Изменение внутренней энергии газа в процессе теплообмена и совершения работы. Первое начало термодинамики. Лекция 5

Термодинамика
Термодинамика – раздел физики, изучающий связи и взаимопревращения различных видов энергии.
Физические системы, состоящие из большого числа частиц – атомов или молекул, которые совершают тепловое движение и, взаимодействуя между собой, обмениваются энергиями, называются термодинамическими системами.
Термодинамическим процессом называется переход системы из начального состояния в конечное
через последовательность промежуточных состояний.

Внутренняя энергия
Это сумма энергий
молекулярных взаимодействий и
энергии теплового движения молекул.
Внутренняя энергия системы зависит только
от ее состояния и является однозначной функцией состояния.
Изменение состояния системы характеризуется
параметрами состояния – p, V, T.
Одному и тому же состоянию соответствует
определенное значение внутренней энергии U.

Теплообмен
Процесс передачи внутренней энергии без совершения механической работы называется теплообменом.
Мерой энергии, получаемой или отдаваемой телом в процессе теплообмена, служит
физическая величина, называемая
количеством теплоты (Q).

Теплоемкость
Теплоемкостью тела называют отношение количества теплоты, необходимого для повышения его температуры от значения Т1 до значения Т2 к разности этих температур
ΔТ = Т2 – Т1.
Теплоемкость тела зависит от его природы.
Теплоемкость тела пропорциональна его массе.
С = Q / ΔТ

Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость:
СИ: [с] = Дж/кг·К
Зная удельную теплоемкость, можно определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от Т1 до Т2 :
c = С / m = Q / m ΔТ
Q = c·m·ΔТ = c·m·(Т2 – Т1)

Первое начало термодинамики
Это закон сохранения и превращения энергии:
при разнообразных процессах, протекающих в природе, энергия не возникает из ничего и не уничтожается,
а превращается из одних видов в другие.
Невозможно построить перпетуум-мобиле первого рода,
то есть машину, производящую работу, но
не потребляющую эквивалентного количества энергии.

Первое начало термодинамики
(другие формулировки)
Изменение внутренней энергии тела равно
разности сообщенного телу количества теплоты и произведенной над ним механической работы.
Количество теплоты, сообщенное телу, идет
на увеличение его внутренней энергии и
на совершение телом работы над внешними телами.
ΔU = Q - А
Q = ΔU + А

Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Изобарный процесс
p = const, V, T - изменяются
Работа, совершаемая газом при изобарном расширении:
А = F·Δh = p·S (h2 – h1) = p·(S·h2 - S·h1) = р·(V2 – V1) = р·ΔV
А = р·ΔV
Работа при изобарном расширении газа равна
произведению давления газа на увеличение его объема.

Работа при изобарном расширении газа
Работа - площадь, ограниченная графиком процесса,
осью абсцисс и ординатами начала и конца процесса (abdc)
А

Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Изохорный процесс
V = const, р, T – изменяются
Т. к. V = const, то не совершается никакой работы против внешних сил: А = 0.
При изохорном нагревании вся сообщенная газу теплота полностью расходуется на увеличение его внутренней энергии:
Q = ΔU

Работа при изохорном процессе
А = 0
Удельная теплоемкость газа при V = const:
СV = ΔU / m ΔT или ΔU = m СV ΔT
Изменение внутренней энергии идеального газа
пропорционально изменению его температуры.

Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Изотермический процесс
Т = const; V, p - изменяются
Так как Т = const, то ΔТ = 0 , и ΔU = 0.
Q = А
При изотермическом нагревании вся теплота,
сообщенная газу, расходуется на совершение работы газа
против внешних сил.

Работа при изотермическом расширении газа
Работа - площадь, ограниченная графиком процесса,
осью абсцисс и ординатами начала и конца процесса (abdc)
А

Адиабатный процесс
Адиабатным (греч. «адиабатос» - непереходный) называется процесс, происходящий без теплообмена
с окружающими телами.
Работа совершается только за счет изменения
внутренней энергии газа:
А = - ΔU