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.