Термодинамика
Внутренняя энергия тела.
Внутренняя энергия - величина, характеризующая термодинамическое состояние тела. Каждое тело состоит из частиц, которые постоянно движутся и взаимодействуют друг с другом. Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии движения частиц вещества и потенциальной энергии их взаимодействия.
Внутренняя энергия тела может изменяться при взаимодействии с окружающими телами.
Способы изменения внутренней энергии тела: теплообмен и совершение механической работы (над телом или самим телом).
Теплообмен - вид теплопередачи без совершения работы. При этом энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение.
Теплопроводность - передача энергии от более нагретых тел к менее нагретым или от более нагретых частей тела к менее нагретым в результате теплового движения частиц.
Конвекция - перенос энергии потоками жидкости или газа.
Излучение -перенос энергии разного рода лучами (электромагнитными волнами).
Первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.
ΔU = Q + A
где ΔU- изменение внутренней энергии, Q- количество теплоты, преданное системе, A- работа внешних сил.
Работа самой системы A` = -A, тогда первый закон термодинамики можно сформулировать так:
Количество теплоты, переданное системе, идёт на измене её внутренней энергии и на совершение системой работы.
Применение первого закона термодинамики
к различным изопроцессам.
1. Изотермический процесс.
При изотермическом процессе температура не изменяется, следовательно ΔТ = 0, поэтому ΔU=0.
Тогда первый закон термодинамики принимает вид: Q = А`. Всё получаемое количество теплоты идёт на совершение работы.
2. Изохорный процесс.
При изохорном процессе объём газа не меняется, а следовательно работа газом не совершается, т.е.А`=0.
Поэтому первый закон термодинамики принимает вид: Q =ΔU . Всё получаемое количество теплоты идет на изменение внутренней энергии.
3. Изобарный процесс.
При изобарном процессе переданное газу количество теплоты идёт на изменение внутренней энергии и на совершение работы:
.
4. Адиабатный процесс.
При адиабатном процессе отсутствует теплообмен с окружающей средой, т.е. Q = 0.
Тогда первый закон термодинамики принимает вид: A`= - ΔU. Газ совершает работу за счёт уменьшения своей внутренней энергии (при расширении газ охлаждается).
Тепловые двигатели.
Устройство, в котором происходит преобразование внутренней энергии в механическую называют тепловым двигателем.
Основные элементы теплого двигателя: нагреватель, рабочее тело, холодильник. В качестве рабочего тела чаще используют газ, который при расширении совершает работу.
Двигатель должен работать циклически, следовательно должна существовать последовательность процессов, приводящих рабочее тело в первоначальное состояние. Такую последовательность процессов называют рабочим циклом тепловой машины. В ходе цикла работа газа совершаемая при расширении должна быть больше работы внешних сил по сжатию газа, в противном случае полезной работы тепловой двигатель совершать не будет. Чтобы работа по сжатию газа оказалась меньше, необходимы нагреватель и холодильник.
КПД теплового двигателя.
Работа, совершаемая рабочим телом, равна разности получаемого от нагревателя и отданного холодильнику количеств теплоты.
КПД теплового двигателя:
.
Второй закон термодинамики.
В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого был бы преобразование в механическую работы всего количества теплоты, полученного от нагревателя.