Основы термодинамики Урок физики в 10 классе

2

1.Какое движение называют тепловым? 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? 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 число молекул кинетическая энергия одной молекулы (N A k = R)

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

Внутренняя энергия идеального двухатомного газа

Так как - уравнение Клапейрона – Менделеева, то внутренняя энергия: - для одноатомного газа - для двухатомного газа.

В общем виде: где i – число степеней свободы молекул газа (i = 3 для одноатомного газа и i = 5 для двухатомного газа)

Е к зависит от скорости движения молекул (температуры) Молекулы обладают кинетической энергией, т.к. непрерывно движутся Е п зависит от расстояния между молекулами (агрегатного состояния вещества) Молекулы обладают потенциальной энергией, т.к. взаимодействуют друг с другом Внутренняя энергия тела Е вн = Е п + Е к всех молекул тела 13

14

Увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы при натирании трубки веревкой Способ 1 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

19 Вода в цилиндре нагревается, кипит, образуется пар. Нагретый пар расширяется и выталкивает пробку. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию пробки

100 С 60 С Металлический цилиндр передал воде часть своей внутренней энергии 20 Способ 2

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей 21

Изменение внутренней энергии тела ΔU Совершение работы А над самим телом ΔU ΔU Теплообмен Q теплопроводность конвекция излучение

Работа в термодинамике Работа газа: Работа внешних сил:

Работа газа при изопроцессах При изохорном процессе (V=const): ΔV = 0 работа газом не совершается: P V Изохорное нагревание

При изобарном процессе (Р=const): P V V1V1 V2V2 P Изобарное расширение 12

При изотермическом процессе (Т=const): P V Изотермическое расширение Р2Р2 1 2 V1V1 V2V2

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 V V1V1 V2V2 P P V Р2Р2 1 2 V1V1 V2V2 S S Р1Р1

Количество теплоты – часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче Процесс формула Нагревание или охлаждение С – удельная теплоёмкость вещества [ Дж/кг 0 К], m – масса [кг], ΔT – изменение температуры [ 0 K]. Кипение или конденсация r – удельная теплота парообразования [ Дж/кг ] Плавление или кристаллизация λ- удельная теплота плавления вещества [ Дж/кг ] Сгорание топлива q – удельная теплота сгорания топлива [ 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 A При теплопередаче количества теплоты Q внутренняя энергия тела 2 изменится на U 2 = - Q, а внутренняя энергия тела 3 в результате совершения работы изменится на U 3 = - 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

Применение первого закона термодинамики к различным процессам ПроцессПостоянный параметр Первый закон термодинамики ИзохорныйV = const ΔU = Q ИзотермическийТ = const Q = A' ИзобарныйР = const Q = ΔU + A' АдиабатныйQ = 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. 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 текущие процессы могут быть близки к адиабатным, если время за которое происходит изменение объема газа, значительно меньше времени, необходимого для установления теплового равновесия газа с окружающими телами. 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. Примеры : а) сжатие воздуха в воздушном огниве (опыт); б) сжатие воздуха в дизеле; в) образование облаков.