Чтение онлайн

на главную - закладки

Жанры

Концепции современного естествознания
Шрифт:

pVm= RT.

Числовое значение молярной газовой постоянной R = 8,31 Дж/моль · K.

Первое начало термодинамики

Первое начало, или первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии для тепловых систем, удобно рассмотреть на примере работы тепловой машины. В состав тепловой машины входят источник тепла Q1, рабочее тело, например цилиндр с поршнем, под которым газ может нагреваться (Q1) или охлаждаться холодильником, отбирающим от рабочего тела тепло Q2. При этом может совершаться работа A и изменяется внутренняя энергия U.

Энергия теплового

движения может превращаться в энергию механического движения, и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии. Применительно к термодинамическим процессам это и есть первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных. Опыт показывает, что изменение внутренней энергии U определяется разностью между количеством теплоты Q1, полученной системой, и работой А:

U = Q1– A

или:

Q1= A1 + U.

В дифференциальной форме:

dQ = dA + dU.

Первое начало термодинамики определяет вторую функцию состояния – энергию, точнее, внутреннюю энергию U, которая представляет энергию хаотического движения всех молекул, атомов, ионов и т. д., а также энергию взаимодействия этих микрочастиц. Если система не обменивается с окружающей средой энергией или веществом (изолированная система), то dU = 0, а U = const в соответствии с законом сохранения энергии. Отсюда следует, что работа А равна количеству теплоты Q, то есть периодически действующий двигатель (тепловая машина) не может совершать работу большую, чем сообщенная ему извне энергия, а это значит, что невозможно создать двигатель, который путем каких-то преобразований энергии может увеличить ее общее количество.

Круговые процессы (циклы). Обратимые и необратимые процессы

 Круговым процессом (циклом) называется такой процесс, при котором система проходит через ряд состояний и возвращается в исходное состояние. Такой цикл можно представить замкнутой кривой в осях P, V, где P – давление в системе, а V – ее объем. Замкнутая кривая состоит из участков, где объем увеличивается (расширение), и участка, где объем уменьшается (сжатие).

При этом работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой. Цикл, который протекает через расширение, а потом сжатие, называется прямым, он используется в тепловых машинах – периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученного извне тепла. Цикл, который протекает через сжатие, а потом расширение, называется обратным и используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится от одного тела к другому. В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние:

U =0, Q = A

Система может как получать теплоту, так и отдавать. Если система получает Q1 теплоты, а отдает Q2, то термический коэффициент полезного действия для кругового процесса

Обратимые процессы могут происходить как в прямом, так и в обратном направлении

В идеальном случае, если процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде не происходит никаких изменений Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов, при которых всегда происходит некоторая потеря энергии (на трение, теплопроводность и т д)

Понятие обратимого кругового процесса ввел в физику в 1834 г французский ученый Б Клапейрон

Идеальный цикл теплового двигателя Карно

Когда мы говорим об обратимости процессов, следует учитывать, что это некоторая идеализация. Все реальные процессы необратимы, поэтому и циклы, по которым работают

тепловые машины, также необратимы, а значит и неравновесны. Однако для упрощения количественных оценок таких циклов необходимо считать их равновесными, то есть как если бы они состояли только из равновесных процессов. Этого требует хорошо разработанный аппарат классической термодинамики.

Знаменитый цикл идеального двигателя Карно считается равновесным обратным круговым процессом. В реальных условиях любой цикл не может быть идеальным, так как существуют потери. Он совершается между двумя источниками теплоты с постоянными температурами у теплоотдатчика Т1 и теплоприемника Т2, а также рабочим телом, в качестве которого принят идеальный газ (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Цикл теплового двигателя

Полагаем, что Т1 > Т2 и отвод тепла от теплоотдатчика и подвод тепла к теплоприемнику не влияют на их температуры, T1 и T2 остаются постоянными. Обозначим параметры газа при левом крайнем положении поршня теплового двигателя: давление – Р1 объем – V1, температура Т1. Это точка 1 на графике на осях P-V. В этот момент газ (рабочее тело) взаимодействует с теплоотдатчиком, температура которого также Т1. При движении поршня вправо давление газа в цилиндре уменьшается, а объем увеличивается. Это будет продолжаться до прихода поршня в положение, определяемые точкой 2, где параметры рабочего тела (газа) примут значения P2, V2, T2. Температура в этой точке остается неизменной, так как температура газа и теплоотдатчика одинакова в процессе перехода поршня от точки 1 к точке 2 (расширение). Такой процесс, при котором Т не изменяется, называется изотермическим, а кривая 1–2 называется изотермой. В этом процессе от теплоотдатчика к рабочему телу переходит теплота Q1.

В точке 2 цилиндр полностью изолируется от внешней среды (теплообмена нет) и при дальнейшем движении поршня вправо уменьшение давления и увеличение объема происходит по кривой 2–3, которая называется адиабатой (процесс без теплообмена с внешней средой). Когда поршень переместится в крайнее правое положение (точка 3), процесс расширения закончится и параметры будут иметь значения Р3, V3, а температура станет равной температуре теплоприемника Т2. При этом положении поршня изоляция рабочего тела снижается и оно взаимодействует с теплоприемником. Если теперь увеличивать давление на поршень, то он будет перемещаться влево при неизменной температуре Т2 (сжатие). Значит, этот процесс сжатия будет изотермическим. В этом процессе теплота Q2 перейдет от рабочего тела к тепло-приемнику. Поршень, двигаясь влево, придет в точку 4 с параметрами P4, V4 и T2, где рабочее тело вновь изолируется от внешней среды. Дальнейшее сжатие происходит по адиабате 4–1 с повышением температуры. В точке 1 сжатие заканчивается при параметрах рабочего тела P1, V1, T1. Поршень возвратился в исходное состояние. В точке 1 изоляция рабочего тела от внешней среды снимается и цикл повторяется.

Поделиться:
Популярные книги

Секси дед или Ищу свою бабулю

Юнина Наталья
Любовные романы:
современные любовные романы
7.33
рейтинг книги
Секси дед или Ищу свою бабулю

An ordinary sex life

Астердис
Любовные романы:
современные любовные романы
love action
5.00
рейтинг книги
An ordinary sex life

Золушка вне правил

Шах Ольга
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
6.83
рейтинг книги
Золушка вне правил

Большая Гонка

Кораблев Родион
16. Другая сторона
Фантастика:
боевая фантастика
попаданцы
рпг
5.00
рейтинг книги
Большая Гонка

Курсант: назад в СССР 2

Дамиров Рафаэль
2. Курсант
Фантастика:
попаданцы
альтернативная история
6.33
рейтинг книги
Курсант: назад в СССР 2

Идеальный мир для Лекаря 4

Сапфир Олег
4. Лекарь
Фантастика:
фэнтези
юмористическая фантастика
аниме
5.00
рейтинг книги
Идеальный мир для Лекаря 4

Гром над Империей. Часть 2

Машуков Тимур
6. Гром над миром
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
5.25
рейтинг книги
Гром над Империей. Часть 2

Я – Орк. Том 3

Лисицин Евгений
3. Я — Орк
Фантастика:
юмористическое фэнтези
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Я – Орк. Том 3

Измена. Свадьба дракона

Белова Екатерина
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
эро литература
5.00
рейтинг книги
Измена. Свадьба дракона

Идеальный мир для Социопата 4

Сапфир Олег
4. Социопат
Фантастика:
боевая фантастика
6.82
рейтинг книги
Идеальный мир для Социопата 4

Жена со скидкой, или Случайный брак

Ардова Алиса
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
8.15
рейтинг книги
Жена со скидкой, или Случайный брак

Мастер...

Чащин Валерий
1. Мастер
Фантастика:
героическая фантастика
попаданцы
аниме
6.50
рейтинг книги
Мастер...

Виконт. Книга 2. Обретение силы

Юллем Евгений
2. Псевдоним `Испанец`
Фантастика:
боевая фантастика
попаданцы
рпг
7.10
рейтинг книги
Виконт. Книга 2. Обретение силы

Отмороженный 7.0

Гарцевич Евгений Александрович
7. Отмороженный
Фантастика:
рпг
аниме
5.00
рейтинг книги
Отмороженный 7.0