Основы термодинамики. Термодинамика (ТД)- раздел физики, изучающий свойства физических систем

Термодинамика (ТД) - раздел физики, изучающий свойства физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

Термодинамическая система -совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и внешней средой посредством теплообмена.

Макроскопические параметры -величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел (p, V,Т);

Теплообмен (теплопередача) - процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым.

Виды теплообмена: конвекция, теплопроводност ь, тепловое излучение.

● конвекция -перенос энергии потоками жидкости или газа;

● теплопроводность -непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела;

● тепловое излучение -электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет расхода собственной внутренней энергии; тепловое излучение присуще газам, жидкостям и твердым телам;

Температура - физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела;

● с точки зрения ТД - температура является величиной, характеризующей направление теплообмена;

● с точки зрения молекулярно-кинетической теории (МКТ) - температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул идеального газа.

Первый закон термодинамики -количество теплоты Q, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии ΔU системы и на совершение системой механической работы A

Изменение внутренней энергии -в ТД процессе изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера этого процесса

Внутренняя энергия U [Дж]	➨ сумма кинетической энергии теплового движения молекул (атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия.
● внутренняя энергия одноатомного идеального газа	➨ равна сумме средних кинетических энергий поступа-тельного движения молекул, составляющих газ: ( ; )
● изменение внутренней энергии		➨ в ТД процессе изменение внутренней энергии идеаль-ного газа определяется только изменением его темпера-туры и не зависит от характера этого процесса.
● cпособы изменения внутренней энергии	➨ 1) теплообмен (нагревание или охлаждение газа); 2) совершение работы (сжатие или расширение газа).
Количество теплоты Q [Дж]	➨ мера изменения внутренней энергии тел при теплообмене; ➨ калория – внесистемная единица количества теплоты: 1 кал = 4,1868 Дж; 1 ккал = 4186,8 Дж
● теплоемкость вещества	➨ физическая величина, численно равная количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить телу для нагревания его на один градус (1^0С или 1 К).
● удельная теплоемкость вещества	➨ количество теплоты Q, подводимое к веществу массой 1 кг для изменения его температуры на один градус (1^0С или 1 К); ➨одно и то же вещество, находящееся в разных агрегат-ных состояниях, имеет разную удельную теплоемкость, например, сльда=2100 Дж/кг·К; своды=4200 Дж/кг·К
● теплота нагревания охлаждения	► с – удельная теплоемкость вещества; - масса вещества; ► формула справедлива в пределах одного агрегатного состояния вещества;
● молярная теплоемкость	➨ количество теплоты, подводимое к одному молю вещества для изменения его температуры на один градус(1^0С или 1 К);
● закон сохранения количества теплоты (уравнение теплового баланса)	➨ в процессе теплообмена количество теплоты, отдаваемое телами с более высокой температурой, равно количеству теплоты , которое получают тела с более низкой температурой;
● пример уравнения теплового баланса с1m1(T1- ) = с2m2( -T2)	➨ описывает состояние теплового равновесия двух тел с удельной теплоемкостью, массой и начальной температурой с1,m1,T1 и с2,m2,T2 соответственно и установившейся промежуточной общей температурой (Т1> >Т2).
Работа в термодинамике	➨ находящийся в сосуде газ оказывает на поршень площадью S давление р=F/S, под действие которого поршень перемещается на расстояние , изменяя объем газа на и совершая работу .
● знак работы	работа положительная при расширении газа ; работа отрицательная при сжатии газа ; работа равна нулю, если объем газа не изменялся с течением времени.
Работа в изопроцессах:
● изотермический процесс	➨ или
● изобарный процесс	➨
● изохорный процесс	➨ А=0
Графическое изображение работы
Закон сохранения энергии в тепловых процессах	➨ во всех процессах, происходящих в природе, энергия не исчезает и не создается, а переходит от одного тела к другому и превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах.
Первый закон термодинамики	➨ количество теплоты Q, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии ΔUсистемы и на совершение системой механической работы A.
● вечный двигатель первого рода	➨ нельзя построить периодически действующий двига-тель, который совершал бы работу большую, чем та энер-гия, которая подводится к двигателю извне.
Применение первого закона ТД к изопроцессам:
● изотермический процесс	➨ = или Q=
● изобарный процесс	➨
● изохорный процесс	➨
● адиабатный процесс	➨
Необратимость тепловых процессов	➨ необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направ-лении – от горячего тела к холодному; в обратном направ-лении они могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Все реальные процессы – необратимые, протекают с невосполнимой потерей энер-гии на нагрев окружающей среды, преодоление сил трения.
Второй закон термодинамики	➨ исторически открытие второго закона ТД было связано с изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин, проведенным французским ученым С. Карно. Позднее Клаузиус и Кельвин предложили различные по виду, но эквивалентные формулировки второго закона ТД.
● формулировка Клаузиуса	➨ невозможен круговой процесс, единственным результа-том которого является передача теплоты от менее нагре-того тела к более нагретому;
● формулировка Кельвина	➨ невозможен круговой процесс, единственным результа- том которого является превращение теплоты, получен-ной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.
● вечный двигатель второго рода	➨ невозможно построить периодически действующую ма-шину, которая целиком превращала бы в работу теплоту, извлекаемую из окружающих тел (океана, атм. воздуха).
Статистическое обоснование второго закона ТД	➨ второй закон термодинамики является статистическим законом и описывает закономерности хаотического дви-жения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему.
Круговой процесс (цикл)	➨ термодинамический процесс, в результате совершения которого рабочее тело возвращается в исходное состояние; ➨ на диаграммах состояния p-V, p-T и др. изображаются в виде замкнутых кривых; ➨ круговые процессы являются физической основой ра-боты тепловых двигателей;
● прямой цикл	➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу за счет сообщенной ему теплоты; ➨ на диаграмме прямой цикл изображен замкнутой кривой, которая обходится по часовой стрелке ();
● обратный цикл	➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу, т.е. над рабочим телом совершается и от него отводится равное количество теплоты; ➨ на диаграмме обратный цикл изображен замкнутой кри-вой, которая обходится против часовой стрелки ();
Тепловой двигатель .	➨ периодически действующая машина, совершающая меха-ническую работу за счет получаемого извне количества теплоты; ➨ периодичность заключается в многократном повторе-нии одного и того же рабочего цикла – после расширения следует сжатие газа; ➨ реальные тепловые двигатели работают по разомкну-тому циклу: после расширения газ выбрасывается и сжи-мается новая порция; цикл может быть замкнутый, тогда расширяется и сжимается одна и та же порция газа;
● устройство теплового двигателя	➨ Рабочее тело - газ или пар – при расширении совершает работу. Нагреватель имеет температуру Т1и передает количество теплоты Q1рабочему телу. При сжатии рабочее тело передает холодильнику количество теплоты Q2; температура холодильника Т2 меньше температуры нагревателя Т1; роль холодильника часто играет атмосфера. Из закона сохранения энергии следует, что работа, совершаемая тепловой машиной за один цикл, равна:
● КПД теплового двигателя	➨ отношение работы А,совершенной тепловым двигателем, к количеству теплоты Q1, полученному от нагревателя.
● идеальный тепловой двигатель	➨ двигатель, не имеющий потерь на механическое трение и работающий по особому круговому циклу, называемому циклом Карно.
Цикл Карно Изотермы - 1-2; 3-4 Адиабаты - 2-3; 4-1	➨ представляет собой идеализацию цикла реальной теп-ловой машины; рабочим телом является идеальный газ; цикл является прямым обратимым круговым процессом, состоящим из двух изотерм и двух адиабат. ➨ () - изотермическое расширение - рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты ; ➨ () - изотермическое сжатие - рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты ; ➨ при адиабатном расширении и сжатии, энергия извне к рабочему телу не поступает и эти процессы происходят за счет изменения его внутренней энергии.
КПД идеального теплового двигателя	➨ увеличение КПД зависит от разности между темпера-турами нагревателя Т1 и холодильника Т2 и не зависит от свойств рабочего тела и конструкции двигателя.
Основные виды тепловых двигателей	➨ по способам получения механического движения под-разделяются на:
● поршневые	➨ паровые машины (КПД до 20%); ➨ двигатели внутреннего сгорания: ▪ карбюраторные (КПД- 18-24%) – создал в 1867г. Н. Отто, применяются в настоящее время; ▪ дизели (КПД - 30-39%) - создал в 1897г. Р.Дизель, применяются в настоящее время;
● ротационные	➨ паровая (КПД до 43%); ➨ газовая турбина (КПД – до 34%);
● реактивные	➨ ракетные двигатели, воздушно-реактивные (КПД до 42%);

Дата добавления: 2015-09-04