Лекция 2 Элементы термодинамики 1 План лекции 1. Термодинамика. 2. Основные термины термодинамики. 3. Работа газа. 4. Тепловая энергия. Внутренняя энергия. 5. Теплоемкость газа. 6. Первое начало термодинамики. 7. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. 8. Тепловые двигатели. 9. Второе, третье и нулевое начало термодинамики. 10. Второе, третье и нулевое начало термодинамики.

1. Строение вещества. Атомная единица массы. Количество вещества 2. Агрегатные состояния вещества 3.Температура, давление и объем 4. Газовые законы 5. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории 6. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона 7. Внутренняя энергия идеального газа 2 ДОМА

3 Термодинамика – наука, изучающая возможности использование внутренней энергии тел для совершения механической работы. Два основных раздела термодинамики: 1)Равновесная термодинамика (термодинамика изолированных систем); 2)Неравновесная термодинамика (термодинамика открытых систем). 1. Термодинамика

4 Равновесная термодинамика Разработана в середине 19-го – начале 20-го века и содержит три закона – три «Начала»: - в середине 19-го века Ю. Р. Майером, Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем был сформулирован первый закон термодинамики - «Первое начало термодинамики». -в 1850 году Р. Клаузиусом, и независимо от него в 1851 году У. Томсоном было сформулировано «Второе начало термодинамики». - в 1906 году В. Нернст сформулировал «Третье начало термодинамики».

5 2. Основные термины термодинамики Система – это совокупность материальных объектов (тел), ограниченных каким-либо образом от окружающей среды. В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делятся на три типа: 1) изолированная – система, которая не обменивается с окружающей средой ни вещест­вом, ни энергией; 2) замкнутая – система, которая может обмениваться с окружающей средой лишь энергией и не может обмениваться веществом; 3) открытая – система, которая обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом.

6 2. Основные термины термодинамики Температура тела – мера средней кинетической энергии хаотического поступательного движения его молекул. Средняя кинетическая энергия молекул тела пропорциональна термодинамической температуре: Где k = 1,38· Дж/К – постоянная Больцмана.

Температура 7 Термодинамическая температурная шкала. Градуируется в кельвинах (К). Реперная точка - тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии). Температура этой точки по данной шкале равна 273,16 К. T = 273,15 + t. Абсолютный нуль температуры 0 К – температура, при которой должно прекратиться движение всех молекул. 2. Основные термины термодинамики

8 Внутренняя энергия (U) термодинамической системы – сумма кинетической энергии хаотического теплового движения микрочастиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии взаимодействия этих частиц. Для идеального газа, где между молекулами нет взаимодействия - внутренняя энергия состоит только из кинетической энергии движения. Внутренняя энергия идеального газа зависит от температуры. Для одноатомного газа:

9 Для одного моля газа Где i –число степеней свободы молекул газа.. Внутренняя энергия массы m идеального газа 2. Основные термины термодинамики

10 Газ (Молекула) Одно атомный Двух атомный Много атомный Число степеней свободы поступательных вращательных всего Число степеней свободы – число независимых переменных (координат), полностью определяющих положение системы в пространстве. 2. Основные термины термодинамики

11 Работа газа при расширении объема 3. Работа газа

4. Тепловая энергия. Внутренняя энергия 12. Тепловая энергия (теплота). Элементарная теплота Q, сообщаемая газу равна где C –теплоемкость газа, T – изменение температуры.

5. Теплоемкость газа 13 Удельная теплоемкость – величина, определяемая количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 кг вещества на 1 К Единица измерения: Дж/(кг К)

14 где Молярная теплоемкость - величина, определяемая количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 моля вещества на 1 К Единица Дж/(моль К) 5. Теплоемкость газа

15 5. Теплоемкость газа Связь между молярной и удельной теплоемкостью: С m = cM. Молярная и удельная теплоемкость идеального газа тела зависит от его химического состава, от вида процесса, в котором нагревают тело.

16 Теплоемкость при постоянном объеме (c V и C V ) Молярная теплоемкость при постоянном объеме. Теплоемкость при постоянном давлении (c р и C р ) Отношение C p к C V : где γ - коэффициент Пуассона 5. Теплоемкость газа

17 Уравнение Майера C p = C V + R где R – молярная газовая постоянная. C p всегда больше C V на величину молярной газовой постоянной. 5. Теплоемкость газа

18 ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ: теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил. 6. Первое начало термодинамики

19 6. Первое начало термодинамики Первое начало термодинамики - закон сохранения энергии для систем, в которых существенное значение имеют тепловые процессы.

20 Из первого начала термодинамики 7. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам Теплота, сообщаемая газу, идет на увеличения его внутренней энергии: Изохорный процесс (V=const). В изохорном процессе газ над внешними телами работы не совершает:

21 2. Изотермический процесс (Т=const). следует, что в изотермическом процессе:. Если температура газа не изменяется, то внутренняя энергия тоже не изменяется и ΔU = 0. Из первого начала термодинамики Вся теплота, сообщаемая газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил

22 3. Изобарный процесс (Р=const).. Работа А, совершаемая идеальным газом в изобарном процессе, Для изобарного процесса первое начало термодинамики имеет вид

23 4. Адиабатный процесс для адиабатного процесса следует, что Адиабатный процесс – процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой. Из первого начала термодинамики Внешняя работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии системы.

24 Тепловые двигатели Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника. Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым.

25 Коэффициент полезного действия любого двигателя (КПД) – отношение полезной работы, совершаемой двигателем, к затраченной работе Тепловые двигатели КПД теплового двигателя

26 Тепловые двигатели Цикл Карно. Имеет максимальный КПД, т.е. самый эффективный из всех тепловых двигателей. Состоит из 2 изотерм и 2 адиабат.

27 КПД цикла Карно Цикл Карно

28 КПД тепловых двигателей в процентах КПД цикла Карно Цикл Карно ДвигательКПД, % Паровая машина 1 Паровоз 8 Карбюраторный двигатель Газовая турина 36 Паровая турбина Ракетный двигатель на жидком топливе 47

29 ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, имеет несколько формулировок. По Карно, по Кельвину, по Клаузиусу. Второе начало термодинамики по Кельвину: в циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу. Второе начало термодинамики по Клаузиусу: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Эти 2 формулировки эквивалентны друг другу.

30 Статистическое истолкование второго начала термодинамики Второе начало термодинамики: Замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает. ΔS > 0.

31 Энтропия S, количественная мера беспорядка в системе. В любом необратимом процессе в замкнутой системе происходит возрастание энтропии или беспорядка. ЭНТРОПИЯ

32 ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Третье начало термодинамики (теорема Нернста): при стремлении к нулю температуры энтропия всякого тела стремится к нулю.

33 НУЛЕВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурой и давлением. Нулевое начало термодинамики читается так: равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы.

34 Литература для самостоятельной подготовки 1. Курс физики, Т.И. Трофимова М.:ВШ, 2000 г. стр 50-96