Читайте также:
|
Термодинамика занимается изучением тепловых свойств макроскопических тел и явлений природы, не интересуясь их микроскопической природой в отличие от молекулярно - кинетической теории. В термодинамике обычно рассматривается некоторая термодинамическая система, иногда называемая просто телом. Состояние термодинамической системы описывается тремя термодинамическими параметрами: давлением 
, объемом 
и температурой Т. Состояние системы может быть охарактеризовано и одной физической величиной- энергией. Поэтому термодинамику рассматривают еще как раздел физики, изучающей энергию, ее превращения и способы передачи ее от одной системы к другой.
Первое начало термодинамики. Существует такой опытный факт: все тепло, сообщенное системе, идет на приращение ее внутренней энергии 
и на совершение ею работы 
против внешних сил. Это формулировка первого начала термодинамики.
Математическая запись первого начала в случае бесконечно малых изменений имеет вид
, (6.1)
где 
- тепло, сообщенное системе, - изменение внутренней энергии, - работа.
Рассмотрим подробно все величины, входящие в формулу (6.1).
а)Внутренняя энергия системы- это полная энергия всех микрочастиц (атомов, молекул и электронов), составляющих систему, т.е. сумма кинетической энергии теплового движения (поступательного и вращательного) и потенциальной энергии взаимодействия между частицами. Внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. каждому состоянию соответствует определенное значение внутренней энергии.
б) Работа. При расширении газа элементарная работа, которую он совершает при перемещении поршня на бесконечно малое расстояние 
, равна
,
где 
- сила, действующая со стороны газа на поршень. Если - давление газа, а 
- площадь поршня, то 
и тогда
.
Произведение 
равно, очевидно, увеличению объема 
газа, поэтому
. (6.2)
Работу, совершаемую газом при расширении его объема от 
до 
вычислим, интегрируя последнее выражение
. (6.3)
в) Теплота, как и работа, существует только в процессе теплопередачи. В термодинамике не может быть и речи о теплоте, когда нет процесса теплопередачи. Теплота - микроскопическая форма передачи энергии. В первом начале термодинамики изменение внутренней энергии будем обозначать через 
, а теплоту и работу через 
и 
, т.к. они не являются полными дифференциалами.
Число степеней свободы – это число независимых координат, которые полностью определяют положение системы в пространстве. Одноатомный газ можно рассматривать как материальную точку, имеющую три степени свободы поступательного движения. Молекула двухатомного газа кроме трех степеней свободы поступательного движения имеет еще две степени свободы вращательного движения, поэтому общее число степеней свободы двухатомного газа 
. Трехатомная молекула имеет шесть степеней свободы.
Закон равномерного распределения энергии молекул по степеням свободы гласит, что все степени свободы системы, описываемой классической механикой, энергетически равноправны. На одну степень свободы распределяется 
энергии.
Внутренняя энергия идеального газа. Внутренняя энергия одного моля идеального газа равна
, (6.4)
внутренняя энергия любой массы газа равна
, (6.5)
где М – молярная масса, 
- число молей, 
- число степеней свободы.
Адиабатический процесс. Адиабатическим процессом называется процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой (
). Быстропротекающие процессы можно считать адиабатическими процессами. Уравнение адиабаты:
, или (6.6)
можно записать 
, где γ= 
.
Полученное уравнение адиабатического процесса называется уравнением Пуассона.
Для перехода к переменным 
или 
необходимо с помощью уравнения состояния газа (
) исключить соответственно температуру или объем
или 
. (6.7)
Обратимые и необратимые тепловые процессы. Круговой процесс (цикл)
Необратимый процесс - это процесс, который нельзя провести в обратном направлении без тех или иных изменений либо в самой системе, либо во внешних телах. Примером необратимого процесса является передача теплоты от нагретого тела к холодному. Необратим любой процесс, если он сопровождается трением, расширением газа в вакуум.
Чтобы получить непрерывно действующую тепловую машину необходимо иметь нагреватель (тело с более высокой температурой Т1), и холодильник (тело с более низкой температурой Т2), причем температура нагревателя и холодильника в процессе работы теплового двигателя остаются постоянными (рис. 6.1).
| При наличии таких двух тел процесс превращения тепла в работу может быть представлен так: способное расширяться рабочее тело приводится в контакт с нагревателем. Полученная от нагревателя теплота  затрачивается на работу расширения А1. Далее рабочее тело приводится в контакт с холодильником, которому оно отдает теплоту  за счет работы А2, совершаемой внешними силами над рабочим телом. Не все полученное извне тепло превращается в работу. КПД тепловой машины
|
| Рис. 6.1 |  (6.8)
|
Если бы машина работала без холодильника (
), то 
, т.е. все полученное тепло превращалось бы в работу. Но это невозможно согласно II началу термодинамики: невозможен такой двигатель, который бы все полученное тепло превращал в работу. Или: невозможны такие процессы, единственным, конечным результатом которых был бы переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому. Обе формулировки эквивалентны. Цикл Карно
Работа Карно была вызвана необходимостью применения тепловых машин на практике. С помощью цикла Карно (рис 6.2.) было найдено выражение для максимально возможного кпд тепловой машины, работающей в заданном интервале температур.
Коэффициент полезного действия цикла Карно
. 
(6.9)
Энтропия. II начало термодинамики. Энтропия - есть такая однозначная функция состояния системы, элементарное изменение которой при равновесном переходе системы из одного состояния в другое равно полученному или отданному количеству теплоты, деленному на температуру, при которой произошел этот процесс. Для бесконечно малого изменения состояния системы изменение энтропии:
. (6.10)
Утверждение о том, что энтропия изолированной (т.е. предоставленной самой себе) системы может только возрастать, а при достижении максимального значения оставаться постоянной носит название закона возрастания энтропии или II начала термодинамики.
Осн. 1[250-266, 269-307], 5 [121-124], 6 [81-88].
Доп. 22 [123-137]
Контрольные вопросы:
1. Напишите уравнения изопроцессов?
2. Какие знаете формулировки второго начала термодинамики?
3. Может ли энтропия убывать в ходе необратимого процесса?
Реальные газы
Осн. 1 [308-325], 5 [141-152], 6 [119-125, 143-146].
Контрольные вопросы:
1. Какие величины, которыми пренебрегают, рассматривая идеальные газы, учитывает уравнение Ван-дер-Ваальса?
2. От каких параметров состояния зависит внутренняя энергия ван-дер-ваальсовского газа?
3. Могут ли существовать в равновесии вода, ее пар, и две кристаллические модификации льда?
Дата добавления: 2015-01-30; просмотров: 78 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Фискальная политика. Государственный бюджет | | | Лекция № 7 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ |