Prima lege a termodinamicii
Energia internă este energia unui sistem fizic, în funcție de starea sa internă. Energia internă include energia mișcării haotice (termice) a tuturor microparticulelor sistemului (molecule, atomi, ioni etc.) și energia interacțiunii acestor particule. Energia cinetică a mișcării sistemului ca întreg și energia sa potențială în câmpurile de forță externe nu intră în energia internă. În ceea ce privește termodinamica și aplicațiile sale, nu este vorba de valoarea energiei interne în sine, ci de schimbarea ei atunci când se schimbă starea sistemului. Energia internă este o funcție a stării sistemului.
Activitatea sistemului termodinamic asupra corpurilor externe constă în schimbarea stării acestor corpuri și este determinată de cantitatea de energie transferată de sistem către corpurile externe atunci când volumul se modifică.
Lucrarea în termodinamică nu este o diferență completă (nu este o funcție a statului, ci depinde de cale) și este notată.
Pentru a schimba volumul ocupat de gaz, este necesar să lucrați. Imaginați-vă un gaz închis într-un volum cilindric cu un piston, a cărui mișcare modifică volumul gazului (Figura 14.1).
Forța creată de presiunea gazului pe pistonul zonei este egală cu. Lucrul efectuat la deplasarea pistonului este egal cu locul în care schimbarea volumului gazului (figura 14.1), adică,
Încălzirea (cantitatea de căldură) reprezintă cantitatea de energie primită sau eliberată de sistem în timpul schimbului de căldură. O cantitate elementară de căldură nu este, în general, o diferență a oricărei funcții a parametrilor de stare. Cantitatea de căldură transferată în sistem, precum și activitatea, depinde de modul în care sistemul trece de la starea inițială la cel final. (Spre deosebire de energia internă, pentru care, dar este imposibil să spunem cât de multă muncă conține corpul, "aceasta este o funcție" a procesului este o caracteristică dinamică).
Prima lege (începutul) termodinamicii: cantitatea de căldură comunicată sistemului se duce la creșterea energiei interne a sistemului și pentru a face sistemul să funcționeze pe organisme externe.
unde cantitatea de căldură raportată corpului;
și valorile inițiale și finale ale energiei interne;
munca efectuată de sistem asupra organismelor externe.
În forma diferențială, primul început:
cantitatea elementară de căldură împărțită corpului;
schimbarea energiei interne;
munca corpului (de exemplu, lucrul cu extinderea gazului).
Aplicarea primei legi a termodinamicii la izoprocesele unui gaz ideal
(Isoprocese din (greacă) - egale). Procesele care au loc la un anumit parametru constant (izotermic, izobaric, izocoric).
Capacitatea de căldură a unui corp este o cantitate egală cu raportul dintre cantitatea de căldură împărțită corpului și creșterea corespunzătoare a temperaturii.
Capacitatea termică dimensională a corpului.
Definiții similare sunt introduse pentru 1 mol (capacitate de căldură molară
) și pentru o unitate de masă a materiei.
Să considerăm încălzirea unui gaz la un volum constant. Conform primei legi a termodinamicii:
, deoarece , atunci.
prin definiție, dar pentru procesul c:
căldura specifică a gazului la un volum constant.
Procesul izotermic este un proces ideal. deoarece Expansiunea unui gaz la o temperatură constantă poate să apară doar infinit lent. La o rată finită de expansiune, vor apărea gradienți de temperatură.
4. Procesul adiabatic (adiabatic)
Acesta este un proces care are loc fără schimb de căldură cu corpurile înconjurătoare. Să analizăm în ce condiții procesul adiabatic poate fi într-adevăr realizat sau abordat.
1. Este necesară o coajă adiabatică. a cărui conductivitate termică este zero. O aproximare la o astfel de coajă este vasul Dewar.
2. Cazul 2 - procesele se desfășoară foarte rapid. Căldura nu are timp să se răspândească și de ceva timp se poate presupune.
3. Procese care au loc în volume foarte mari de gaze. de exemplu, în atmosferă (regiunea ciclonilor, anticicloanelor). Pentru a egaliza temperatura, transferul de căldură trebuie să aibă loc din straturile de aer învecinate, mai încălzite, ceea ce necesită adesea un timp considerabil.
Pentru procesul adiabatic, prima lege a termodinamicii:
În cazul expansiunii gazului (temperatura va scădea). Dacă există compresie de gaz, atunci (temperatura crește). Rezultă o ecuație referitoare la parametrii gazului în procesul adiabatic. Să luăm în considerare faptul că pentru un gaz ideal, atunci
Împărțim ambele părți ale ecuației în:
Integrăm această ecuație:
Din moment ce diagrama adiabatului este mai abruptă decât izotermă. Să calculam lucrarea în cadrul procesului adiabatic:
Acesta este numele proceselor ale căror ecuații au forma
unde n este un număr arbitrar, atât pozitiv cât și negativ și, de asemenea, egal cu zero. Curba corespunzătoare se numește politop. În particular, procesele sunt adiabatice, izoterme, izoborice și izochorice.
Întrebări pentru autocontrol
Cum diferă metoda termodinamică de investigare a proprietăților sistemelor de cea moleculară-cinetică?
Ce parte din sistemul energetic se numește intern?
Cum este determinată munca în termodinamică?
Ce se numește cantitatea de căldură?
Care din cantitatile A, Q, U este o functie a starii sistemului termodinamic? De ce?
Formulează prima lege a termodinamicii.
Notați prima lege a termodinamicii pentru toate izoprocesele cunoscute ale unui gaz ideal.
Care este capacitatea de căldură a corpului? Care este diferența dintre capacitățile de căldură specifice și molari?
Care este capacitatea de căldură pentru fiecare proces? De ce capacitatea de căldură?
Obțineți o expresie pentru a lucra în fiecare proces. La ce este procesul de a nu lucra?
Ce proces se numește adiabatic? Cum poate fi realizat un proces apropiat unui proces adiabatic?
Efectuați derivarea ecuației Poisson pentru procesul adiabatic.
A doua lege a termodinamicii
plan
Procese reversibile și ireversibile. Proces circular (ciclu). Stări și procese de echilibru.
Ciclul Carnot și eficiența sa pentru un gaz ideal. Eficacitatea maximă a mișcării termice.
Motoare termice și mașini frigorifice.
Entropia. Legea entropiei crescânde.
Masa statistică (probabilitatea termodinamică). A doua lege a termodinamicii și interpretarea sa statistică.
1. Procese reversibile și ireversibile
Fie ca rezultatul unui proces într-un sistem izolat organismul să treacă de la statul A la statul B și apoi să revină la starea inițială A. Procesul se numește reversibil. dacă este posibil să se efectueze tranziția inversă de la B la A prin aceleași stări intermediare ca și în procesul direct. astfel încât să nu rămână modificări în corpul însuși și în corpurile din jur. Dacă procesul invers este imposibil sau când procesul din corpurile înconjurătoare și corpul însuși este schimbat, procesul este ireversibil.
Exemple de procese ireversibile. Orice proces însoțit de frecare este ireversibil (căldura eliberată în timpul frenei nu se poate colecta fără munca unui alt corp și se transformă din nou în muncă). Toate procesele, însoțite de transferul de căldură de la un corp încălzit la unul mai puțin încălzit, sunt ireversibile (de exemplu, conducția de căldură). Procesele ireversibile includ, de asemenea, difuzia, fluxul vâscos. Toate procesele ireversibile sunt neechilibre.
Echilibrul - acestea sunt procese care sunt o secvență de stări de echilibru. O stare de echilibru este o stare în care, fără influențe externe, corpul poate fi atâta timp cât se dorește. (. Strict vorbind, procesul de echilibru nu poate fi decât infinit lent Orice procese reale apar în natură, la o rată finită și sunt însoțite de procese de disipare a energiei Reversible -.. Idealizare când procese ireversibile pot fi neglijate).
Proces circular (ciclu). Dacă un corp de la statul A la statul B trece prin anumite stări intermediare, dar revine la starea inițială A prin alte state intermediare, atunci are loc un proces circular. sau ciclu.
Procesul circular este reversibil. dacă toate părțile sale sunt reversibile. Dacă orice parte a ciclului este ireversibilă, atunci întregul proces este ireversibil.
Există un ciclu direct sau un ciclu al unui motor termic și un ciclu invers. sau un ciclu al unei mașini frigorifice (despre care este vorba în nr. 3).
Lucrul efectuat pe ciclu este egal cu diferența dintre cantitatea de căldură primită de organism în timpul expansiunii și cantitatea de căldură dată în timpul comprimării. Colaborarea în coordonate este egală cu aria ciclului (Figura 15.1):
2. Ciclul Carnot și eficiența sa pentru un gaz ideal
(Sadi Carnot (1796 - 1832) - fizician francez).
Ciclul Carnot este după cum urmează. În primul rând, sistemul, având o temperatură, este adus în contact termic cu încălzitorul. Apoi, scăzând infinit lent presiunea externă, este forțată să se extindă de-a lungul izotermei 1-2. În același timp, aceasta primește căldură de la încălzitor și funcționează împotriva presiunii externe.
Ciclul de lucru constă din două izoterme de echilibru și două adiabate de echilibru (Figura 15.2). În mașină, după cum se presupune, nu există pierderi la frecare, conductivitate termică etc. Două rezervoare de căldură sunt conectate la mașină. Unul cu o temperatură se numește încălzitor. Un altul care are o temperatură mai scăzută este un frigider (sau un chiuveta de căldură). Rezervoarele sunt atât de mari, încât întoarcerea sau primirea căldurii nu le modifică temperatura.
După aceasta, sistemul este izolat adiabatic și forțat să se extindă de-a lungul adiabatului 2 - 3. până când temperatura ajunge la temperatura frigiderului. Cu o extindere adiabatică, sistemul de asemenea efectuează o anumită operațiune împotriva presiunii externe. In starea 3 sistemul este adus în contact termic cu condensator și o creștere continuă a presiunii izoterm comprimă la o stare de 4. În acest caz, lucrările efectuate asupra sistemului (și anume sistemul în sine funcționează negativ) și dă o anumită cantitate de frigider căldură. Starea 4 este aleasă astfel încât este posibilă comprimarea sistemului adiabatic 4 - 1 înapoi la starea inițială. Pentru a face acest lucru, sistemul trebuie să funcționeze (sistemul trebuie să producă muncă negativă). Ca rezultat al procesului circular al lui Carnot, energia internă a sistemului nu se schimbă. prin urmare, munca făcută
Calculați eficiența unui motor termic ideal. lucrand la ciclul Carnot. Această valoare este egală cu raportul dintre cantitatea de căldură transformată în muncă. la cantitatea de căldură primită de la încălzitor.
Lucrarea utilă pe ciclu este egală cu suma tuturor lucrărilor din fiecare parte a ciclului:
Lucrări de extindere izotermică:
Secțiunile adiabatice ale ciclului nu afectează rezultatul global, deoarece Lucrul pe ele este egal și opus în semn, prin urmare.
Deoarece stările de gaze descrise la punctele 2 și 3 se află pe același adiabat, parametrii de gaz sunt legați de ecuația Poisson:
În mod similar pentru punctele 4 și 1:
Împărțind aceste ecuații pe termen, obținem:
, apoi de la (1) obținem
Astfel, eficiența ciclului Carnot este determinată numai de temperaturile încălzitorului și a frigiderului.
Teorema lui Carnot (fără dovezi): Eficiența mașinilor reversibile care funcționează la aceleași temperaturi de încălzire și de răcire este aceeași și este determinată numai de încălzire și temperaturi mai scăzute.
Notă: Eficiența unui motor termic real este întotdeauna mai mică. decât eficiența unui motor termic ideal (într-o mașină reală există pierderi de căldură care nu sunt luate în considerare la o mașină ideală).
3. Principiul funcționării unui motor termic și a unui răcitor de lichid
Orice motor termic este alcătuit din 3 părți principale. corpul de lucru, încălzitorul și frigiderul.
Organismul de lucru primește o cantitate de căldură din încălzitor. Când este comprimat, gazul transferă o cantitate de căldură în frigider. Lucrarea primită. efectuate de motor pe ciclu:
(inegalitate - caracterizează mașinile reale, egalitatea mașinilor ideale).
(Notă: motoarele termice reale funcționează de obicei pe așa-numita buclă deschisă atunci când gazul după expansiune este evacuat și a contractat o nouă piesă, cu toate acestea, nu afectează în mod semnificativ termodinamica procesului într-un ciclu închis dilată și se contractă aceeași bucată .....).
Mașină de răcire. Ciclul Carnot este reversibil, prin urmare, poate fi efectuat în direcția opusă. (4-3-2-1-4) (Imaginea 15.3)) Încălzirea este absorbită din camera de răcire.
Încălzitorul primește o anumită cantitate de căldură din mediul de lucru. Forțele externe fac atunci munca
Ca urmare a ciclului, unele transferuri de căldură de la corpul rece la corpul cu o temperatură mai ridicată.
De fapt, mediul de lucru dintr-o unitate de refrigerare este de obicei o pereche de lichide cu punct de fierbere scăzut - amoniac, freon etc. Mașina este alimentată cu energie din
rețea electrică. Datorită acestei energii, are loc procesul de "transfer de căldură" din camera frigorifică către mai multe corpuri încălzite (în mediul înconjurător).
Eficiența unității frigorifice este estimată din coeficientul de refrigerare:
Pompă de căldură. Această mașină care funcționează continuu, ceea ce se datorează costului lucrărilor (electricitate) extrage căldură de la sursa la o temperatură scăzută (de obicei aproape de temperatura mediului ambiant) și transmite sursa de căldură de la o temperatură mai ridicată cantitatea de căldură egală cu cantitatea de căldură selectată dintr-o sursă de temperatură scăzută și consumat Compania :.