Краткий конспект по разделу "Основы термодинамики"

Основы термодинамики

Термодинамика – раздел физики, изучающий тепловые процессы  без учета молекулярного строения тел.

Главная задача  термодинамики – изучить связи и взаимопревращения  различных видов энергий.

Термодинамическая система – это любое макроскопическое тело, состоящее из множества частиц . Например, находящийся в баллоне газ, жидкость в сосуде , атмосфера планеты , звезда, солнечная корона, ядро кометы являются термодинамической системой, состояние каждой системы  характеризуется определенными значениями макроскопических параметров : давлением(р) , объемом (V), температурой(Т).

Любая термодинамическая система обладает внутренней энергией . Она представляет собой кинетическую энергию беспорядочного движения молекул и потенциальную энергию их взаимодействия.

1.Вычисление внутренней энергии идеального  одноатомного газа.

Одноатомный газ – это газ, состоящий из отдельных атомов – гелий (Не), неон (Ne), аргон (Ar). Кислород и водород в обычном состоянии образует молекулы Hи O, поэтому одноатомным не является. Идеальный одноатомный газ можно рассматривать как материальные точки, взаимодействие между которыми столь мало, что им можно пренебречь, а соответственно  потенциальная энергия взаимодействия молекул будет пренебрежимо мала.

Поэтому для идеального одноатомного газа  его внутренняя энергия представляет собой сумму кинетических энергий  всех молекул  этого газа. Пусть N –  общее число молекул в газе, кинетическая энергия одной молекулы  равна Ек = , где  k – постоянная Больцмана, тогда внутреннюю энергию газа  можно найти по формуле :

U = N ∙ Eк = N ∙.(1)

Число молекул  определяется выражением : N = ν∙NА, где  ν =, тогда N = (2)

Подставим выражение (2) в (1) получим : U = , где R –универсальная газовая постоянная, равная  8, 31 .

Внутренняя энергия  идеального газа определяется его термодинамической температурой.  U =

2. Практическое значение внутренней энергии

За счет внутренней энергии топлива работают паровые турбины электростанций, совершают работу двигатели  автомобилей, теплоходов, за счет внутренней энергии продуктов сгорания  осуществляется жизнедеятельность человека  и всех животных..

3. Работа в термодинамике

  Во всех процессах, происходящих в природе выполняется закон сохранения энергии : энергия не исчезает и не возникает, она лишь превращается из одного вида в другой и переходит от одного тела к другому.

Рассмотрим процесс изменения внутренней энергии  тела при совершении  над ним механической работы. Так как внутренняя энергия  зависит от температуры , то по изменению температуры  можно судить об изменении внутренней энергии тела.

Древние люди, как известно, добывали огонь быстрым трением сухих кусков дерева друг о друга . М.В .Ломоносов , проведя простые опыты, пришел к выводу, что « тепло возбуждается движением : руки от взаимного трения нагреваются , дерево загорается, искры вылетают при ударе кремния о сталь, железо нагревается при ковке  сильными ударами».Наблюдая за этими явлениями, люди нашли им практическое применение : появились спички.

О том, что при сверлении отверстия  в куске металла возникает теплота , знали многие. Но только Б.Румфорд в 1798 г, занимаясь сверлением пушечных стволов в военной мастерской Мюнхена  , заметил, что температура металлического ствола очень сильно повышалась  и провел любопытный эксперимент. Он помещал металлический цилиндр массой около 50 кг в ящик с водой и, сверля цилиндр, доводил воду в ящике до кипения за 2,5 часа.

Английский ученый Дэви в1799 г. провел в Лондоне следующий опыт: поместил два куска льда в сосуд при температуре окружающей среды равной 0 С и, из которого был выкачан воздух и привел их во вращение  с помощью часового механизма .Куски таяли и превращались в воду. Корабельный врач Р.Майер  в1840 г во время плавания на остров Яву заметил, что во время шторма  вода в море становится теплее.

Явление превращения  механической энергии во внутреннюю  не всегда играет положительную роль. Например, при торможении поезда тормозные колодки  сильно  нагреваются , при спуске корабля на воду  стапеля смазываются  , но нагревание бывает столь велико, что смазка иногда загорается. Для защиты от нагревания в атмосфере  возвращающихся на Землю искусственных спутников на них устанавливают специальную защиту, а мелкие метеориты  сгорают в атмосфере полностью.

Работа газа при изобарном расширении равна произведению давления газа на изменение его объема.  A = p ∆V

При расширении газ совершает положительную работу, т.к V≥V=>V-V>O и A>O.

При сжатии газа V< V=> V- V<O и A<O.

Работа, совершаемая внешними силами над газом, отличается  только знаком  A= -A.

По третьему закону Ньютона сила, действующая на поршень со стороны газа, равна силе, действующей со стороны поршня на газ F= -F .(рис 1), тогда A = -A = - р∆V.

.(Рис 1)

4. Количество теплоты.

Изменить внутреннюю энергию тела можно без совершения работы с помощью нагревания. Если  поршень закрепить и нагревать газ  с помощью горелки, то его           температура и внутренняя энергия будут возрастать. В этом случае говорят, что системе

                                            передано некоторое количество теплоты (Q)(рис2)

                                            При теплообмене   происходит передача энергии

                                             от быстродвижущихся молекул горячего тела медленно

                                              движущимся молекулам холодного тела.

                                              Для нагревания тела массой m  от начальной температуры tдо

                                             конечной  температуры t ему необходимо передать кол-во

                                             теплоты    Q = cm( t- t ) , где с – удельная теплоемкость

                                             вещества? , численно равная количеству теплоты , которое

            Рис 2.                        получает или отдает  1 кг вещества  при изменении его

                                             температуры на 1 К. Ее значение  для каждого вещества

                                             постоянно и находится по таблице удельных теплоемкостей. 

                                             Например, удельная теплоемкость воды равна с=4200 

При переходе вещества из твердого состояния в жидкое для разрушения его кристаллической решетки  требуется количество теплоты  Q = m , где   - удельная теплота  плавления. Это энергия , необходимая для превращения 1 кг кристаллического вещества , взятого при температуре плавления , в жидкость при той же температуре. Ее значение  находится по таблице.

Например, удельная теплота плавления льда равна 3,35 ∙ 10 .

При   испарении жидкости  массой m , взятой при температуре кипения,  для преодоления сил взаимодействия между молекулами жидкости требуется количество теплоты

  Q = r m , где r – удельная теплота парообразования . Это количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар, взятой при температуре кипения. Значение r  для различных жидкостей находится по таблице. Например, удельная теплота парообразования воды равна 2,3 ∙ 10 . 

В случае обратных процессов : охлаждении, кристаллизации, конденсации  выделяющееся в каждом процессе количество теплоты находится по формулам :

Q = cm( t- t ) ,  Q < 0 ,т.к при охлаждении t<  t и t - t < 0

Q = - ( при кристаллизации энергия выделяется)

Q = - r m    ( при конденсации энергия выделяется)

5.Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики – это закон сохранения  и превращения энергии в тепловых процессах, который был установлен в середине 19 века. Немецкий ученый Р.Майер высказал теоретические предположения  закона, английский ученый Д.Джоуль провел экспериментальные исследования  , а немецкий ученый Г.Гельмгольц придал закону математическую форму:

∆U = Q + A

Изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое  равна сумме количества теплоты , переданной системе и работы внешних сил.

Первый закон термодинамики отвечает на вопрос : каким способом или способами можно изменить внутреннюю энергию системы. В общем случае внутреннюю энергию системы можно изменить путем передачи ей некоторого количества теплоты и совершения над системой механической работы (рис1).

Если газ сам совершает работу A при расширении, он расходует свою внутреннюю энергию, поэтому  первый закон термодинамики записывается иначе:

                                                   ∆U = Q - A 

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно азности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A¹, совершенной системой над внешними телами.

Таким образом ,работа и количество теплоты – это величины, которые определяют изменение внутренней энергии   термодинамической системы.

 Невозможно отличить, каким способом была изменена  внутренняя энергия тела, если не было визуального наблюдения  за процессом. Зажженная спичка о коробок  не отличается от спички, зажженной от свечи.