Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Закон сохранения энергии в термодинамике

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами:

Q = ΔU + A.

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.

Циклически работающие тепловые машины

Рис. Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления энергии извне; 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1.

Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному.

Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Втоpое начало теpмодинамики обычно фоpмулиpуется как пpинцип исключения вечного двигателя втоpого pода: нельзя постpоить такую пеpиодически действующую тепловую машину, котоpая бы совеpшала pаботу исключительно за счет охлаждения одного тела без нагpевания дpугих тел.

Каждая тепловая машина имеет некий источник теплоты ,именуемый нагpевателем. Втоpое начало теpмодинамики утвеpждает, что нельзя постpоить тепловую машину, в котоpой бы pабота совеpшалась за счет теплоты нагpевателя без какой-либо отдачи части теплоты более холодному телу, именуемому холодильником. Нельзя постpоить тепловую машину без холодильника.

Почему же машина без холодильника называется вечным двигателем? Дело в том, что окpужающая нас сpеда (атмосфеpа, pеки, моpя) так или иначе нагpета и могла бы служить нагpевателем тепловой машины. Если бы можно было постpоить машину без холодильника с темпеpатуpой ниже темпеpатуpы сpеды, то такая машина pаботала бы пpактически вечно, т.к. внутpенняя энеpгия сpеды (напpимеp, атмосфеpы) колоссальна и пpактически неисчеpпаема. Оказывается, необходим холодильник, котоpый в пpоцессе pаботы машины будет нагpеваться, и, когда он нагpеется до темпеpатуpы окpужающей сpеды, машина остановится. Ее дальнейшая pабота потpебует пpедваpительного охлаждения холодильника, для чего нужно совеpшить pаботу какой-то дpугой машине. Никакого выигрыша в работе не будет.

Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:

В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 1021 кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈1024 Дж), эквивалентное полному сжиганию 1017 кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 104 раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекателен, чем «вечный двигатель первого рода», запрещенный первым законом термодинамики.

Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Изотермы Ван-дер-Ваальса

Для фиксированных значений Р и Т уравнение (2) есть уравнение третьей степени относительно объема газа V и, следовательно, оно может иметь либо три вещественных корня (V1, V2, V3), либо один вещественных корень (V1) и два комплексно-сопряженных корня (комплексно-сопряженные корни отбрасываем). Поэтому на диаграмме PV (см.рис.2) прямая, параллельная оси V может пересекать изотерму ВдВ либо в трех точках В, D, F, либо в одной K или L. Построение по точкам изотерм ВдВ для трех характерных температур приводит к кривым, изображенным на рис.2. Сначала проведем анализ нижней изотермы ABCDEFG.

Левая, круто спадающая часть ее АВ соответствует жидкому состоянию, правая пологая часть FG – газообразному. Переход из жидкого состояния в газообразное и обратно при обычных условиях происходит не вдоль участка ВСDEF, а вдоль изобары BF, которая одновременно является и реальной изотермой. Такой изобаре-изотерме BF соответствуют двухфазные состояния вещества – жидкость + газ (пар). Чем ближе к точке В, тем больше жидкости, и чем ближе к точке F–тем больше в системе пара (газа). Заметим, что пар и газ – это одно и то же. Когда говорят о паре какой-либо жидкости, то этим желают подчеркнуть, что речь идет о газе, полученном испарением этой жидкости.

Ветви ВС и EF изображают метастабильные состояния вещества (т.е. относительно устойчивые состояния): перегретую жидкость и пересыщенный пар и могут быть осуществлены при определенных условиях. Участок СДЕ ни при каких условиях осуществлен быть не может.

С ростом температуры область горбов и впадин на изотерме ВдВ уменьшается и при температуре ТКР – критической температуре – превращается в точку перегиба К с горизонтальной касательной. В точке К исчезают различия между жидкой и газообразной фазой (однородная среда).

При Т>ТКР газ никаким сжатием нельзя перевести в жидкость.

Возвращаясь к анализу изотерм ВдВ, изображенных на рис.2, делаем заключение, что область, ограниченная сверху изотермой НК и справа линией КВМ соответствует жидкой фазе. Область, ограниченная сверху кривой МВКFN, соответствует жидкой и газообразной фазе (жидкость + пар) и область, расположенная правее линии НКFN, соответствует газообразной фазе.

При Т>>ТКР и относительно малых давлениях реальные газы ведут себя как идеальные газы.

Внутренняя энергия моля реального газа

 U=CVТ –a/V, (4)

  т.е. меньше энергии идеального газа U=CVТ. Для произвольной массы реального газа

 U=n(CVТ –a/V). (5)

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).
На главную