Лекция 6

Темы для СРС
Уравнение Пуассона

Внутренняя энергия идеального газа
Внутренняя энергия – энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы(молекул, атомов, электронов, ядер и т д) и энергия взаимодействия этих частиц
Важнейшее свойство внутренней энергии:
В каждом состоянии система обладает определенной энергией и не зависит от того как система перешла в данное состояние. Это означает, что при переходе системы из одного состояние в другое изменение внутренней энергии определяется только разностью значений внутренней энергии этих состояний и не зависит от пути перехода

Внутренняя энергия идеального газа

Число степеней свободы

1. Теплоемкость идеальных газов

1. Теплоемкость идеальных газов
Уравнение Майера
Отношение , где i - число степеней свободы

2. Адиабатный процесс
Адиабатический процесс - процесс, происходящий в газе без теплообмена с окружающей средой.
Такой процесс можно осуществить, в теплоизолирован-
ном сосуде (сосуд Дьюара), при очень быстром процессе, когда газ не успевает обменяться теплом с окружающими телами.

2. Адиабатный процесс

2. Адиабатический процесс

2. Второе начало термодинамики.
Характеристики тепловых процессов
Процесс - переход тела из одного состояния в другое.
Изопроцессы в газах (изотермический,
изобарический, изохорический, адиабатический)
характерны тем, что при их осуществлении в
окружающих телах никаких изменений не происходит,
энергия системы не передается другим телам.
Поэтому возможно и осуществление обратного перехо-
да через последовательность тех же промежуточных
состояний. Такие процессы называют обратимыми
Обратимые тепловые процессы всегда являются идеализацией
Они возможны при условии, что изменение параметров состояния происходит очень медленно и сама система каждый раз находится в состоянии равновесия, т.е. когда параметры всюду одинаковы.
Лишь при этом возможен обратный процесс, когда система проходит ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе. Процесс, со-стоящий из ряда равновесных состояний, называют равновесным. Таким обра-зом, все обратимые процессы – равновесные. Они изображаются графически плавной линией (AB, рис.)

2. Второе начало термодинамики.
Характеристики тепловых процессов
Рассмотрим работу расширения и сжатия при обратимом и необратимом процессах. При быстром расширении процесс не будет обратимым и изобразится ступенчатой линией AaB, аналогично при быстром сжатии BbA.
В равновесном состоянии в системе самопроизвольно никакие процессы не возникают . Если же ее вывести из этого состояния, то она в течение некоторого времени будет возвращаться в равновесное состояние.
Из-за хаотичного движения молекул такой процесс будет необратимым.
Таким образом, все самопроизвольные процессы протекают в направлении приближения системы к равновесному состоянию. Количественная формулировка этого положения составляет содержание второго начала термодинамики.

2.1 Принцип действия тепловой машины
Q1
Q2
Тепловая машина - устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую. Для этого используют рабочее тело – вещество, способное воспринимать тепло и совершать работу. В качестве него может быть использован идеальный газ, водяной пар и т.д. С рабочим теплом в тепловой машине осуществляют круговой процесс или цикл, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние (рис.).
Работа цикла: A = Aрасш– Асж = А12– А21. Для этого на участке 1 → 2 рабочее тело нагревается, подводится тепло от нагревателя Q1, а на участке 2 → 1 – охлаждается, отдает холодильнику тепло Q2.
по первому началу термодинамики
откуда
Коэффициент полезного действия (КПД) η равен:
Под КПД понимают отношение работы , совершенный за один цикл, или теплоты,
преобразованной в полезную работу, ко всему подведенному количеству теплоты

2.2 Цикл Карно
Для получения ηmax A = Amax или цикл должен быть составлен из обратимых процессов. Такой цикл будет включать два изотермических (1-2, 3-4) и два адиабатических (2-3, 4-1) процесса (цикл Карно, 1824 г.)
КПД цикла:
Таким образом, η тепловой машины не зависит от рабочего тела и тем выше, чем ниже температура холодильника.

Примеры

2.3 Второе начало термодинамики (II НТД)
Не все количество тепла, получаемое рабочим телом от нагревателя, можно превратить в работу, часть его Q2 остается неиспользованной. Следовательно, существуют определенные ограничения при превращении тепла в работу для круговых процессов. Эти ограничения не регламентированы первым началом, которое допускает любое превращение теплоты в работу и обратно лишь в эквивалентных соотношениях.
Таким образом, если бы не было указанных ограничений, то можно было бы построить тепловую машину, которая путем охлаждения окружающих тел, могла бы превращать взятую теплоту в работу (η = 1). Так как запасы тепловой энергии, содержащейся в земле, воде и атмосфере практически не ограничены, то такая машина для практики была бы эквивалентна вечному двигателю. Такую гипотетическую машину называют вечным двигателем 2-го рода, и второе начало термодинамики формулируют как невозможность построения вечного двигателя второго рода.
Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направлениях возможных тепловых процессов: невозможны такие тепловые процессы, един-ственным конечным результатом которых будет превращение в работу тепла, извлеченного из источника с постоянной температурой (отсутствие холодиль-ника).
Второе начало термодинамики не имеет такого всеобщего действия как первое начало. Но вместе с ним оно управляет всеми тепловыми процессами.

2.3 Энтропия
Математическая формулировка второго начала термодинамики. Для обратимого цикла Карно
Эта формула определяет максимальную работу, получаемую при превращении тепла в работу.
Часть тепла, равная при этом не может быть превращена в работу,
она передается окружающим телам.
Отношение Q/T как раз и характеризует ту часть тепла, которую нельзя превратить в работу. Это отношение является мерой неиспользованного тепла. Р.Э. Клаузис назвал эту величину энтропией S (от греч. – превращение)

2.3 Энтропия

2.3 Второе начало термодинамики