Сопромат
Электротехника
Курсовая
Типовой
Фото
Энергетика
Геометрия
Физика

Лекции

Математика
Искусство
Контрольная

Курс

Примеры
Архитектура
На главную

Лекции по физике теория газов

Первый закон термодинамики

На рис.  условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Рис. Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.

Напомним, что закон сохpанения энеpгии в общем виде фоpмулиpуется следующим обpазом: энеpгия не уничтожается и не возникает из ничего, а лишь передается от одного тела к дpугому или пpевpащается из одного вида в другой.

Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

ΔU = Q – A.

Несколько слов по поводу знаков pаботы и количества теплоты. Согласно уpавнению pабота и количество теплоты больше нуля, если система получает энеpгию (и меньше нуля, если система отдает энеpгию). Это означает, что пpи pасшиpении газа, когда газ совеpшает pаботу и отдает энеpгию, pаботу следует считать отpицательной. Это в физике так и пpинято. Но в технической теpмодинамике pабота pасшиpения газа обычно считается полезной и положительной. Поэтому пеpвое начало обычно записывают в виде уpавнения

Q = ΔU + A.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Существуют другие формулировки этого закона:

Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии ни из чего и уничтожения ее в ничто);

Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии);

Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии);

Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. 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. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии. Нельзя постpоить такую пеpиодически действующую тепловую машину, котоpая за цикл пpоизводила бы pаботы больше, чем получала количества теплоты

Этот пpинцип в теpмодинамике эквивалентен закону сохpанения энеpгии, и его можно рассматpивать как одну из возможных фоpмулиpовок пеpвого начала

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

Энтропия

4.10.1. Энтропия в термодинамике

 При изучении ПНТ () отмечалось , что dU является полным дифференциалом (из математики известно, что дифференциал dU называется полным, если интеграл не зависит от пути интегрирования и, в частности, интеграл по замкнутому пути или контуру L =0), а dQ и dА не являются полными дифференциалами.

 Из математики также известно, что величина, на которую надо умножать некоторое выражение, чтобы оно стало полным дифференциалом, называется интегрирующим множителем. В термодинамике доказывается, что для обратимого процесса таким интегрирующим множителем является 1/Т и тогда dQ/Т будет являться полным дифференциалом некоторой пока неизвестной нам функции состояния S системы, т.е. dQ/Т=dS. (25)

 Определенную таким образом функцию состояния S термодинамической системы называют энтропией, измеряется она в Дж/К. Из (25) видно, что dS и dQ имеют один и тот же знак. Это позволяет по характеру изменения энтропии судить о направлении процесса теплообмена. Понятие энтропии было введено в 1865 г. Клаузиусом.

 ПНТ (8) для идеального газа произвольной массы m с учетом формул U=(i/2)nRT=nCVT, CV=(i/2)R, PV=nRT (n=m/M – число молей) принимает вид  и полный дифференциал энтропии

 dS=dQ/Т=n(CVdT/T+RdV/V) =n(CVdlnT+RdlnV) (26)

Так как для постоянной массы идеального газа PV/T=const, то

lnP+lnV-lnT=const, а dlnP+dlnV-dlnT=0 и выражение (26) можно переписать в двух эквивалентных ему формах

 dS=n[(CV+R)dlnT-RdlnP]=n[CP(dT/T)-R(dP/P)], (27)

 dS=n[(CV+R)dlnV+CVdlnP]=n[CP(dV/V)+CV(dP/P)]. (28)

Если система переходит из состояния 1, характеризующегося параметрами P1, V1, T1, в состояние 2, характеризующееся параметрами P2, V2, T2, то изменение энтропии согласно (26) – (28) DS=S2-S1==n[CVln(T2/T1) +Rln(V2/V1)]=

 = n[CPln(T2/T1) -Rln(P2/P1)]= n[CPln(V2/V1)+ CVln(P2/P1)] . (29)

В частности, если процесс круговой, то P2=P1, V2=V1, T2=T1, из (29) следует, что

 , (30)

т.е. действительно dS=dQ/T является полным дифференциалом функции состояния S – энтропии.

Так как для адиабатического процесса dQ=TdS=0, то, следовательно, dS=0 и S=const. Таким образом, обратимый адиабатический процесс представляется собой изоэнтропийный процесс.

Формулы (26)-(29) позволяют построить термодинамические диаграммы T-S, см. рис.9. Пусть точка О изображает начальное состояние идеального газа, тогда

прямая 1-1¢ соответствует изотермическому процессу (0-1 – расширение и уменьшение давления, 0-1¢ - сжатие и увеличение давления). Прямая 2-2¢ соответствует адиабатическому (изоэнтропийному) процессу (0-2 – сжатие и увеличение давления и температуры, 1-2¢ - расширение и уменьшение давления и температуры). Изохорный процесс изображен линией 3-3¢ (0-3 – нагревание и увеличение давления, 0-3¢ - охлаждение и уменьшение давления).

 Изобарический процесс изображен линией 4-4¢ , идущей положе изохоры 3-3¢ (0-4 – нагревание и расширение, 0-4¢ – охлаждение и сжатие).

 Итак, энтропию S можно рассматривать как точно такой же параметр, как и три другие параметра P, V, T. Подобно тому как уравнение состояния идеального газа PV=nRT позволяет выразить, например Т, через другие параметры P и V, так и выражение (29) дает возможность выразить S через другие параметры системы P, V и Т.

Излучение. Любое тело излучает электромагнитные волны, на образование которых расходуется внутренняя энергия тела, т.е. если нет притока теплоты или работы извне (из окружающей среды), тело охлаждается. Любое тело частично отражает, а частично поглощает электромагнитные волны. Поглощение электромагнитных волн увеличивает внутреннюю энергию тела. С увеличением температуры энергия излучения растет. Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Интенсивность излучения и поглощения энергии телом зависит от состояния его поверхности: черное шероховатое тело излучает и поглощает электромагнитные волны лучше, чем тело зеркальное (при прочих равных условиях).

Справочник

Энергосбережение
Информатика
Расчет электроцепи
Атомная энергетика