Приложение 1, 2

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

1) Изотермическое сжатие

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся графическим истолкованием работы для процесса ( рис.3)

рис.3

рис.4

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U= 3/2 v RT=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Над газом совершается работа А>0, а тепло выделяется Q<0.

Первый закон термодинамики U=A+Q выглядит так:

0 = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду ( внутренняя энергия не изменяется)

А блок –схема 1 закона для изотермического сжатия приведена на рис. 4

2) Изотермическое расширение

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся графическим истолкованием работы для процесса( рис.6)

рис.6

рис.7

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Газ совершает работу А<0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = A

Газ совершает работу за счет поглощения тепла из внешней среды ( внутренняя энергия не изменяется)

Блок - схема первый закона термодинамики для изотермического сжатия представлена на рис. 7

3) Изобарное нагревание.

Воспользуемся интерактивной моделью и (пронаблюдаем изобарное нагревание) ( рис. 8) и графическим представлением работы ( рис. 9)

рис.8

рис.9

рис.10

При изобарном нагревании температура увеличивается ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), газ совершает работу , тепло поглощается.

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = U – A

Газ получает тепло из внешней среды. Полученная таким образом энергия тратится на увеличение внешней энергии и на совершение работы.

В итоге блок - схема первого закон термодинамики выглядит как на рис.10

4) Изобарное охлаждение

Пронаблюдав процесс изобарного охлаждения на интерактивной модели ( рис.11) и воспользовавшись рис.12 можем сделать вывод:

рис.11

рис.12

рис.13

при изобарном охлаждении температура уменьшается (  T<0 ), внутренняя энергия уменьшается ( U<0), над газом совершается работа , тепло выделяется.

Первый закон термодинамики выглядит так:

U = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду, а его внутренняя уменьшается .

Блок – схема для 1 закона термодинамики для этого случая представлен на рис. 13

5) Изохорное нагревание

Изохорное нагревание пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис14) и воспользуемся графиком на рис 15. Вывод:

рис. 14

рис. 15

рис. 16

При изохорном нагревании ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0) , работа A=pV равна нулю, т.к.  V=0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=Q

Газ увеличивает свою внутреннюю энергию за счет теплоты, полученной из внешней среды.

Интерпретация 1 закона термодинамики для изохорного нагревания представлена на рис. 16

6) Изохорное охлаждение

Изохорное охлаждение пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис17) и графиком на рис 18. Вывод:

рис. 17

рис. 18

рис. 19

При изохорном охлаждении ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается(U<0 , работа A=pV равна нулю, т.к.  V=0, а тепло выделяется (Q<0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

- U=-Q

Газ выделяет тепло во внешнюю среду; при этом его внутренняя энергия уменьшается.

7) Адиабатное сжатие

Адиабатным называется процесс изменения объема и давления газа при отсутствии теплообмена с окружающими телами.

·         Примеры адиабатных процессов:

·         сжатие воздуха в воздушном огниве;

·         сжатие воздуха в дизеле;

Пронаблюдаем процесс адиабатное сжатие и построение адиабаты на интерактивной модели процесса. ( рис. 20 и рис.21)

рис. 20

рис. 21

рис. 22

 При адиабатном сжатии температура увеличивается(  T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), над газом совершается работа А>0, а количество теплоты равно нулю.

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=A

Над газом совершается работа, при этом внутренняя энергия газа увеличивается.

8) Адиабатное расширение

Пронаблюдаем адиабатное расширение и построение адиабаты на интерактивной модели процесса. ( рис. 23 и рис. 24 )

рис. 23

рис.24

рис.25

При адиабатном расширении температура уменьшается (  T<0 ), внутренняя энергия уменьшается ( U<0), газ совершает работу ( А<0), а количество теплоты равно нулю.

Первый закон термодинамики выглядит так:

0= - U+A

Газ совершает работу только за счет своей внутренней энергии. ( Внутренняя энергия при этом уменьшается)

Мы познакомились с новым процессом – адиабатным, а для всех процессов записали первый закон термодинамики.

В результате у нас получилась таблица 1 

(W) Объяснение учителя: Второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами:

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. 3.12.1 изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.

Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.

Приложение- 1

1. Идеальный газ в количестве 4 моль изобарически нагревают при давлении Зр так, что его объем увеличивается в 3 раза. Затем газ изохорически охлаждают до давления р, после чего изобарически сжимают до первоначального объема и  изохорически нагревают до начальной температуры Тг = 250 К. Изобразить циклический процесс в координатах p,V и  определить работу газа в этом процессе.
2. В двух цилиндрах под подвижным поршнем  находятся водород и кислород. Сравнить работы, которые совершают эти газы при изобарном нагревании, если их массы, а также начальные и конечные температуры равны.
3. Какую работу совершил воздух массой 200 г при его изобарном нагревании на 20 К? Какое количество теплоты ему при этом сообщили?
4. Для изобарного нагревания газа, количество  вещества которого 800 моль, на 500 К ему сообщили количество теплоты 9,4 МДж. Определить работу газа и приращение его внутренней энергии.
5. Удельная теплоемкость азота, когда его  нагревают при постоянном давлении, равна 1,05 кДжДкг • К), а при постоянном объеме — 0,75 кДж/(кг#К). Почему эти  величины имеют разные значения? Какая совершается работа при изобарном нагревании азота массой 1 кг на 1 К?
6. Объем кислорода массой 160 г, температура  которого 27 °С, при изобарном нагревании увеличился вдвое. Найти работу газа при расширении, количество теплоты,  которое пошло на нагревание кислорода, изменение внутренней энергии.
7. Во сколько раз количество теплоты, которое идет на нагревание газа при постоянном давлении, больше  работы, совершаемой газом при расширении? Удельная  теплоемкость газа при постоянном давлении с_ру молярная масса М.
8. Найдя по таблицам значение удельной теплоемкости воздуха с_р и зная молярную массу М, вычислить, во сколько раз большее количество теплоты потребуется для  изобарного нагревания, чем для изохорного. Масса воздуха и  разность температур в обоих случаях одинаковы.

Приложение- 2

1. Как изменится внутренняя энергия идеального газа при изотермическом сжатии?
2. Какое выражение соответствует первому закону термодинамики, примененному к изохорному процессу?

3. Чему равно изменение внутренней энергии газа, если ему передано количество теплоты 300 Дж, а внешние силы совершили над ним работу 500 Дж?
4. В левой части теплоизолированного сосуда, разделенного перегородкой, находится идеальный газ, в правой части – вакуум. Как изменится температура газа, если перегородку быстро убрать?
5. Какое количество теплоты нужно передать одному молю одноатомного идеального газа, чтобы изобарно увеличить его объем в 3 раза? Начальная температура газа T=300 К
6. На диаграмме p–V) изображен термодинамический цикл. Чему равна полезная работа, совершенная газом за цикл?

Приложение 1

Скачано с www.znanio.ru