциальной энергии давления одного килограмма газа при данном его состоянии.

Так как ; а , то , то есть энтальпия (теплосодержание) идеального газа равна произведению изобарической теплоемкости газа на его абсолютную температуру, или равна количеству тепла, которое нужно подвести к газу, чтобы нагреть его от абсолютного нуля до данной температуры Т.

Лекция № 4 «Термодинамические процессы»

В тепловых двигателях преобразование тепловой энергии в механическую работу или кинетическую энергию сопровождается непрерывным изменением состояния газа. Изменение состояния газа происходит за счет взаимодействия, которое может быть:

- тепловым, то есть подвод тепла к газу от некоторого источника тепла, или, наоборот, отвод тепла от газа к другим телам;

- силовым или механическим, то есть представление газу возможности расширяться (увеличивать свой объем) или, наоборот, сжиматься (уменьшать свой объем);

- одновременно тепловым и силовым.

В результате подвода или отвода тепла, затраты механической работы (при сжатии) или получения механической работы (при расширении) температура, давление и удельный объем газа непрерывно изменяются.

Изменение состояния газа при неизменном его количестве и химическом состоянии называют термодинамическим процессом.

Различают следующие основные газовые процессы:

- процесс при постоянном объеме (изохорический процесс);

- процесс при постоянном давлении (изобарический процесс);

- процесс при постоянной температуре (изотермический процесс);

- процесс без теплообмена между газом и внешней средой (адиабатический процесс).

Процесс при постоянном объеме ( )

Изохорическими называют процессы, происходящие при постоянном объеме. Примером процесса при может служить подогрев сжатого воздуха в закрытом сосуде. При этом газ не совершает никакой внешней работы, так как его объем остается неизменным.

Уравнение для двух состояний газа:

до подогрева

(а)

после подогрева

(б)

Разделив уравнение (б) на уравнение (а), получим

.

Подведенное тепло в процессе будет

Процесс при постоянном давлении ( )

Изобарическими называются процессы, осуществляемые при постоянном давлении газа.

Примером процесса при является случай нагрева газа, находящегося в цилиндре с подвижным поршнем (трение поршня не учитываем), на который извне действует постоянная внешняя сила (например, груз с неизменным весом).

В процессе при внешнее тепло расходуется на подогрев газа (увеличение внутренней тепловой энергии) и совершение им механической работы.

Уравнение для двух состояний газа:

до подогрева

(а)

после подогрева

(б)

Разделив уравнение (б) на уравнение (а), получим

.

Подведенное тепло в процессе будет

или

где - изменение теплосодержания газа.

Процесс при постоянной температуре ( )

Изотермическими называются процессы, происходящие при постоянной температуре.

Примером процесса при может служить медленное расширение газа с одновременным его подогревом в цилиндре с подвижным поршнем; регулируя подогрев, можно добиться практического постоянства температуры газа.

Написав характеристическое уравнение двух состояний газа, до и после подогрева (охлаждения), получим

или

Процесс без теплообмена между газом и внешней средой ( )

Адиабатическими являются процессы, протекающие без теплообмена с внешней средой.

Примером процесса, происходящего без теплообмена между газом и внешней средой (адиабатического процесса), является быстрое сжатие и расширение газа в цилиндре с подвижным поршнем.

В адиабатическом процессе расширения газа совершает полезную работу, при этом его температура и внутренняя энергия уменьшаются. Так как в данном случае не происходит теплообмена с окружающей средой, то работа расширения, совершенная газом, в точности равна уменьшению его внутренней энергии, т.е.

.

В адиабатическом процессе сжатия, наоборот, температура и внутренняя энергия газа возрастают. При этом увеличение внутренней энергии газа в точности равно затрате внешней работы на сжатие газа, т.е.

связь между параметрами газа в адиабатическом процессе определяется так называемым уравнением адиабаты.

где - показатель адиабаты процесса.

Политропический процесс

Политропическими процессами называются термодинамические процессы, у которых может изменяться любой из параметров и имеет место теплообмен с внешней средой.

Уравнение политропического процесса имеет вид

где n – показатель политропы газа, который может равняться любому постоянному числу:

для изохорического процесса

для изобарического процесса

для изотермического процесса

для адиабатического процесс .