Первый закон (начало) термодинамики

Рассмотрим замкнутую ТДС из трёх тел. Пусть между телами 1 и 2 произошла теплопередача, а между телами 1 и 3 – механическое взаимодействие, причём тело 2 отдало телу 1 количество теплоты Q, а тело 3 совершило над телом 1 механическую работу А. При этом внутренняя энергия тела 1 изменилась на DU₁. По закону сохранения и превращения энергии DU₁ = Q + A, где Q = –DU₂ – изменение внутренней энергии тела 2; A = –DЕ₃ – изменение механической энергии тела 3.

Знак «–» указывает, что тела 2 и 3 теряют энергию.

Тело 1 – система, для которой можно сформулировать первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии DU системы равно сумме количества теплоты Q, переданного системе, и работы А, совершенной над ней внешними силами.

Вместо работы А, совершённой над системой, можно рассмотреть работу А'=-A совершённую системой. Тогда и первый закон термодинамики: количество теплоты Q, сообщаемое системе, идёт на изменение её внутренней энергии DU и совершение ею работы А' против внешних сил.

3.2.2. Применение первого закона термодинамики
к изопроцессам в идеальном газе

Первый закон термодинамики позволяет установить соотношение теплоты и работы в изопроцессах.

1. Изотермический процесс: .

Из T = const (DТ = 0) и U ~ T Þ DU = 0. Тогда , т. е. всё подведённое к газу количество теплоты идёт на совершение механической работы.

2. Изобарический процесс: .

Из U ~ T Þ DU ~ DT. Из DТ ¹ 0 Þ DU ¹ 0. Тогда , т. е. часть подведённого к газу количества теплоты идёт на увеличение его внутренней энергии, а часть – на совершение им механической работы.

3. Изохорический процесс:

Из DV = 0 Þ A' = pDV = 0. Тогда , т. е. всё подведённое к газу количество теплоты идёт на увеличение его внутренней энергии.

4. Адиабатический процесс:

· Адиабатический процесс – процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой.

Из Q = 0 Þ , т. е. система совершает работу против внешних сил только за счёт уменьшения своей внутренней энергии. Если внешние силы совершают работу над системой, то её внутренняя энергия увеличивается. Из видно, что адиабата круче изотермы (при изотермическом сжатии р возрастает только с ростом n, тогда как при адиабатическом – с ростом n и Т).

Адиабатический процесс – идеальный. Реальные процессы можно приближённо считать адиабатическими, если выполняется хотя бы одно из условий:

1) система хорошо теплоизолирована;

2) процесс протекает быстро (теплообмен с окружающей средой не успевает произойти).

Тепловая машина

Тепловая машина – машина, совершающая механическую работу за счёт внутренней энергии топлива.

Рабочее тело – газ, совершающий работу в тепловой машине.

Нагреватель– устройство, сообщающее рабочему телу количество теплоты Q₁ при температуре Т₁.

Холодильник – устройство, отнимающее от рабочего тела количество теплоты Q₂ при температуре Т₂.

Рассмотрим тепловую машину, в цилиндре которой газ имеет параметры p₁V₁T₁. Нагреем газ изохорически до p₂V₁T₂. Когда сила давления газа на поршень будет равна весу поршня, он пойдёт вверх, при этом газ изобарически расширяется и его температура увеличивается до Т₃. Когда поршень достигнет верхней точки (объём станет V₂), прекратим нагревание. Газ получил количество теплоты Q₁ от нагревателя и его параметры стали p₂V₂T₃. Вернуть газ в исходное состояние p₁V₁T₁ можно, например, путём сначала изохорического, а затем изобарического охлаждения. Для этого у рабочего тела надо отнять количество теплоты Q₂ (это делает холодильник). В итоге поршень вернётся в начальное положение, и говорят, что машина совершила 1 цикл. График процесса p(V):

Таким образом, тепловая машина должна иметь рабочее тело, нагреватель и холодильник. За один цикл изменение внутренней энергии газа DU = 0. Q = DU + A' Þ Q = A'. Работа A', совершённая рабочим телом за 1 цикл, равна количеству теплоты , сообщённому газу за этот цикл.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины

.

В 1824 г. Сади Карно (1796–1832, Франция) установил, что независимо от конструкции идеальной тепловой машины и выбора рабочего тела, растёт при увеличении Т₁ и уменьшении Т₂. . Реальный .

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: