Основы термодинамики

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...

2015-01-10

40.26 KB

9 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Лекция № 6    Основы термодинамики

 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  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.  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?


Рис.
6.2



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
7147. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 548.6 KB
  В реальных же газах учитываются силы притяжения между молекулами а молекулы имеют объем. Если реальные газы сильно разряжены их свойства близки к свойствам идеального газа. В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение свойств идеального газа на все рассматриваемые газы. Параметрами состояния газа называются величины характеризующие данное состояние газа.
7004. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 883.12 KB
  Молекулярная физика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода
8466. Второй закон термодинамики 202.65 KB
  Цикл Карно: диаграммы цикла Карно; КПД цикла Карно; КПД реальных тепловых машин; теоремы Карно; обратный цикл Карно; холодильные машины; коэффициент преобразования. Её называют машиной Карно или циклом Карно. В машине Карно – цилиндр с поршнем. В машине Карно цилиндр с поршнем но без клапанов так что во всех цилиндрах многократно используется одно и то же вещество.
8438. Первое начало термодинамики 151.16 KB
  Внутренняя энергия тела слагается из кинетической энергии поступательного и вращательного движения молекул кинетической и потенциальной энергии колебательного движения атомов в молекулах потенциальной энергии взаимодействия между молекулами и внутримолекулярной энергии внутриядерной. Внутренняя энергия термодинамической системы тел слагается из внутренней энергии взаимодействия между телами и внутренней энергии каждого тела. Работа термодинамической системы над внешними телами заключается в изменении состояния этих тел и определяется...
9170. Термодинамическая картина мира. Второе начало термодинамики 43.38 KB
  Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым. Энтропия таким образом характеризует состояние системы. Действительно так же как каждому уровню высоты над поверхностью Земли отвечает своя потенциальная энергия так и каждому состоянию термодинамической системы отвечает своя энтропия. Как работа в поле тяжести потенциальном поле не зависит от вида пути а зависит только от изменения...
10647. Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики 110.11 KB
  Биология – это наука о живой природе объекты которой неизмеримо сложнее неживых. В этом определении нет разграничения живой и неживой природы. Она не сводится к использованию физических методов или приборов в биологических экспериментах. Медицинский термометр электрокардиограф томограф микроскоп – физические приборы но биолог или врач использующие эти устройства не занимаются биофизикой.
384. Биоэнергетика. Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики 206.82 KB
  Тема: Биоэнергетика Вопросы: Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики. Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики.
3779. Основы геоинформатики 31.41 KB
  В учебно-методическом пособии изложены программа дисциплины, варианты контрольных заданий, темы практических занятий, вопросы к зачету, рекомендуемая литература, приведены примеры выполнения и требования к оформлению контрольных работ.
4449. Логические основы ЭВМ 40.08 KB
  Основы математической логики; логические законы. Основные логические элементы; логические схемы. Полусумматор, сумматор. Триггер.
10320. Основы менеджмента 86.1 KB
  Организация – это открытая система взаимодействующих и управляемых частей подразделений людей и т. Управление – это процесс распределения и движения пяти видов ресурсов в организации с заранее заданной целью по заранее разработанному стратегическому плану с непрерывным контролем результатов работ. Адаптивное управление – это приспосабливающееся к новой обстановке окружающей среде управление с изменением планов и моделей в зависимости от складывающейся ситуации. Существуют так называемые уровни управления – это уровни в дереве иерархии.
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.