Основы термодинамики (10 класс)

Цели урока:
Сформировать основные понятия термодинамики
Сформулировать первый закон термодинамики
Рассмотреть принцип действия тепловых двигателей и их КПД
Выявить отрицательное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и наметить пути решения этой проблемы

Содержание
Внутренняя энергия
Работа в термодинамике
Количество теплоты
Первый закон термодинамики
Принцип действия тепловых двигателей. КПД
_________
Термодинамика – теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел.

Внутренняя энергия
Определение:
Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов и молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия
Обозначение:
U
Единицы измерения:
[Дж]

Внутренняя энергия
идеального одноатомного газа
число молекул
кинетическая энергия одной молекулы
(NAk = R)

Внутренняя энергия
идеального одноатомного газа

Внутренняя энергия
идеального двухатомного газа

- уравнение Клапейрона – Менделеева,
Так как
- уравнение Клапейрона – Менделеева,
то внутренняя энергия:
- для одноатомного газа
- для двухатомного газа.

В общем виде:
где i – число степеней свободы молекул газа (i = 3 для одноатомного газа и i = 5 для двухатомного газа)

Изменение внутренней энергии тела ΔU
Совершение работы А
над самим
телом телом
ΔU ΔU Теплообмен Q
теплопроводность
конвекция
излучение

Работа в термодинамике
Работа газа:
Работа внешних сил:

Работа газа при изопроцессах
При изохорном процессе (V=const):
ΔV = 0 работа газом не совершается:
P
V
Изохорное нагревание

При изобарном процессе (Р=const):
P
V
V1
V2
P
Изобарное расширение
1
2

При изотермическом процессе (Т=const):
P
V
Изотермическое расширение
Р2
1
2
V1
V2

Геометрическое истолкование работы:
Работа, совершаемая газом в процессе его расширения (или сжатия) при любом термодинамическом процессе, численно равна площади под кривой, изображающей изменение состояния газа на диаграмме (р,V).
P
V
V1
V2
P
P
V
Р2
1
2
V1
V2
S
S
Р1

Количество теплоты – часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче

Первый закон термодинамики
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе
Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Тепловые двигатели –
устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.
Виды тепловых двигателей

Принцип действия тепловых двигателей
Т1 – температура нагревателя
Т2 – температура холодильника
Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя
Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя –
отношение работы А’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

где
работа, совершаемая
двигателем
тогда
КПД всегда меньше единицы, так как у всех двигателей некоторое количество теплоты
передаётся холодильнику
При
двигатель не может работать

Максимальное значение КПД
тепловых двигателей (цикл Карно):

Отрицательные последствия использования тепловых двигателей:
Потепление климата
Загрязнение атмосферы
Уменьшение кислорода в атмосфере
Решение проблемы:
Вместо горючего использовать сжиженный газ.
Бензин заменить водородом.
Электромобили.
Дизели.
На тепловых электростанциях использовать скрубберы, в которых сера связывается с известью.
Сжигание угля в кипящем слое.
КПД тепловых двигателей