Термодинамика

Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном?

Термодинамика

Статьи

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (7-9)

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (10-11) (баз., углубл.)

Линия УМК Г. Я. Мякишева, М.А. Петровой. Физика (10-11) (Б)

Линия УМК А. Е. Гуревича. Физика (7-9)

Физика

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях.

05 июля 2019

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях.

Собственно, именно с анализа принципов первых тепловых машин, паровых двигателей и их эффективности и зародилась термодинамика.

Можно сказать, что этот раздел физики начинается с небольшой, но очень важно работы молодого французского физика Николя Сади Карно.

Самым важным законом, лежащим в основе термодинамики является первый закон или первое начало термодинамики. Чтобы понять суть этого закона, для начала, вспомним что называется внутренней энергией.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ тела — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит. Нам хорошо известно, что внутреннюю энергию тела можно изменить, изменив температуру тела.

А изменять температуру тела можно двумя способами:

  1. совершая работу (либо само тело совершает работу, либо над телом совершают работу внешние силы);
  2. осуществляя теплообмен — передачу внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Нам, также известно, что работа, совершаемая газом, обозначается Аг, а количество переданной или полученной внутренней энергии при теплообмене называется количеством теплоты и обозначается Q. Внутреннюю энергию газа или любого тела принято обозначать буквой U, а её изменение, как и изменение любой физической величины, обозначается с дополнительным знаком Δ, то есть ΔU.

Сформулируем ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ для газа. Но, прежде всего, отметим, что когда газ получает некоторое количество теплоты от какого-либо тела, то его внутренняя энергия увеличивается, а когда газ совершает некоторую работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Именно поэтому первый закон термодинамики имеет вид:

ΔU = Q — Aг

Так как работа газа и работа внешних сил над газом равны по модулю и противоположны по знаку, то первый закон термодинамики можно записать в виде:

ΔU = Q + Aвнеш.

Понять суть этого закона довольно просто, ведь изменить внутреннюю энергию газа можно двумя способами: либо заставить его совершить работу или совершить над ним работу, либо передать ему некоторое количество теплоты или отвести от него некоторое количество теплоты.

2. Первый закон термодинамики в процессах

Применительно к изопроцессам первый закон термодинамики может быть записан несколько иначе, учитывая особенности этих процессов. Рассмотрим три основных изопроцесса и покажем, как будет выглядеть формула первого закона термодинамики в каждом из них.

  1. Изотермический процесс — это процесс, происходящий при постоянной температуре. С учётом того, что количество газа также неизменно, становится ясно, что так как внутренняя энергия зависит от температуры и количества газа, то в этом процессе она не изменяется, то есть U = const, а значит ΔU = 0, тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: Q = Aг.
  2. Изохорный процесс — это процесс, происходящий при постоянном объёме. То есть в этом процессе газ не расширяется и не сжимается, а значит не совершается работа ни газом, ни над газом, тогда Аг = 0 и первый закон термодинамики приобретает вид: ΔU = Q.
  3. Изобарный процесс — это процесс, при котором давление газа неизменно, но и температура, и объём изменяются, поэтому первый закон термодинамики имеет самый общий вид: ΔU = Q — Аг.
  4. Адиабатный процесс — это процесс, при котором теплообмен газа с окружающей средой отсутствует (либо газ находится в теплоизолированном сосуде, либо процесс его расширения или сжатия происходит очень быстро). То есть в таком процессе газ не получает и не отдаёт количества теплоты и Q = 0. Тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: ΔU = —Аг.

3. Применение

Первое начало термодинамики (первый закон) имеет огромное значение в этой науке. Вообще понятие внутренней энергии вывело теоретическую физику 19 века на принципиально новый уровень.

Появились такие понятия как термодинамическая система, термодинамическое равновесие, энтропия, энтальпия.

Кроме того, появилась возможность количественного определения внутренней энергии и её изменения, что в итоге привело учёных к пониманию самой природы теплоты, как формы энергии.

Ну, а если говорить о применении первого закона термодинамики в каких-либо задачах, то для этого необходимо знать два важных факта.

Во-первых, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна:  а во-вторых, работа газа численно равна площади фигуры под графиком данного процесса, изображённого в координатах p—V.

Учитывая это, можно вычислять изменение внутренней энергии, полученное или отданное газом количество теплоты и работу, совершённую газом или над газом в любом процессе. Можно также определять коэффициент полезного действия двигателя, зная какие процессы в нём происходят.

4. Методические советы учителям

  1. Обязательно обратить внимание учащихся на знаки работы газа, количества теплоты и изменения внутренней энергии и научить их по графику процесса в координатах р—V определять эти знаки, для чего удобно использовать подобную таблицу:

  2. Лучше всего, рассмотреть не только сам вид первого закона термодинамики в различных процессах, но и способы расчёта всех входящих в него величин.
  3. Обязательно на конкретных примерах, как числовых, так и графических, показать применение первого закона термодинамики.
  4. Уделить особое внимание процессу, в котором давление линейно зависит от объёма — с графиками и примерами применения к этому процессу первого закона термодинамики.
  5. Показать примеры на расчёт коэффициента полезного действия по графику циклического процесса с применением первого закона термодинамики и формул работы газа и изменения его внутренней энергии.

#ADVERTISING_INSERT#

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/pervyy-zakon-termodinamiki/

ТЕРМОДИНА́МИКА

Термодинамика

Авторы: Ю. Г. Рудой

ТЕРМОДИНА́МИКА (от тер­мо… и ди­на­ми­ка), раз­дел фи­зи­ки, опи­сы­ваю­щий наи­бо­лее об­щие свой­ст­ва (в т. ч. те­п­ло­вые) мак­ро­ско­пич.

сис­тем, на­хо­дя­щих­ся в тер­мо­ди­на­ми­че­ском (те­п­ло­вом) кон­так­те с ок­ру­жаю­щей сре­дой. За­ко­ны Т. но­сят уни­вер­саль­ный ха­рак­тер, т. е. не за­ви­сят от фи­зич.

при­ро­ды кон­крет­ных объ­ек­тов (сис­тем) и, сле­до­ва­тель­но, от их мик­ро­ско­пич. струк­ту­ры.

Основные понятия термодинамики

В рам­ках Т. объ­ек­ты (сис­те­мы) ха­рак­те­ри­зу­ют­ся толь­ко свои­ми мак­ро­ско­пич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми, ко­то­рые на­зы­ва­ют экс­тен­сив­ны­ми и ин­тен­сив­ны­ми па­ра­мет­ра­ми со­стоя­ния (тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ра­ми).

К экс­тен­сив­ным па­ра­мет­рам от­но­сят­ся пол­ная энер­гия $ℰ$, пол­ный им­пульс $\boldsymbol P$, пол­ный мо­мент им­пуль­са $\boldsymbol L$, а так­же объ­ём $V$, чис­ло час­тиц $N$, эн­тро­пия $S$ и др.

Этим ве­ли­чи­нам со­ответ­ст­ву­ют ин­тен­сив­ные па­ра­мет­ры – аб­со­лют­ная темп-ра $T$, ско­рость цен­тра инер­ции $\boldsymbol V_{ц. и.}$ и уг­ло­вая ско­рость $Ω$, дав­ле­ние $p$, хи­мич. по­тен­ци­ал $μ$ и др.

От др. раз­де­лов фи­зи­ки, напр. ме­ха­ни­ки и элек­тро­ди­на­ми­ки, Т. от­ли­ча­ет­ся спо­со­бом взаи­мо­дей­ст­вия сис­те­мы и ок­ру­жаю­щей сре­ды, при ко­то­ром оп­ре­де­ляю­щую роль иг­ра­ет ха­рак­тер гра­ни­цы (стен­ки) ме­ж­ду ни­ми. В ча­ст­но­сти, пол­но­стью изо­ли­ров.

сис­те­мы во­об­ще не взаи­мо­дей­ст­ву­ют с ок­ру­же­ни­ем и со­хра­ня­ют свои экс­тен­сив­ные па­ра­мет­ры, ко­то­рые яв­ля­ют­ся ме­ха­нич. ин­те­гра­ла­ми дви­же­ния. Адиа­ба­ти­че­ски изо­ли­ров. сис­те­мы мо­гут из­ме­нять ве­ли­чи­ны $ℰ$, $\boldsymbol P$ и $\boldsymbol L$ за счёт внеш­ней ме­ха­нич.

ра­бо­ты, но не под­вер­же­ны те­п­ло­об­ме­ну; в замк­ну­тых сис­те­мах стен­ки не­про­ни­цае­мы для час­тиц, так что чис­ло час­тиц $N$ со­хра­ня­ет­ся.

Тер­мо­ди­на­мич. со­стоя­ние сис­те­мы мо­жет быть рав­но­вес­ным или не­рав­но­вес­ным (см. Тер­мо­ди­на­ми­ка не­рав­но­вес­ных про­цес­сов), при­чём в рав­но­вес­ном со­стоя­нии от­сут­ст­ву­ют по­то­ки лю­бых тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ров ме­ж­ду час­тя­ми сис­те­мы, что оз­на­ча­ет их од­но­род­ное рас­пре­де­ле­ние по объ­ё­му. В об­щем слу­чае тер­мо­ди­на­мич.

со­стоя­ние сис­те­мы оп­ре­де­ля­ет­ся ми­ни­маль­но не­об­хо­ди­мым чис­лом па­ра­мет­ров со­стоя­ния (см. Гиб­бса пра­ви­ло фаз), или ко­ор­ди­нат в про­стран­ст­ве не­за­ви­си­мых тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ров (фа­зо­вом про­стран­ст­ве); в про­стей­шем слу­чае это про­стран­ст­во дву­мер­но и вклю­ча­ет, напр., объ­ём $V$ и темп-ру $T$ (или дав­ле­ние $p$).

Из­ме­не­ние во вре­ме­ни тер­мо­ди­на­мич. со­стоя­ния сис­те­мы на­зы­ва­ет­ся тер­мо­ди­на­мич. про­цес­сом, при­чём в рам­ках Т. обыч­но рас­смат­ри­ва­ют­ся об­ра­ти­мые про­цес­сы (как пра­ви­ло, дос­та­точ­но мед­лен­ные), ко­то­рые пред­став­ля­ют­ся кри­вы­ми в фа­зо­вом про­стран­ст­ве. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны по­лит­роп­ные про­цес­сы, при ко­то­рых к.-л.

из тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ров ос­та­ёт­ся по­сто­ян­ным.

Начала термодинамики

Ос­но­вой Т. как нау­ки яв­ля­ют­ся 4 на­ча­ла, имею­щие эм­пи­рич. про­ис­хо­ж­де­ние и до сих пор не по­лу­чив­шие оп­ро­вер­же­ния ни в од­ном на­уч. экс­пе­ри­мен­те. Т. н. ну­ле­вое на­ча­ло Т.

ут­вер­жда­ет су­ще­ст­во­ва­ние со­стоя­ния тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия, ус­та­нав­ли­ва­ет важ­ное свой­ст­во его тран­зи­тив­но­сти и да­ёт воз­мож­ность вве­сти по­ня­тие (эм­пи­рической) темп-ры $t$, а за­тем и аб­со­лют­ной $T$.

Пер­вое на­ча­ло тер­мо­ди­на­ми­ки яв­ля­ет­ся обоб­ще­ни­ем за­ко­на со­хра­не­ния и из­ме­не­ния энер­гии $E$ в ме­ха­ни­ке, где в про­стей­шем слу­чае $dE=δA=–pdV$ (здесь $A$ – ра­бо­та). Имен­но пер­вое на­ча­ло Т.

вво­дит по­ня­тие ма­ло­го ко­ли­че­ст­ва те­п­ло­ты $δQ$, а в даль­ней­шем и эн­тро­пии (сна­ча­ла эм­пи­рич. $σ$ , а за­тем и аб­со­лют­ной $S$) по­сред­ст­вом со­от­но­ше­ния Клау­зиу­са: $δQ=tdσ=ТdS$. Со­глас­но пер­во­му на­ча­лу Т., $dU=δA+δQ=–pdV+ТdS$, где внутр.

энер­гия $U$ и эн­тро­пия $S$ яв­ля­ют­ся функ­ция­ми со­стоя­ния (точ­ки в фа­зо­вом про­стран­ст­ве), то­гда как функ­ций со­стоя­ния $A$ и $Q$ не су­ще­ст­ву­ет – эти ве­ли­чи­ны за­ви­сят от ви­да кон­крет­но­го про­цес­са. Пер­вое на­ча­ло Т. ис­клю­ча­ет су­ще­ст­во­ва­ние веч­но­го дви­га­те­ля 1-го ро­да.

Вто­рое на­ча­ло тер­мо­ди­на­ми­ки име­ет ряд вза­им­но эк­ви­ва­лент­ных ка­че­ст­вен­ных фор­му­ли­ро­вок, имею­щих ха­рак­тер «прин­ци­пов за­пре­та» – напр.

, не­воз­мо­жен про­цесс са­мо­про­из­воль­но­го (спон­тан­но­го) пе­ре­хо­да те­п­ло­ты от ме­нее на­гре­то­го те­ла к бо­лее на­гре­то­му (Дж. Том­сон). Ана­ло­гич­но, не­воз­мо­жен цик­лич. про­цесс пол­но­го пре­вра­ще­ния те­п­ло­ты в ра­бо­ту без к.-л.

из­ме­не­ний в ок­ру­жаю­щей сре­де (М. Планк), что оз­на­ча­ет ис­клю­че­ние воз­мож­но­сти су­ще­ст­во­ва­ния ги­по­те­тич. веч­но­го дви­га­те­ля 2-го ро­да.

В об­щем слу­чае вто­рое на­ча­ло Т. ука­зы­ва­ет на­прав­ле­ние лю­бых не­рав­но­вес­ных и не­об­ра­ти­мых тер­мо­ди­на­мич.

про­цес­сов; его ко­ли­че­ст­вен­ное вы­ра­же­ние име­ет вид не­ра­вен­ст­ва Клау­зиу­са для пол­ной эн­тро­пии: $dS ⩾ δQ/Т$, при­чём знак ра­вен­ст­ва име­ет ме­сто лишь для рав­но­вес­ных об­ра­ти­мых про­цес­сов. Наи­бо­лее про­стой фи­зич.

смысл не­ра­вен­ст­во Клау­зиу­са име­ет для адиа­ба­ти­че­ски изо­ли­ров. сис­те­мы, ко­гда $δQ=0$ и рост эн­тро­пии обу­слов­лен толь­ко внутр. не­об­ра­ти­мы­ми про­цес­са­ми, при­во­дя­щи­ми к вы­рав­ни­ва­нию ин­тен­сив­ных тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ров.

Оче­вид­но, что рав­но­вес­но­му со­стоя­нию изо­ли­ров. сис­те­мы со­от­вет­ст­ву­ет мак­си­мум её внутр. эн­тро­пии. Од­ной из аль­тер­на­тив­ных фор­му­ли­ро­вок вто­ро­го на­ча­ла Т. яв­ля­ет­ся Кар­но тео­ре­ма, со­глас­но ко­то­рой кпд лю­бо­го цик­ла те­п­ло­вой ма­ши­ны не пре­вос­хо­дит кпд Кар­но цик­ла.

Третье на­ча­ло тер­мо­ди­на­ми­ки опи­сы­ва­ет по­ве­де­ние фи­зич. сис­тем вбли­зи аб­со­лют­но­го ну­ля темп-ры. Ка­че­ст­вен­ный смысл это­го на­ча­ла со­сто­ит в не­воз­мож­но­сти дос­тичь это­го зна­че­ния по­сред­ст­вом ко­неч­но­го чис­ла тер­мо­ди­на­мич. про­цес­сов.

Ко­ли­че­ст­вен­но третье на­ча­ло Т. ус­та­нав­ли­ва­ет на­ча­ло от­счёта эн­тро­пии для лю­бой рав­но­вес­ной сис­те­мы: $S→0$ при $Т→0$ (М. Планк, 1911). В бо­лее об­щем случае $S→S_0$, где $S_0=k\ln g_0$, $g_0 ⩾ 1$ – крат­ность вы­ро­ж­де­ния наи­низ­ше­го (основ­но­го) энер­гетич.

уров­ня объ­ек­та, $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на. От­сю­да, в ча­ст­но­сти, сле­ду­ет, что те­п­ло­ём­кость $C=T(dS/dT)→0$ при $Т→0$, так что лю­бая сис­те­ма в пре­де­ле $T→0$ ста­но­вит­ся адиа­ба­ти­че­ски изо­ли­ро­ван­ной, т. е.

прак­ти­че­ски не­спо­соб­ной к даль­ней­ше­му ох­ла­ж­де­нию.

Математический аппарат термодинамики

Для ко­ли­че­ст­вен­но­го ана­ли­за со­стоя­ний и об­ра­ти­мых про­цес­сов в рав­но­вес­ной Т. раз­ра­бо­тан ме­тод по­тен­циа­лов тер­мо­ди­на­ми­че­ских, ко­то­рые яв­ля­ют­ся функ­ция­ми со­стоя­ния. К чис­лу этих по­тен­циа­лов от­но­сит­ся внутр. энер­гия $U$ как функ­ция объ­ё­ма $V$ и эн­тро­пии $S$, а так­же эн­тро­пия $S$ как функ­ция объ­ё­ма $V$ и внутр.

энер­гии $U$; наи­бо­лее упот­ре­би­тель­ным по­тен­циа­лом яв­ля­ет­ся сво­бод­ная энер­гия $F$ как функ­ция объ­ё­ма $V$ и темп-ры $Т$. Все тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­лы рав­но­цен­ны, т. к. ме­ж­ду ни­ми су­ще­ст­ву­ют диф­фе­рен­ци­аль­ные со­от­но­ше­ния; их вы­чис­ле­ние тре­бу­ет за­да­ния мо­де­ли объ­ек­та и яв­ля­ет­ся пред­ме­том ста­ти­сти­че­ской фи­зи­ки.

Пер­вые про­из­вод­ные лю­бо­го тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­ла да­ют урав­не­ния со­стоя­ния фи­зич. сис­те­мы (ка­ло­рич. и тер­ми­че­ское), вто­рые про­из­вод­ные – тер­мо­ди­на­мич.

вос­при­им­чи­во­сти, к чис­лу ко­то­рых от­но­сят­ся те­п­ло­ём­кость (при по­сто­ян­ном объ­ё­ме или дав­ле­нии) и сжи­мае­мость – изо­тер­ми­че­ская (при по­сто­ян­ной темп-ре) и адиа­ба­ти­че­ская (при по­сто­ян­ной эн­тро­пии). Ме­ж­ду зна­че­ния­ми вос­при­им­чи­во­стей су­ще­ст­ву­ют со­от­но­ше­ния сим­мет­рии (т. н.

со­от­но­ше­ния Мак­свел­ла), обу­слов­лен­ные тем, что все тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­лы яв­ля­ют­ся функ­ция­ми со­стоя­ния. Тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­лы по­зво­ля­ют дать бо­лее удоб­ную фор­му­ли­ров­ку ус­ло­вий тер­мо­ди­на­мич.

рав­но­ве­сия – ме­ха­ни­че­ско­го ($p=p_0$) и те­п­ло­во­го ($T=T_0$) (ин­декс «0» от­но­сит­ся к па­ра­мет­рам ок­ру­жаю­щей сре­ды), а так­же ус­той­чи­во­сти это­го рав­но­ве­сия, тре­бую­щей по­ло­жи­тель­но­сти всех тер­мо­ди­на­мич. вос­при­им­чи­во­стей. Раз­ви­тие ме­то­да тер­мо­ди­на­мич.

по­тен­циа­лов при­во­дит к ко­ли­че­ст­вен­но­му опи­са­нию тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия не толь­ко для од­но-, но и для мно­го­фаз­ных фи­зич. сис­тем; напр., кри­вая фа­зо­во­го рав­но­ве­сия двух фаз оп­ре­де­ля­ет­ся Кла­пей­ро­на – Клау­зиу­са урав­не­ни­ем.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/4189038

Основные формулы термодинамики

Термодинамика

В термодинамике изучают самые общие законы и физические процессы преобразований внутренней энергии. При этом считается, что любое материальное тело имеет тепловую энергию $U$, которая зависит от его температур.

Перед тем, как рассмотреть основные термодинамические формулы необходимо дать определение термодинамике.

Определение 1

Термодинамика — это обширный раздел физики, который исследует и описывает процессы, происходящие в системах, а также их состояния.

Указанное научное направление опирается на обобщенные факты, которые были получены опытным путем. Происходящие в термодинамических концепциях явления описываются посредством использования макроскопических величин.

В их список входят такие параметры, как:

  • давление;
  • температура;
  • концентрация;
  • энергия;
  • объем.

К отдельным молекулам данные параметры неприменимы, а сводятся к детальному описанию системы в общем ее виде.

Много решений, которые основаны на термодинамических законах, можно встретить в сфере электроэнергетики и тепловой техники.

Что и свидетельствует о понимании фазовых переходов, химических процессов и явлений переноса. В некотором роде термодинамика тесно “сотрудничает” с квантовой динамикой.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Уравнение идеального газа в термодинамике

Рисунок 1. Работа в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 2

Идеальный газ – это некая идеализация, такая же, как и материальная точка.

Молекулы такого элемента являются материальными точками, а соударения частиц – абсолютно упругие и постоянные. В задачах по термодинамике реальные газы зачастую принимаются за идеальные. Так гораздо легче составлять формулы, и не нужно иметь дела с огромным количеством новых величин в уравнениях.

Итак, молекулы идеального газа движутся, а вот чтобы узнать с какой скоростью и массой, необходимо использовать уравнение состояния идеального газа, или формулу Клапейрона-Менделеева: $PV = \frac{m}{M}RT$. Здесь $m$ – масса исследуемого газа, $M$ – его изначальная молекулярная масса, $R$ – универсальная постоянная, равная 8,3144598 Дж/(моль*кг).

В этом аспекте массу идеального газа также можно вычислить, как произведение объема и плотности $m = pV$. Существует некая связь между средней кинетической энергией $E$ и давлением газа.

Эта взаимосвязь называется в физике основным уравнением молекулярно-кинетической теории и имеет вид: $p = \frac{2}{3}nE$, где $n$ – концентрация движущихся молекул по отношению к общему объему, $E$ – коэффициент средней кинетической энергии.

Первое начало термодинамики. Формулы для изопроцессов

Рисунок 2. Уравнение состояния идеального газа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Первый термодинамический закон гласит: количество внутренней теплоты, переданное газу, идёт только на изменение общей энергии газа $U$ и на совершение веществом работы $A$. Формула первого начала термодинамики записывается так: $Q = ΔU + A$.

как известно, с газом в системе всегда что-то происходит, ведь его можно сжать или нагреть. В данном случае необходимо рассмотреть такие процессы, которые протекают при одном стабильном параметре. Первое начало термодинамики в изотермическом случае, который протекает при постоянной температуре, задействует закон Бойля-Мариотта.

В результате изотермического процесса давление газа обратно пропорционально его изначальному объёму: $Q = A.$

Изохорный – наблюдается при постоянном объеме. Для этого явление применим закон Шарля, согласно которому, давление прямо пропорционально общей температуре. В изохорном процессе все подведенное к газу тепло идет на изменение его внутренней энергии и записывается в таком виде: $Q = ΔA.$

Изобарный процесс – происходит при постоянном давлении. Закон Гей-Люссака предполагает, что при неизменном давлении идеального газа его начальный объём прямо пропорционален итоговой температуре. При изобарном процессе тепло идет на совершение газом работы и на изменение внутреннего энергетического потенциала: $Q = \Delta U+p\Delta V.$

Формула теплоемкости и главная формула КПД в термодинамике

Рисунок 3. Количество теплоты. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Удельная теплоемкость в термодинамической системе всегда равна количеству теплоты, которое выделяется для нагревания одного килограмма действующего вещества на один градус Цельсия.

Уравнение теплоемкости записывается таким образом: $c = \frac{Q}{m\Delta t}$. Помимо указанного параметра, существует и молярная теплоемкость, которая работает при постоянном объеме и давлении.

Ее действия видно в следующей формуле: $C_v = \frac {i}{2}R$ где $i$ – количество степеней свободы молекул газа.

Тепловая машина, в самом простейшем случае, состоит из холодильника, нагревателя и рабочего материального тела. Нагреватель изначально сообщает тепло физическому веществу и совершает определенную работу, а затем постепенно охлаждается холодильником, и все повторяется по кругу. Типичным примером тепловой машины выступает двигатель внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия теплового устройства вычисляется по формуле: $n = \frac {Q_h-Q_x }{Q_h }.$

При изучении основ и уравнений термодинамики следует понять, что на сегодняшний день существует два метода описания физических процессов, происходящих в макроскопических материальных телах: статистический и термодинамический.

Методы термодинамики и ее формулы позволяет раскрыть и описать смысл экспериментальных закономерностей в виде закона Менделеева-Клапейрона.

Важно понять, что в термодинамических концепциях, в отличие от систем молекулярной физики, не изучаются конкретные взаимодействия, происходящие с определенными молекулами или атомами, а рассматривается постоянные взаимопревращения и связь разнообразных видов теплоты, энергии и работы.

Уравнение состояния и его функции

Рисунок 4. Термодинамические уравнения состояния. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

При исследовании макросостояний применяются функции состояния, которые предполагают показатель, демонстрирующий определённые состояния термодинамического равновесия, независящий от предыстории концепции и метода её перехода в абсолютное состояние.

Основными функциями состояния при грамотном построении термодинамики являются:

  • внутренняя энергия;
  • энтропия;
  • температура;
  • термодинамические потенциалы.

Однако функции состояния в термодинамики не являются полностью независимыми, и для однородной системы любой термодинамический принцип может быть записан как выражение двух самостоятельных переменных. Такие функциональные взаимосвязи называются уравнениями общего состояния.

На сегодняшний день различают такие виды уравнений:

  • термическое уравнение состояние — определяющее связь между давлением, температурой и объёмом;
  • калорическое уравнение — выражающее внутренний энергетический потенциал, как функцию от объёма и температуры;
  • каноническое уравнение состояние — записываемое в качестве термодинамического потенциала в соответствующих переменных.

Знание уравнения состояния очень важно для использования на практике общих принципов термодинамики. Для каждой конкретной термодинамической концепции такие выражения определяются из опыта или способами статистической механики, и в пределах термодинамики оно считается заданным при изначальном определении системы.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/osnovnye_formuly_termodinamiki/

Термодинамика для

Термодинамика

В продолжение нашего курса «Физика для чайников» начнем рассматривать основы такого важнейшего раздела как термодинамика.

Активное развитие термодинамики началось в девятнадцатом веке. Именно тогда люди начали строить первые паровые машины, а потом активно внедрять их в производство.

Началась промышленная революция, и, естественно, всем хотелось увеличить коэффициент полезного действия машин, чтобы произвести больше продукции, доехать подальше и в конце-концов получить больше денег.

Все это очень хорошо стимулировало развитие науки и наоборот.  Но давайте ближе к сути вопроса.

Парогенераторная прожекторная установка

Термодинамика – раздел физики, изучающий макроскопические системы, их наиболее общие свойства, способы передачи и превращения энергии в таких системах.

Что такое макроскопические системы? Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, баллон с газом или воздушный шар.

Описание таких систем методами классической механики просто невозможно – ведь мы не можем измерить скорость, энергию и другие параметры каждой молекулы газа в отдельности. Тем не менее, поведение всей совокупности частиц подчиняется статистическим закономерностям.

По сути любой видимый нами (невооруженным глазом) предмет может быть определен как термодинамическая система.

Термодинамическая система

Термодинамическая система – реально или мысленно выделяемая макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц, не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц. Соответственно, для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, не относящиеся к каждой частице, но описывающие систему целиком. Это  температура, давление, объем, масса системы и проч.

Важно отметить, что термодинамические системы могут быть замкнутыми и незамкнутыми. Замкнутая система – это такая система, которую при помощи реальной или воображаемой оболочки оградили от окружающей среды, при этом количество частиц в системе остается постоянным.

Замкнутая система

Система может находится в разных состояниях. Например, мы взяли баллон с газом и начали его нагревать.

Тем самым мы изменили  энергию молекул газа, они стали двигаться быстрее, и система перешла в какое-то новое состояние с более высокой температурой.

Но что будет, если систему оставить в покое?  Тогда система через какое-то время придет в состояние термодинамического равновесия.

Что это значит?

Термодинамическое равновесие – это состояние системы, в котором ее макроскопические параметры (температура, объем и др.) остаются неизменными с течением времени.

Термодинамика стоит на трех своих столпах. Существуют три основных постулата или три закона термодинамики.  Они называются соответственно первым, вторым и третьим началами термодинамики. Рассмотрим первое начало или первый закон термодинамики.

Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики гласит:

В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

К слову, у данного постулата есть еще несколько эквивалентных формулировок. Приведем их ниже:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).

Запишем также математическое выражение первого начала термодинамики:

Здесь Q — количество теплоты, дельта U — изменение внутренней энергии, A — работа против внешних сил. Для различных термодинамических процессов в силу их особенностей запись первого начала будет выглядеть по-разному.

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.

Если никто не пытался найти скатерть-самобранку, то вечный двигатель пытались изобрести очень много раз. На протяжении веков разные люди спрашивали себя: как построить вечный двигатель? Согласно историческим записям первым такую попытку предпринял в двенадцатом веке некий индийский ученый.

Затем было еще множество попыток, в том числе плотно занимался вопросом и Леонардо да Винчи. Наконец, в девятнадцатом веке светлые головы Германа Гельмгольца и Джеймса Джоуля сформулировали первое начало динамики и подтвердили его опытами,  чем развеяли все сомнения.

В помощь также статья, о том, как делать презентацию в ворде и powerpoint.

Вечный двигатель Леонардо да Винчи

Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир. Об этом говорят нам законы термодинамики.

Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил).

Иными словами, если работа совершается без  внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия.

Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма.  Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии). Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем.

Энергия и ее формы

Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике нашим авторам, пока сами занимаетесь  более приятными делами.

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/termodinamika-dlya-chajnikov-pervoe-nachalo-ili-pochemu-nevozmozhno-postroit-vechnyj-dvigatel/

Booksm
Добавить комментарий