Физика 10 класс "Термодинамика"

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамика – теория тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел

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

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

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

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

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

Способы изменения ВНУТРЕННЕЙ

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

Опыт Джоуля по определению механического эквивалента теплоты

(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

Расчет работы в термодинамике

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

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

Работа при изменении объема

При расширении работа газа положительна.
A = pV - работа газа

При сжатии - отрицательна.
A' = ‒ pV - работа внешних сил.

Используя уравнение Менделеева-Клапейрона , получим:

Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, получим:

в изотермическом процессе .

в изотермическом процессе

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

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

Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2)

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

При осуществлении кругового процесса в направлении ВСDЕВ работа газа за цикл - положительна

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

См. ТеасhPrо 1 закон термодинамики

См. ТеасhPrо
1 закон термодинамики

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы

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:

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

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

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

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

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

Опыт "воздушное огниво" . Возьмем толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем

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

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!

См. физикон Физика 7-11 Лаборатории

См. физикон Физика 7-11 Лаборатории Адиабатный процесс

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА

ПРИМЕНЕНИЕ

ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

К РАЗЛИЧНЫМ ПРОЦЕССАМ

Процесс Посто янные Измене ние внутренней энергии

Процесс	Посто янные	Измене ние внутренней энергии	Запись 1-го закона термо динамики	Физический смысл

Q = Δ U + A Изобарный процесс

ı закон термодинамики

Q = ΔU + A

Изобарный процесс A = p V

Изотермический процесс

Изменение внутренней энергии

Процесс Постоянные Изменение внутренней энергии

Процесс	Постоянные	Изменение внутренней энергии	Запись 1-го закона термодинамики	Физический смысл
Изотермическое расширение	m=const M=const T=const pV=const	ΔΤ = 0 U=0 U=const	Q = A'	Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на совершение этой системой механической работы.
Изотермическое сжатие	m=const M=const T=const pV=const	ΔΤ = 0 U=0 U=const	Q = – A	Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Вся работа внешних сил выделяется в виде тепла.

Изотермический процесс

Первое начало термодинамики для изотермического процесса

Первое начало термодинамики для изотермического процесса.

M=const V=const m=const M=const

m=const
M=const
V=const

Процесс	Постоянные	Изменение внутренней энергии	Запись 1-го закона термодинамики	Физический смысл
Изохорное нагревание	m=const M=const V=const	p T U U>0	A = 0 Q = U	Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии.
Изохорное охлаждение	m=const M=const V=const	p T U U<0	A = 0 Q =U<0	Система уменьшает свою внутреннюю энергию, отдавая тепло окружающим телам.

Изохорный процесс

Первое начало термодинамики для изохорного процесса

Первое начало термодинамики для изохорного процесса.

M=const p=const Процесс Постоянные

m=const
M=const
p=const

Процесс	Постоянные	Изменение внутренней энергии	Запись 1-го закона термодинамики	Физический смысл
Изобарное расшире ние (нагрева ние)	m=const M=const p=const	V T U U>0	Q = U+A' U = Q-А'>0	Количество теплоты, переданное системе, превышает совершенную ею механическую работу. Часть тепла расходуется на совершение работы, а часть – на увеличение внутр. энергии.
Изобарное сжатие (охлаждение)	m=const M=const p=const	V T U U<0	U = Q+A<0 Q<0	Количество теплоты, отдаваемое системой, превышает работу внешних сил. Часть тепла система отдает за счет уменьшения внутр. энергии.

Изобарный процесс

Первое начало термодинамики для изобарного процесса

Первое начало термодинамики для изобарного процесса.

Адиабатный процесс Процесс Постоянные

Адиабатный процесс

Процесс	Постоянные	Изменение внутренней энергии	Запись 1-го закона термодинамики	Физический смысл
Адиабатное расши рение	m = const M = const	U<0 UT	Q = 0 A' > 0 U= ‒ A' < 0 A'= ‒U	Система совершает механическую работу только за счет уменьшения своей внутренней энергии.
Адиабатное сжатие	m = const M = const	U>0 UT	Q=0 A>0 U = A	Внутренняя энергия системы увеличивается за счет работы внешних сил.

Первое начало термодинамики для адиабатного процесса

Первое начало термодинамики для адиабатного процесса.

Название процесса Изменение внутренней энергии

Название процесса	Изменение внутренней энергии	Запись ı закона термодинамики	Следствия из I закона термодинам.
Изотермич. Т = const
Изохорный V = const
Изобарный Р = const
Адиабат- ный

Материалы на данной страницы взяты из открытых истончиков либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.

29.08.2023