15. Второе начало термодинамики (его формулировки). Принцип работы тепловой машины. Цикл Карно.

Второе начало термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает.

По Кельвину: невозможен круговой процесс единственным результатом которого является превращение теплоты полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

По Клаузиусу: невозможен круговой процесс единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Принцип действия тепловой машины: от термостата с более высокой температурой Т1 наз. нагревателем за цикл отнимается кол-во теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2 наз. холодильником, за цикл передается кол-во теплоты Q2, при этом совершается работа A=Q1-Q2 .

Принцип действия холодильной машины: за цикл от термостата с более низкой температурой Т2 отнимается кол-во теплоты Q2 и отдаётся термостату с более высокой температурой Т1 кол-во теплоты Q1 .

Без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать её более нагретому.

Цикл Карно .

1-2 и 3-4 -изотермическое расширение и сжатие , 2-3 и 4-1 - адиабатическое расширение и сжатие.

Термический КПД цикла Карно

Записав для адиабат

16. Применение 1-ого начала термодинамики к изопроцессам. Работа расширения газа в изопроцессах.

В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: Q=A’, т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.           В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы:Q=ΔU+A’.           При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид Q= ΔU, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.           Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, A’= ΔU Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

1) Изотермическое сжатие

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся интерактивной моделью изотермического сжатия ( рис.2) и графическим истолкованием работы для процесса ( рис.3)

рис. 2 рис.3 рис.4

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U= 3/2 v RT=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Над газом совершается работа А>0, а тепло выделяется Q<0.

Первый закон термодинамики U=A+Q выглядит так:

0 = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду ( внутренняя энергия не изменяется)

А блок –схема 1 закона для изотермического сжатия приведена на рис. 4

2) Изотермическое расширение

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся интерактивной моделью изотермического расширения ( рис.5) и графическим истолкованием работы для процесса( рис.6)

 

рис.5 рис.6 рис.7

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Газ совершает работу А<0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = A

Газ совершает работу за счет поглощения тепла из внешней среды ( внутренняя энергия не изменяется)

Блок - схема первый закона термодинамики для изотермического сжатия представлена на рис. 7

3) Изобарное нагревание.

Воспользуемся интерактивной моделью и (пронаблюдаем изобарное нагревание) ( рис. 8) и графическим представлением работы ( рис. 9)

рис.8 рис.9 рис.10

При изобарном нагревании температура увеличивается ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), газ совершает работу , тепло поглощается.

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = U – A

Газ получает тепло из внешней среды. Полученная таким образом энергия тратится на увеличение внешней энергии и на совершение работы.

В итоге блок - схема первого закон термодинамики выглядит как на рис.10

4) Изобарное охлаждение

Пронаблюдав процесс изобарного охлаждения на интерактивной модели ( рис.11) и воспользовавшись рис.12 можем сделать вывод:

рис.11 рис.12 рис.13

при изобарном охлаждении температура уменьшается ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается ( U<0), над газом совершается работа , тепло выделяется.

Первый закон термодинамики выглядит так:

U = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду, а его внутренняя уменьшается .

Блок – схема для 1 закона термодинамики для этого случая представлен на рис. 13

5) Изохорное нагревание

Изохорное нагревание пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис14) и воспользуемся графиком на рис 15. Вывод:

рис. 14 рис. 15 рис. 16

При изохорном нагревании ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0) , работа A=pV равна нулю, т.к. V=0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=Q

Газ увеличивает свою внутреннюю энергию за счет теплоты, полученной из внешней среды.

Интерпретация 1 закона термодинамики для изохорного нагревания представлена на рис. 16

6) Изохорное охлаждение

Изохорное охлаждение пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис17) и графиком на рис 18. Вывод:

 

рис. 17 рис. 18 рис. 19

При изохорном охлаждении ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается(U<0 , работа A=pV равна нулю, т.к. V=0, а тепло выделяется (Q<0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

- U=-Q

Газ выделяет тепло во внешнюю среду; при этом его внутренняя энергия уменьшается.