Термодинамика. Внутренняя энергия

Термодинамика –
теория тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел.
Выводы термодинамики опираются на совокупность опытных фактов и не зависят от наших знаний о внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде случаев термодинамика использует молекулярно-кинетические модели для иллюстрации своих выводов.
В противоположность молекулярно-кинетической теории, которая делает выводы на основе представлений о молекулярном строении вещества

Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге она перейдет в другое равновесное состояние.
Такой переход называется термодинамическим процессом.

Если процесс протекает достаточно медленно (в пределе бесконечно медленно), то система в каждый момент времени оказывается близкой к равновесному состоянию.
Процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний, называются квазистатическими.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории
внутренняя энергия вещества
=
кинетическая энергия всех атомов и молекул
+
потенциальная энергия их взаимодействия
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия идеального газа равна
сумме кинетических энергий (только) всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении.

ВЫВОД:
внутренняя энергия U тела определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела.

Способы изменения ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
СОВЕРШЕНИЕ
РАБОТЫ
ТЕПЛООБМЕН
– КОНВЕКЦИЯ
– ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
– ИЗЛУЧЕНИЕ
Количество теплоты – энергия передаваемая или получаемая путем теплообмена
А>0 при работе внешних сил над системой
А<0 при работе системы над внешними телами
Q >0 если система получает теплоту
Q< 0 если система отдает теплоту

(1843 г.) Опыт Джоуля по определению механического эквивалента теплоты
При вращении вертушки, погруженной в жидкость, внешние силы совершают положительную работу (A' > 0); при этом жидкость из-за наличия сил внутреннего трения нагревается, т. е. увеличивается ее внутренняя энергия.
Механический эквивалент теплоты А/Q
Если система получает от внешних тел энергию в виде работы А, а отдает энергию в виде количества теплоты Q, то отношение А/Q равно 4,2 Дж/кал

Расчет работы в термодинамике

В общем случае надо процесс разбить на малые части и сосчитать элементарные работы, а затем их сложить (процесс интегрирования):
Расчет работы в термодинамике

Работа при изменении объема
При расширении работа газа положительна.
A = pΔV - работа газа
При сжатии - отрицательна.
A' = ‒ pΔV - работа внешних сил.

Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, получим:

в изотермическом процессе
.

В изохорном процессе объем не меняется, следовательно, в изохорном процессе работа не совершается!

Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.
Процессы, изображенные на рисунке, можно провести и в обратном направлении; тогда работа A просто изменит знак на противоположный. Процессы такого рода, которые можно проводить в обоих направлениях, называются обратимыми
Работа газа

При расширении газа работа положительна
Сила давления газа и перемещение направлены одинаково.
При сжатии газа работа отрицательна
ΔV > 0
ΔV < 0

Работа при циклических процессах
Полная работа за цикл А = А1 + А2

При осуществлении кругового процесса в направлении ВСDЕВ работа газа за цикл - положительна
А
При осуществлении кругового процесса в направлении ВЕDСВ работа газа за цикл - отрицательна
Работа совершается за счет количества теплоты, получаемого газом от нагревателя
Работа газа совершается за счет уменьшения его внутренней энергии

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.
Первый закон термодинамики
ΔU = Q – A

Другая форма записи соотношение, выражающего первый закон термодинамики:
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
Q = ΔU + A.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую.
Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами.
Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками.
Процессы расширения или сжатия газа, протекающие в отсутствие теплообмена (Q = 0) называются адиабатными или адиабатическими.

На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой.
При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0).
Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении
ИЗОТЕРМА

Семейства изотерм (красные кривые)
и адиабат (синие кривые) идеального газа.

Опыт "воздушное огниво". Возьмем толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыплем измельченной "серы" от спичек. Резко
ударив по рукоятке, мы сильно сожмем воздух. В результате он нагревается
настолько сильно, что серный порошок воспламеняется.

Опыт "туман в бутыли". Для него нам потребуются бутыль и насос,
изображенные на рисунке. Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают
немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным.
Придерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда пробка готова выскочить,
накачивание прекращают и ожидают 5-10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился
до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся).
При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!

ПРИМЕНЕНИЕ
ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ
К РАЗЛИЧНЫМ ПРОЦЕССАМ

ı закон
термодинамики
Q = ΔU + A
Изобарный процесс A = p ΔV
Изотермический процесс
Изменение внутренней энергии

Изотермический процесс

Первое начало термодинамики для изотермического процесса.

m=const
M=const
V=const
m=const
M=const
V=const
Изохорный процесс

Первое начало термодинамики для изохорного процесса.

m=const
M=const
p=const
Изобарный процесс

Первое начало термодинамики для изобарного процесса.

Адиабатный процесс

Первое начало термодинамики для адиабатного процесса.

Домашннее задание.
1. Составить конспект.
2. Учебник стр.125-134.
3. Заполнить таблицу( следующий слайд)