Термодинамика. Законы и формулы
Термодина́мика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.
В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называютсятермодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами — давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.
В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделов статистической физики.
Термодинамика может быть применена в широком круге вопросов в области науки и техники, таких, как двигатели, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса, и даже чёрные дыры.
Термодинамика имеет важное значение для других областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники, машиностроения, клеточной биологии, биомедицинской инженерии, материаловедения, и полезно в таких других областях, как экономика.
Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура» и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлени
Традиционно считается, что термодинамика основывается на четырёх законах (началах), которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.
* 0-й закон — нулевое начало термодинамики: Постулирует существование термодинамического равновесия и вводит понятие абсолютной температуры.
Термодинамическое равновесие. Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает. Если две изолированные системы и приведены в контакт друг с другом, то после достижения термодинамического равновесия полной системой системы и находятся в состоянии теплового (термического) равновесия друг с другом. При этом каждая из систем и в отдельности также находится в состоянии термодинамического равновесия. Это равновесие не нарушится, если устранить контакт между системами, а затем восстановить его. Следовательно, если установление контакта между двумя системами и , которые до этого были изолированными, не приводит ни к каким изменениям, то эти системы находятся в тепловом равновесии друг с другом.Закон транзитивности теплового равновесия. Если системы и находятся в тепловом равновесии и системы и находятся в тепловом равновесии, то системы и также находятся в тепловом равновесии между собой. На основании этого закона делается вывод о существовании абсолютной температуры как термодинамического параметра, обладающего свойствами эмпирической температуры, но не зависящего от способа её измерения. Равенство температур есть условие теплового равновесия систем (или частей одной и той же системы).
* 1-й закон — первое начало термодинамики: Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать как
,где есть полный дифференциал внутренней энергии системы, а и есть элементарное количество теплоты, переданное системе, и элементарная работа, совершенная системой соответственно. Нужно учитывать, что и нельзя считать дифференциалами в обычном смысле этого понятия, поскольку эти величины существенно зависят от типа процесса, в результате которого состояние системы изменилось.В литературе можно встретить и другие варианты приведённого выше соотношения, отличающиеся от него знаками ( или ) перед и . Отличия вызваны тем, что конкретный вид этого уравнения зависит от соглашений, называемых «правилами знаков для работы и теплоты». Выше использовано «теплотехническое правило знаков для работы» (положительной считают работу, совершаемую системой, когда она отдаёт энергию, а отрицательной — работу, совершаемую над системой, когда она получает энергию) и «термодинамическое правило знаков для теплоты» (положительной считают теплоту, получаемую системой, а отрицательной — теплоту, отдаваемую системой). В «термодинамическом правиле знаков для работы» положительной считают работу, совершаемую над системой, а отрицательной — работу, совершаемую системой. Наконец, в «термохимическом правиле знаков для теплоты» положительной считают теплоту, отдаваемую системой, а отрицательной — теплоту, получаемую системой. Мнемоническое правило: в термодинамической системе знаков имеет тот же знак, что и энергия, передаваемая системе в виде работы или теплоты; в остальных случаях знак противоположен знаку передаваемой энергии. Стандарта, предписывающего использовать конкретный набор правил знаков, не существует, так что уместно рассматривать только степень распространённости того или иного правила в научной и учебной литературе. По этому поводу однозначно можно говорить лишь о том, что в современной литературе предпочитают использовать термодинамическое, а не термохимическое правило знаков для теплоты.
Иногда в рассматриваемое выражение для первого начала наряду с работой и теплотой включают ещё и работу переноса массы (химическую работу), выделяя её из общего выражения для работы в отдельное слагаемое.
* 2-й закон — второе начало термодинамики: Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона.
1 — Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или диссипацией энергии.
Приведем второе начало термодинамики в ещё одной формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (1865): для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния , называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал .
[3]
2 — Постулат Кельвина.
Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.
* 3-й закон — третье начало термодинамики: Теорема Нернста: энтропия любой равновесной системы при абсолютном нуле температуры всегда равна нулю (традиционная формулировка).
Здесь важно различать аксиомы, отражающие законы природы, и имеющие исторические корни соглашения, необходимые для построения шкалы измерения соответствующей термодинамической величины.
Так, аксиомами являются утверждения, что и энтропия, и температура есть односторонне ограниченные величины, и что своих граничных значений обе величины достигают одновременно. Согласно стандартным соглашениям принято, что и энтропия, и температура ограничены снизу, т. е.
не могут быть меньше некоторых предельных значений. Из этого логично вытекают следующие соглашения, согласно которым наименьшее значение энтропии принято равным нулю, а наименьшее (нулевое) значение температуры служит реперной точкой для построения термодинамической шкалы температур.
Все термодинамические потенциалы имеют свои канонические наборы переменных и используются для анализа процессов при соответствующих условиях.
Так, для изотермических изохорических процессов () удобно использовать , для изотермических изобарических () — , а для изолированных систем () — .
- — независимые переменные;
- ;
- ;
- ;
- ;
- ;
- .
- — независимые переменные;
- ;
- ;
- ;
- ;
- ;
- .
- — независимые переменные;
- ;
- ;
- ;
- ;
- ;
- .
- — независимые переменные;
- ;
- ;
- ;
- ;
- ;
- .
Выражение для полного дифференциала внутренней энергии называется фундаментальным уравнением Гиббса или просто уравнением Гиббса:
Значимость этого уравнения (и его более общих вариантов) состоит в том, что оно представляет собой тот фундамент, на котором базируется весь математический аппарат современной феноменологической термодинамики, как равновесной, так и неравновесной.
По большому счёту, рассмотренные выше законы (начала) термодинамики нужны были именно для обоснования этого соотношения.
Всю аксиоматику равновесной термодинамики можно свести к постулированию самого этого уравнения и свойств входящих в него термодинамических переменных.
С использованием других термодинамических потенциалов уравнение Гиббса можно переписать в следующих эквивалентных формах:
Среди термодинамических величин выделяют экстенсивные (внутренняя энергия, энтропия, объём и др.) и интенсивные (давление, температура и др.) величины. Величина называется экстенсивной, если ее значение для системы, сложенной из нескольких частей, равно сумме значений этой величины для каждой части.
Предположением об экстенсивности термодинамических величин, однако, можно пользоваться, если рассматриваемые системы достаточно большие и можно пренебречь различными краевыми эффектами при соединении нескольких систем, например, энергией поверхностного натяжения.
Пусть U (экстенсивная величина) является однородной функцией первого порядка от своих экстенсивных аргументов (математическое выражение аксиомы экстенсивности): для любого Для любой дифференцируемой однородной функции первого порядка выполняется теорема Эйлера:Для энергии теорема Эйлера имеет вид:
Это уравнение показывает, что между интенсивными переменными существует одна связь, являющаяся следствием предположения об аддитивности свойств системы. В частности, непосредственным следствием соотношений Гиббса-Дюгема является выражение для термодинамического потенциала Гиббса через химические потенциалы компонент смеси:Приведённые выше формулировки аксиом термодинамики и соотношения для термодинамических потенциалов имеют место для простых моделей (сред) — для идеальных газов. Для более сложных моделей сред — упругих твердых сред, вязкоупругих сред, пластических сред, вязких жидкостей, сред с электромагнитными свойствами и других, законы термодинамики имеют более сложную формулировку, а термодинамические потенциалы формулируются в обобщенном виде с использованием тензоров[7][8][9][10]. В физике сплошных сред (физике континуума) термодинамика рассматривается как её составная часть, вводящая в рассмотрение переменные, характеризующие тепловые (термические) и химические свойства среды, и их связь с другими физическими величинами, а аксиомы термодинамики включаются в общую систему аксиом.
Источник: http://tytphysiki.blogspot.com/p/blog-page_7.html
Первый закон термодинамики
ПодробностиКатегория: ТермодинамикаОпубликовано 21.12.2014 19:26Просмотров: 10543
Первое начало термодинамики, или первый закон термодинамики, называют законом сохранения энергии для термодинамической системы.
Из истории
Юлиус Роберт фон Майер
Впервые этот закон был сформулирован немецким врачом и естествоиспытателем Юлиусом Робертом фон Майером. В качестве судового врача в 1840 г. он прибыл на остров Ява. Во время лечения больных ему приходилось делать кровопускание.
И вот тут Майер обратил внимание на то, что венозная кровь у жителей тропиков светлее, чем у европейцев. Она была почти такой же ярко-красной, как и артериальная кровь.
Учёный нашёл объяснение этому факту, предположив, что причина кроется в разнице температур между теплом собственного организма человека и теплом окружающей среды. В тропиках высокая температура, и организму требуется вырабатывать меньше теплоты. Следовательно, он сжигает меньше кислорода.
Его в крови остаётся больше, и кровь переходит из артерий в вены, оставаясь практически такого же цвета. А в холодном климате организм нуждается в большем количестве тепла. И чем больше кислорода потребляет организм для этой цели, тем заметнее разница в цвете артериальной и венозной крови.
Теплоту организм получает, сжигая кислород, то есть, совершая работу. Работа превращается в теплоту. Обоснование первого закона термодинамики Майер опубликовал в 1842 г. в своей работе «Замечания о силах неживой природы». Более того, учёный нашёл и соотношение между количеством работы и количеством теплоты, полученной в результате этой работы.
Это же соотношение, независимо от Майера, экспериментально установил английский физик Джеймс Прескотт Джоуль. Результаты оказались такими же, как и у Майера. В разных экспериментах одно и то же количество работы превращалось в одно и то же количество тепла, и наоборот.
В изолированной физической системе энергия никуда не исчезает. Она лишь переходит из одной формы в другую. Так утверждает общий закон сохранения энергии. Он справедлив и для изолированной термодинамической системы. Запас энергии в такой системе также остаётся постоянным. Работа превращается в теплоту, а теплота – в работу.
В результате различных процессов, происходящих в термодинамической системе, начальное и конечное состояния системы отличаются.
Так как внутренняя энергия системы U зависит только от её состояния – давления, объёма и температуры (U = U(P, V, T) ), то изменение энергии ∆U определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от того, каким образом она перешла из одного состояния в другое.
∆U = U2 –U1.
Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить, сообщив ей некоторое количество теплоты или совершив над ней работу. Математически связь между количеством теплоты, полученной термодинамической системой, изменением её внутренней энергии и работой, совершённой за счёт этой теплоты математически выглядит так:
∆U = Q – A, или Q = ∆U + A,
где ∆U – изменение внутренней энергии системы при сообщении ей теплоты;
Q – количество теплоты, полученное системой при теплопередаче;
A – работа, совершённая системой против внешних сил.
Это и есть математическое выражение первого закона термодинамики.
Теплота, которую получила термодинамическая система, расходуется на изменение её внутренней энергии и работу, совершённую над внешними телами.
При переходе из начального состояния в конечное термодинамическая система может получать теплоту различными способами. В технической термодинамике положительной считают теплоту, получаемую системой, а отрицательной – теплоту, которую система отдаёт. Общее количество теплоты Q – это алгебраическая сумма всех количеств теплоты, получаемых или отдаваемых системой.
В отличие от теплоты работа, совершённая системой, не является её характеристикой. Она зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное. Поэтому работа характеризует сам процесс перехода.
Частные случаи первого закона термодинамики
Первый закон термодинамики удобно рассматривать на примере изопроцессов для газа.
При изохорном процессе работа не совершается, так как объём газа остаётся постоянным (V = const). Поэтому Q = ∆U.
Изотермический процесс в системе происходит при постоянной температуре (T = const). Следовательно, вся теплота, полученная системой, расходуется на совершение работы. Так как ∆U=0, то Q = A.
Изобарный процесс происходит при постоянном давлении (P = const).Теплота, сообщаемая системе, идёт и на изменение внутренней энергии, и на совершение работы.
Q = ∆U + A
Работа, которую газ совершает при расширении или сжатии, равна A = P·∆V.
Отсюда Q = ∆U + P·∆V.
При адиабатическом процессе нет обмена теплотой с внешней средой. Q = 0, А = -∆U. Это означает, что работа совершается за счёт уменьшения внутренней энергии системы.
Термодинамический цикл
Если термодинамическая система, независимо от того, какие превращения (нагревания, охлаждения, сжатия, расширения, химические превращения и др.) в ней не происходили бы, в конечном счёте возвращается в своё первоначальное состояние, то термодинамический процесс, в результате которого это происходит, называется термодинамическим циклом.
Пример термодинамического цикла – круговорот воды в природе.
Под воздействием солнечных лучей быстро нагревается вода в лужах, образовавшихся после дождя. Растёт её температура, и вода начинает испаряться, при этом увеличиваясь в объёме. Пар поднимается вверх.
Там он остывает, и его объём снова уменьшается. Конденсируясь, пар превращается в облако. Капли дождя падают на землю и снова образуют лужи. Цикл завершается. После этого процесс повторяется снова.
В результате термодинамического цикла в системе всё остаётся по-прежнему, хотя в процессе цикла совершалась работа и выделялась или поглощалась теплота.
Все параметры системы, несмотря на процессы, происходящие в ней, возвращаются в исходное состояние. В этом случае изменения внутренней энергии не происходит.
Следовательно, работа, совершённая системой по замкнутому циклу, равна количеству теплоты.
A = Q, или Q – A = 0,
В замкнутом цикле любая произведённая работа преобразуется в теплоту.
На основе замкнутых циклов построена работа тепловых машин.
Тепловые двигатели
Принцип преобразования внутренней энергии системы в механическую лежит в основе тепловых двигателей. Такой двигатель представляет собой тепловую машину, превращающую тепло в механическую энергию.
Основные части таких двигателей – нагреватель, рабочее тело и охладитель. Очень часто рабочим телом в тепловом двигателе служит газ. Получая теплоту от нагревателя, он расширяется и совершает работу.
Чтобы работа такого двигателя не прекращалась, параметры рабочего тела, в нашем случае газа, после совершения работы возвращаются в первоначальное состояние (газ охлаждается в холодильнике).
Далее процесс повторяется сначала. Реальные тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, паровые машины и др.
) работают циклически, повторяя теплопередачу и превращение теплоты в работу. Рабочим телом могут быть пары бензина, водяные пары, воздух, уголь, нефть и др.
Вещество с более высокой температурой находится в резервуаре, который называется нагревателем, а с более низкой – в резервуаре, называемом холодильником.
Для любой тепловой машины очень важна такая величина, как коэффициент полезного действия (КПД). Это отношение количества работы, совершённой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.
А = QH– QХ,
где QH– количество теплоты, отданное нагревателем рабочему телу;
QХ – количество теплоты, которое рабочее тело отдаёт охладителю.
Так как часть теплоты теряется при передаче, то КПД двигателя всегда меньше единицы.
Наибольший КПД возможен в двигателе Карно.
Вечный двигатель первого рода
Создание двигателя, который мог бы совершать рабóту, превышающую затраченную на её производство энергию, с древних времён было мечтой многих изобретателей.
Вечным двигателем первого рода называют устройство, которое может бесконечно совершать работу, не затрачивая на это энергии. Но согласно первому закону термодинамики термодинамическая система может совершать работу за счёт теплоты, получаемой извне и убыли своей внутренней энергии.
A = Q– ∆U
Если к системе не подводить теплоту, то работу можно совершить только за счёт внутренней энергии. Но в таком случае через некоторое время запас этой энергии иссякнет. Это означает, что нельзя создать такую машину, которая смогла бы работать без подведения энергии извне. Таким образом, вечный двигатель невозможен. Эта также одна из формулировок первого закона термодинамики.
Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/termoinamika/372-pervyj-zakon-termodinamiki
Первый закон термодинамики
На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.
| Рисунок 3.9.1.Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы |
Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).
Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:
Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.
Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
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.
Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.
1. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,
| Q = ΔU = U (T2) – U (T1). |
Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля).
При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается.
При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q
Источник: http://www.its-physics.org/pervyy-zakon-termodinamiki
Первый закон термодинамики и его применение в физике
Содержание:
Простая формулировка первого закона термодинамики может звучать примерно так: изменение внутренней энергии той или иной системы возможно исключительно при внешнем воздействии. То есть другими словами, чтобы в системе произошли какие-то изменения необходимо приложить определенные усилия извне.
В народной мудрости своеобразным выражением первого закона термодинамики могут служить пословицы – «под лежачий камень вода не течет», «без труда не вытащишь рыбку из пруда» и прочая.
То есть на примере пословицы про рыбку и труд, можно представить, что рыбка и есть наша условно закрытая система, в ней не произойдет никаких изменений (рыбка сама себя не вытащит из пруда) без нашего внешнего воздействия и участия (труда).
Интересный факт: именно первый закон термодинамики устанавливает, почему потерпели неудачу все многочисленные попытки ученых, исследователей, изобретателей изобрести «вечный двигатель», ведь его существование является абсолютно невозможным согласно этому самому закону, почему, смотрите абзац выше.
В начале нашей статьи было максимального простое определение первого закона термодинамики, в действительности в академической науке существует целых четыре формулировки сути данного закона:
- Энергия ни откуда не появляется и ни куда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой (закон сохранения энергии).
- Количество теплоты, полученной системой, идет на совершение ее работы против внешних сил и изменение внутренней энергии.
- Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
- Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.
Формулу первого закона термодинамики можно записать таким образом:
Q = ΔU + A
Количество теплоты Q, передаваемое системе равно суме изменения ее внутренней энергии ΔU и работы A.
Также первый закон термодинамики имеет свои нюансы в зависимости от проходящих термодинамических процессов, которые могут быть изохронными и изобарными, и ниже мы детально опишем о каждом из них.
Изохорным процессом в термодинамике называют процесс, происходящий при постоянном объеме. То есть, если будь-то в газе или жидкости нагреть вещество в сосуде, произойдет изохорный процесс, так как объем вещества останется неизменным. Это условие имеет влияние и на первый закон термодинамики, проходящий при изохорном процессе.
В изохорном процессе объем V является константой, следовательно, газ работы не совершает A = 0
Из этого выходит следующая формула:
Q = ΔU = U (T2) – U (T1).
Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).
Аналогично изобарным процессом называется термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе газа. Следовательно, в изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается следующим уравнением первого закона термодинамики:
A = p (V2 – V1) = p ΔV.
Изобарный первый закон термодинамики дает:
Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
Первый закон термодинамике имеет практическое применение к различным процессам в физике, например, позволяет вычислить идеальные параметры газа при разнообразных тепловых и механических процессах.
Помимо сугубо практичного применение можно этому закону найти применение и философское ведь что ни говорите, но первый закон термодинамики является выражением одного из самых общих законов природы – закона сохранения энергии.
Еще Еклезиаст писал, что ничто ни откуда не появляется и никуда не уходит, все пребывает вечно, постоянно трансформируясь, в этом и кроется вся суть первого закона термодинамики.
И в завершение нашей статьи вашему вниманию образовательное видео о первом законе термодинамике и внутренней энергии.
Эта статья доступна на английском — First Law of Thermodynamics.
Источник: http://www.poznavayka.org/fizika/pervyiy-zakon-termodinamiki-i-ego-primenenie-v-fizike/
Термодинамика. Внутренняя энергия. Работа. Количество теплоты. Тепловые явления. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к различным процессам. Уравнение теплового балланса. Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели
| Раздел недели: | ||||||||||||||||||||||||||
главная страница / / Техническая информация / / Физический справочник / / Физика для самых маленьких. Шпаргалки. Школа. / / Термодинамика. Внутренняя энергия. Работа. Количество теплоты. Тепловые явления. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к различным процессам. Уравнение теплового балланса. Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели
Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос: |
||||||||||||||||||||||||||
| Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста. | ||||||||||||||||||||||||||
| Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. |
Источник: https://www.dpva.ru/Guide/GuidePhysics/PhysicsForKids/Thermodinamics/
Первый закон термодинамики
Здравствуйте! Первый закон термодинамики раскрывает связь между тепловой энергией и механической. Он устанавливает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту.
Первый закон термодинамики представляет собой балансовое уравнение изменения энергии в термодинамической системе:
u1-u2 = q + l + a, (1)
где u1- u2 — изменение удельной внутренней энергии тела; q — удельная теплота, которой обменивается тело с окружающей средой; l — удельная работа, связанная с изменением объема; а — работа немеханического характера.
Примером работы немеханического характера является работа, связанная с переносом электрического заряда, если система является диэлектриком, с мерой химического сродства при химическом взаимодействии веществ.
Если в системе не совершается работа немеханического характера, то уравнение первого закона термодинамики принимает вид
u1-u2 = q + l. (2)
Таким образом, первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии.
Если рабочее тело получает от окружающей среды q теплоты и совершает при этом l работы, то разность между подведенной теплотой и работой выразит изменение удельной внутренней энергии тела:
u2 — u1 = q — l. (3)
или
q = u2 – u1 + l. (4)
Это уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики: вся подведенная к рабочему телу теплота идет на изменение его внутренней энергии и на совершение работы.
Уравнение (4) можно также представить в виде:
q = Cv*(T2-T1) + p*(u2-u1).
Теплоту, подведенную к телу, принято считать положительной; теплоту, отведенную от тела, — отрицательной. Положительное изменение внутренней энергии тела характеризуется ее увеличением, отрицательное — уменьшением.
Количественным критерием различных форм движения материи (тепловой, механической, химической и так далее) служит энергия.
Таким образом, первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии, если брать термодинамические процессы.
В основе закона сохранения и превращения энергии постулат о том, что количество энергии сохраняется при различных превращениях одной формы движения в другую.
Общий принцип сохранения в природе был сформулирован значительно раньше, а сохраняемость энергии при переходе из одной формы в другую была сформулирована после накопления большого экспериментального объема информации о взаимопревращении энергии. Первый закон термодинамики определяет невозможность создания вечного двигателя первого рода, то есть двигателя, работающего и не заимствующего при этом энергию извне.
Если система может обмениваться с окружающей средой теплотой и работой, то подводимая к системе теплота Q затрачивается на изменение ее внутренней энергии ∆U и на совершение работы L против внешних сил:
Q = ∆U + L .
Исп. литература: 1) Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий, Н.М. Никифорова, под ред. Н.В. Тресковой, Москва, «Высшая школа», 1981. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,”Вышейшая школа”, 1976.
Источник: http://teplosniks.ru/texnicheskaya-termodinamika/pervyj-zakon-termodinamiki.html
Законы термодинамики и их описание :
Законы термодинамики называют также ее началами. На самом деле начало термодинамики представляет собой не что иное, как совокупность тех или иных постулатов, которые лежат в основе соответствующего раздела молекулярной физики.
Данные положения устанавливали в течение научных исследований. В то же время они были доказаны экспериментальным путем.
Почему же законы термодинамики принимают за постулаты? Все дело в том, что таким образом термодинамику можно строить аксиоматическим путем.
Основные законы термодинамики
Немного о структуризации. Законы термодинамики разделяются на четыре группы, каждая из которых имеет определенный смысл. Итак, что могут поведать нам начала термодинамики?
Первое и второе
Первое начало расскажет о том, как применяется закон сохранения энергии по отношению к той или иной термодинамической системе.
Второе начало выдвигает некоторые ограничения, которые применяются к направлениям термодинамических процессов. Более конкретно, они запрещают самопроизвольную передачу тепла, совершаемую от менее нагретого к более нагретому телу.
Есть у второго закона термодинамики и альтернативное название: закон возрастания энтропии.
Третье и четвертое
Третий закон описывает поведение энтропии вблизи абсолютного температурного нуля. Есть еще одно начало, последнее. Оно носит название “нулевой закон термодинамики”. Смысл его заключается в том, что любая замкнутая система придет к состоянию термодинамического равновесия и из него выйти уже самостоятельно не сможет. При этом ее начальное состояние может быть любым.
Зачем нужны начала термодинамики?
Законы термодинамики были изучены для того, чтобы описывать макроскопические параметры тех или иных систем. При этом конкретные предложения, имеющие связь с микроскопическим устройством, не выдвигаются.
Этот вопрос изучается отдельно, но уже другим ответвлением науки – статистической физикой. Законы термодинамики независимы друг от друга.
Что это может означать? Это нужно понимать так, что ни одно начало термодинамики из другого вывести невозможно.
Первое начало термодинамики
Как известно, термодинамическая система характеризуется несколькими параметрами, в числе которых есть и внутренняя энергия (обозначается буквой U). Последняя формируется из кинетической энергии, которую имеют все частицы.
Это может быть энергия поступательного, а также колебательного и вращательного движения. На этом моменте вспомним о том, что энергия может быть не только кинетической, но и потенциальной. Так вот, в случае идеальных газов потенциальной энергией пренебрегают.
Именно поэтому внутренняя энергия U будет складываться исключительно из кинетической энергии движения молекул и зависеть от температуры.
Эта величина – внутренняя энергия – называется иными словами функцией состояния, поскольку она определяется состоянием термодинамической системы. В нашем случае она определяется температурой газа. Следует отметить, что внутренняя энергия не зависит от того, каким был переход в состояние.
Допустим, что термодинамическая система совершает круговой процесс (цикл, как его называют в молекулярной физике). Иными словами, система, выйдя из начального состояния, подвергается определенным процессам, но в результате возвращается в первичное состояние.
Тогда нетрудно догадаться, что изменение внутренней энергии будет равно 0.
Как изменяется внутренняя энергия?
Изменить внутреннюю энергию идеального газа можно двумя способами. Первый вариант – совершить работу. Второй – сообщить системе то или иное количество теплоты. Логично, что второй способ подразумевает не только сообщение теплоты, но и ее отнятие.
Формулировка первого начала термодинамики
Их (формулировок) может быть несколько, так как все любят говорить по-разному. Но на самом деле суть остается той же.
Она сводится к тому, что количество теплоты, которое было подведено к термодинамической системе, расходуется на совершение идеальным газом механической работы и изменение внутренней энергии.
Если говорить о формуле или математической записи первого начала термодинамики, то она выглядит следующим образом: dQ = dU + dA.
– Все величины, которые входят в состав формулы, могут иметь разные знаки. Ничто не запрещает им быть отрицательными. Допустим, что к системе подводится количество теплоты Q. Тогда газ будет нагреваться.
Возрастает температура, а значит, увеличивается и внутренняя энергия газа. То есть и Q, и U будут иметь положительные значения. Но если внутренняя энергия газа увеличивается, он начинает вести себя активнее, расширяться.
Следовательно, работа также будет положительной. Можно сказать, что работу совершает сама система, газ.
– В случае если у системы забирают определенное количество теплоты, внутренняя энергия уменьшается, а газ сжимается. В таком случае можно говорить уже о том, что работу совершают над системой, а не она сама.
Предположим опять, что некоторая термодинамическая система совершает цикл. В таком случае (как уже было сказано ранее) изменение внутренней энергии будет равно 0.
Значит, работа, совершаемая газом или над ним, будет численно равна подведенной или отведенной к системе теплоте.
– Математическую запись этого следствия называют еще одной формулировкой первого начала термодинамики. Примерно она звучит следующим образом: “В природе невозможно существование двигателя первого рода, то есть, двигателя, который совершал бы работу, превосходящую полученную извне теплоту”.
Второе начало термодинамики
Нетрудно догадаться, что термодинамическое равновесие характерно для системы, в которой макроскопические величины остаются неизменными во времени. Это, конечно же, давление, объем и температура газа.
Их неизменность может быть построена на нескольких условиях: на отсутствии теплопроводности, химических реакций, диффузии и других процессов. Если под действием внешних факторов система была выведена из термодинамического равновесия, она к нему со временем вернется.
Но если эти факторы будут отсутствовать. Причем произойдет это самопроизвольно.
Мы пойдем немного другим путем, отличным от того, что рекомендуют многие учебники. Для начала ознакомимся со вторым началом термодинамики, а уже потом разберемся, что за величины в него входят, и что они обозначают.
Итак, в замкнутой системе при наличии любых протекающих в ней процессов энтропия не убывает. Записывается второе начало термодинамики следующим образом: dS >(=) 0.
Здесь знак > будет связан с необратимым процессом, а знак = – с обратимым.
Что же называется в термодинамике обратимым процессом? А это такой процесс, при котором система возвращается (спустя череду каких-то процессов) к своему первоначальному состоянию. Причем в этом случае ни в системе, ни в окружающей среде никаких изменений не остается.
Иными словами, обратимый процесс – это такой процесс, для которого возможно возвращение в начальное состояние через промежуточные состояния, идентичные прямому процессу. В молекулярной физике таких процессов очень мало. Например, переход количества теплоты от более нагретого тела к менее нагретому будет необратимым.
Аналогично и в случае диффузии двух веществ, а также распространения газа на весь объем.
Энтропия
Энтропия, имеющая место во втором законе термодинамики, равна изменению количества теплоты, деленному на температуру. Формула: dS = dQ/T. Она имеет определенные свойства.
Источник: https://www.syl.ru/article/206000/mod_zakonyi-termodinamiki-i-ih-opisanie
Загрузка...
