Первое начало термодинамики

План

Внутренняя энергия.
Первое начало термодинамики.
Изопроцессы.
Работы при изопроцессах.
Адиабатический процесс.
Теплоемкость.

Внутренняя энергия тела.

Внутренняя энергия тела слагается из кинетической энергии поступательного и вращательного движения молекул, кинетической и потенциальной энергии колебательного движения атомов в молекулах, потенциальной энергии взаимодействия между молекулами и внутримолекулярной энергии (внутриядерной).

Кинетическая и потенциальная энергия тела как целого не входит во внутреннюю энергию.

Внутренняя энергия термодинамической системы тел слагается из внутренней энергии взаимодействия между телами и внутренней энергии каждого тела.

Работа термодинамической системы над внешними телами заключается в изменении состояния этих тел и определяется количеством энергии, которую термодинамическая система передает внешним телам.

Теплота - это количество энергии, представляемое системой внешним телам при теплообмене. Работа и теплота не являются функциями состояния системы, а функцией перехода из одного состояния в другое.

Термодинамической системой – называют такую систему, совокупность макроскопических тел, которые могут обмениваться энергией между собой и с внешней средой (с другими телами) (Например, жидкость и находящийся над ней пар). Термодинамическая система характеризуется параметрами:

P, V, T, и т.д.

Состояния системы, когда хотя бы один из параметров изменяется, называется неравновесными.

Термодинамические системы, которые не обмениваются с внешними телами энергией, называются замкнутыми.

Термодинамический процесс – переход системы из одного состояния (P1,V1,T1) в другое (P2,V2,T2) – нарушение равновесия в системе.

Первое начало термодинамики.

Количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики - это специальный случай закона сохранения энергии, учитывающий внутреннюю энергию системы:

Q=U2-U1+A;

U1, U2 - начальное и конечное значения внутренней энергии тела.

A - работа, совершаемая системой.

Q - Количество теплоты, сообщаемое системе.

В дифференциальном виде:

dQ=dU+dA;

dU - есть полный дифференциал, и он зависит от разности начального и конечного состояния системы.

dQ и dA – неполные дифференциалы, зависят от самого процесса, то есть от пути совершения процесса. Работа совершается тогда, когда изменяется объем:

dA=Fdx=pSdx =pdV;

dA=pdV;

Первое начало термодинамики - невозможен вечный двигатель первого рода, то есть двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получаемая им извне энергия.

- не зависит от пути интегрирования.

- зависит от пути интегрирования функции процесса и нельзя записать:

A2 - A1; Q2 - Q1;

A, Q - не являются функциями состояния. Нельзя говорить о законе работы и теплоты.

Это и есть не что иное, как закон сохранения энергии.

Изопроцессы.

1) Изохорический процесс:

V=сonst;

Процесс при нагревании газа в замкнутом объеме.

dQ=dU+pdV,

pdV=0; dU=dU,

Первое начало термодинамики приобретает такой вид.

Теплоемкость при V-const:

Теплоемкость определяется отношение приращения полученного системой тепла к приращению температуры.

2) Изобарический процесс:

P=const;

dQ=dU+dA;

Разделим на dT (для 1 моля газа):

pV=RT,

Cp=Cv+R,

3) Изотермический процесс:

T=const,

PV=A;

Поскольку внутренняя энергия зависит от T, то при изотермическом расширении dU=0:

dQ=dA,

Подводимые к газу при изотермическом расширении тепло целиком превращается в работу расширения.

dQ стремится к , dT стремится к 0.

4) Адиабатический процесс:

Без теплообмена с окружающей средой. Первое начало термодинамики приобретает вид:

dQ=0; dU+dA=0,

dU+dA=0; dA=-dU,

При адиабатическом процессе работа совершается только за счет убыли внутренней энергии газа.

Процессы, в которых dQ=0 - адиабатические. Адиабатические процессы всегда сопровождаются изменением температуры тела. Так как при адиабатическом расширении работа, совершается за счет внутренней энергии (1кал= 4,19 Дж).

Работа при изопроцессах.

1) Изохорический процесс:

V=const

dA=pdV=0; Av=0,

Работа сил давления при равновесном процессе численно равна площади под кривой, изображающей процесс на PV - диаграмме:

dA=pdV.

2) Изобарический процесс:

p=const;

dA=pdV;

3) Изотермический процесс:

T=const;

dA=pdV;

dV=RT;

;

Равновесие процесса:

4) Адиабатический процесс:

dQ=dU+pdV;

dU=-pdV,

dQ=0; dU=CvdT,

Интегрируем:

+ (-1)·lnV= const,

(TV-1)= const,

(TV-1) = const – уравнение Пуассона

;

РV = const.

6. Теплоемкость.

1) Теплоемкостью тела называют количество теплоты, которое надо сообщить телу, чтобы оно нагрелось на 1 0С.

Cp= CV+R; CP>CV,

Теплоемкость можно отнести к единице массы, одному молю и единице объема. Соответственно: удельная, молярная, объемная ([Дж/кг*град]; [Дж/мол*град]; [Дж/м3*град]).

2)Теплоемкость в реальных газах: