Основы термодинамики

Основы
термодинамики
Урок физики в 10 классе
2
1. Какое движение
называют тепловым?
2. Как связано движение
молекул с температурой тела?
3.
Чем отличается движение
молекул в твердых телах,
жидкостях и газах?
3
4. Какую энергию называют
внутренней?
5. На верхней и нижней полках
шкафа лежат два совершенно
одинаковых шара. Какой из
них обладает большей
внутренней энергией?
Потенциальной энергией?
Кинетической энергией?
4
6. Один мяч лежит на земле,
другой, точно такой же, летит
через поле. Какой из мячей
обладает большей потенциальной
энергией? Кинетической
энергией? Внутренней энергией?
7. От чего зависит внутренняя
энергия тела?
5
_________
Термодинамика – теория тепловых
процессов, в которой не учитывается
молекулярное строение тел.
Внутренняя энергия
• Определение:
Внутренняя энергия тела – это сумма
кинетической энергии хаотического
теплового движения частиц (атомов и
молекул) тела и потенциальной энергии
их взаимодействия
• Обозначение:
U
• Единицы измерения:
[Дж]
Внутренняя энергия
идеального одноатомного газа
U  NE ,
k
m
N 
NА  число молекул
M
кинетическая энергия
3
E 
kT  одной молекулы
k
2
3
U  NАkT
2
(NAk = R)
Внутренняя энергия
идеального одноатомного газа
3m
U
RT
2M
Внутренняя энергия
идеального двухатомного газа
5m
U
RT
2M
Так как
m
pV 
RT
M
- уравнение Клапейрона –
Менделеева,
то внутренняя энергия:
3
U  pV
2
5
U  pV
2
- для одноатомного газа
- для двухатомного газа.
В общем виде:
i m
i
U
RT  pV
2M
2
где i – число степеней свободы молекул газа
(i = 3 для одноатомного газа и i = 5 для
двухатомного газа)
Внутренняя энергия тела
Евн = Еп + Ек всех молекул тела
Молекулы обладают
потенциальной
энергией, т.к.
взаимодействуют друг с
другом
Еп зависит от
расстояния между
молекулами
(агрегатного
состояния вещества)
Молекулы обладают
кинетической
энергией, т.к.
непрерывно движутся
Ек зависит от
скорости движения
молекул
(температуры)
13
14
Способ 1
Увеличение
внутренней
энергии
произошло за
счет совершения
работы при
натирании
трубки веревкой
15
Внутреннюю
энергию тела
можно
увеличить,
совершая над
телом
механическую
работу.
(удар, сгибание,
разгибание –
деформация)
16
Сжатый воздух
выталкивает пробку
и при этом
охлаждается.
Внутренняя
энергия тела
уменьшается,
если тело само
совершает
механическую работу
17
18
Вода в цилиндре
нагревается,
кипит, образуется пар.
Нагретый пар
расширяется
и выталкивает пробку.
Внутренняя энергия
пара
превращается
в механическую
энергию пробки
19
Способ 2
100⁰ С
60⁰ С
Металлический цилиндр
передал воде
часть своей внутренней энергии
20
Процесс изменения
внутренней энергии без
совершения работы над
телом или самим телом
называется теплопередачей
21
Изменение внутренней энергии
тела ΔU
Совершение
работы А
Теплообмен Q
теплопроводность
над
телом
ΔU
самим
телом
ΔU
излучение
конвекция
Работа в термодинамике
• Работа газа:
A  p(V2  V1)  pV
• Работа внешних сил:
A   A
Работа газа при изопроцессах
• При изохорном процессе (V=const):
ΔV = 0 работа газом не совершается:
A  0
P
V
Изохорное нагревание
• При изобарном процессе (Р=const):
A  pV
P
1
2
P
Изобарное расширение
V
V1
V2
A  0
•При изотермическом процессе
(Т=const):
P
m
V2
A 
RT ln
M
V1
1
Изотермическое расширение
2
Р2
V1
V2
A  0
V
Геометрическое
истолкование работы:
Работа, совершаемая газом в процессе его расширения (или
сжатия) при любом термодинамическом процессе,
численно равна площади под кривой, изображающей
изменение состояния газа на диаграмме (р,V).
P
P
Р1
P
1
S
Р2
V
V1
V2
S
V1
2
V2
V
Количество теплоты – часть
внутренней энергии, которую тело получает или
теряет при теплопередаче
Процесс
Нагревание или
охлаждение
Кипение или
конденсация
формула
Q  cmT
Q  rm
С – удельная теплоёмкость
вещества [ Дж/кг 0К], m –
масса [кг], ΔT – изменение
температуры [ 0K].
r – удельная теплота
парообразования [ Дж/кг ]
Плавление или
кристаллизация
Q  m
Сгорание
топлива
– удельная теплота сгорания
Q  qm qтоплива
[ Дж/кг ]
λ- удельная теплота плавления
вещества [ Дж/кг ]
Анализ результатов опытов и наблюдений природных явлений,
выполненных к середине XIX века, привел немецкого ученого
Р.Майера, английского ученого Д-Джоуля и немецкого ученого
Г.Гельмгольца к выводу о существовании закона сохранения
энергии: При любых взаимодействиях тел энергия не исчезает
бесследно и не возникает из ничего. Энергия только передается от
одного тела к другому или превращается из одной формы в
другую.
Рассмотрим три тела
Q
2
1
A
3
При теплопередаче количества теплоты Q внутренняя энергия тела 2
изменится на U2= - Q, а внутренняя энергия тела 3 в результате
совершения работы изменится на U3 = - A. В результате теплопередачи
и механического взаимодействия внутренняя энергия каждого из трёх
тел изменится, но в изолированной термодинамической системе, в
которую входят все три тела, внутренняя энергия остаётся неизменной.
Первый закон термодинамики
Изменение внутренней
энергии системы при
переходе её из одного
состояния в другое равно
сумме работы внешних
сил и количества
теплоты, переданного
системе
Количество теплоты,
переданное системе,
идёт на изменение её
внутренней энергии и на
совершение системой
работы над внешними
телами
U  A  Q
Q  U  A
Применение первого закона
термодинамики к различным
процессам
Процесс
Изохорный
Постоянный Первый закон
параметр
термодинамики
V = const
ΔU = Q
Изотермический Т = const
Q = A'
Изобарный
Р = const
Q = ΔU + A'
Адиабатный
Q = const
ΔU = -A'
1. Изотермический процесс.
При изотермическом расширении и сжатии
температура газа не меняется.
T = const,
U = 0; Q = A'
Если Q > 0 система получает тепло ; A' > 0 газ совершает
положительную работу.
Q < 0 - система отдает тепло;
A' < 0, A > 0. Работа внешних сил положительна.
2. Изохорный процесс.
V- пост. V = 0 , A' = P V = 0, A' = 0
U = Q, Q > 0, U > 0 - увеличивается
Q < 0, U < 0 - уменьшается
Изменение внутренней энергии равно
количеству теплоты.
3. Изобарный процесс.
P - пост. При нагревании газа ( передача ему количества
теплоты ) происходит увеличение внутренней энергии и
совершение работы расширения
Q = U + A' = U + PV
При изобарном сжатии газа необходимо внешним силам
совершить работу, чтобы давление осталось постоянным.
Газ должен отдать окружающим телам некоторое
количество теплоты
Q > A ( при сжатии ) U = A - Q Q = A -U, U < 0
4. Адиабатный процесс
Q = 0 Адиабатным называется процесс изменения
объема и давления газа при отсутствии теплообмена с
окружающими телами.
Быстро
Примеры
: текущие процессы могут
быть близки к адиабатным, если время за которое
происходит изменение объема газа, значительно
а) сжатие
воздуха внеобходимого
воздушном огниведля
(опыт);установления
меньше
времени,
б) сжатие
воздуха вгаза
дизеле;
теплового
равновесия
с окружающими телами.
в) образование облаков.
Q = 0, U = -A' U - увеличение при сжатии
U = A U - уменьшение при расширении
Температура воздуха при адиабатном расширении понижается.
Опыт: с вылетающей из бутылки пробки, содержащей
насыщенный водяной пар, при накачивании в нее воздуха, в ней
образуется туман.
Одним из главных следствий
первого закона термодинамики
является невозможность
построения вечного двигателя.