Основы термодинамики

Внутренняя энергия
Сумма кинетических энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией.
Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит - температурой тела.
Потенциальная - расстоянием между частицами, а значит - объемом.
Следовательно: U=U(T,V) - внутренняя энергия зависит от объема и температуры.

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа
Для идеального газа: U=U(T), т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем
или
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа:
R - универсальной газовой постоянной
ν - количество вещества

Способы изменения внутренней энергии
Совершение работы
А
над телом
( U увелич.)
самим телом
(U уменьш.)
Теплопередача
Q
Виды теплопередачи:
теплопроводность
конвекция
излучение

Работа в термодинамике
По третьему закону Ньютона:
Работа внешних сил над газом:
Работа газа:

Геометрический смысл работы
Работа численно равна площади под графиком процесса на диаграмме (p, V).
Величина работы зависит от того, каким путем совершался переход из начального состояния в конечное.

Модель. Работа газа
Модель. Работа газа
Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате совершаемой работы, но и вследствие теплообмена. При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из них может увеличиваться, а другого – уменьшаться. В этом случае говорят о тепловом потоке от одного тела к другому. Количеством теплоты Q, полученным телом, называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.
Передача энергии от одного тела другому в форме тепла может происходить только при наличии разности температур между ними.
Тепловой поток всегда направлен от горячего тела к холодному.

Количество теплоты
Q = cm(t02-t01) – нагревание (охлаждение)
Q=±λm - плавление (отвердевание)
Q = ±Lm - парообразование (конденсация)
Q = qm – сгорание топлива
где λ - удельная теплота плавления(отвердевания)
L - удельная теплота парообразования (конденсации)
Q - количество выделившейся теплоты ( Дж ),
q - удельная теплота сгорания ( Дж/кг ),
m - масса сгоревшего топлива ( кг ).

Первый закон термодинамики
Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы

Первый закон термодинамики
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Если А - работа внешних сил, а А' - работа газа, то А = - А' (в соответствии с 3-м законом Ньютона). Тогда:
другая форма записи первого закона термодинамики

Адиабатический процесс
Модель. Адиабатический процесс

Тепловые двигатели
Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу, называют тепловыми двигателями

Термодинамический цикл
Круговой процесс на диаграмме (p, V).
Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых.
При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Тепловой двигатель
КПД теплового двигателя
Кпд реальных двигателей:
турбореактивный - 20 -30%; карбюраторный - 25 -30%,
дизельный - 35-45%.
Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс.

Идеальная тепловая машина
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815)
Машина работает на идеальном газе.
1 - 2 - при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически.
2 -3 - газ расширяется адиабатно.
После контакта с холодильником:
3 -4 - изотермическое сжатие.
4 -1 - адиабатное сжатие.
КПД идеальной машины:
Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур.

Второй закон термодинамики
Второй з-н термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе.
Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель, совершающий механическую работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Процессы, запрещаемые 1 законом термодинамики
Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления энергии извне; 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1