ТЕРМОДИНАМИКА

План лекции. 1. Первое начало термодинамики. 2. Удельная и молярная теплоёмкости. 3. Работа идеального газа. Круговые циклы. 4. Тепловые машины. Второе начало термодинамики. 5. Энтропия. 6. Цикл Карно и его КПД для идеального газа. 7. Явления переноса.

Первое начало термодинамики.

Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, не касаясь микропроцессов. Основу термодинамики образует два её начала: Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии и совершение работы против внешних сил. dQ = dU+dA (1)

Первое начало термодинамики

Первый закон термодинамики применителен к изопроцессам. 1. Изотермический T=const, то dU=0; dQ=dA 2. Изохорный V=const, то dA=0; dQ=dU 3. Изобарный P=const, то dQ=dU+dA 4. Адиабатный ΔQ=0; A= -ΔU -адиабатное расширение ΔU= -A -адиабатное сжатие.

Адиабатный процесс. Уравнение Пуассона

Удельная и молярная теплоёмкости.

Теплоёмкость- физическая величина, численно равная отношению количества теплоты, которое необходимо затратить, чтобы нагреть систему на 1 К. (2) Теплоёмкость бывает: удельной молярной

Удельная теплоёмкость вещества- это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К. dQ=c m dT Молярная теплоёмкость- это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 моля вещества на 1 К. υ-количество вещества. dQ=CυdT Удельная и молярная теплоёмкости связаны между собой формулой: (5) (7) (6) (3) (4)

Молярная теплоемкость газа

Теплоёмкость тела зависит: от его массы, химического состава, термодинамического состояния и вида того процесса о котором телу передается энергия. В адиабатном процессе: Q=0, => C=0 T=0, => C= Теплоёмкости при постоянном давлении называется С р, при постоянном объёме - С v С р = С v + R,-уравнение Майера (8) где R-универсальная газовая постоянная i- число степеней свободы. В термодинамике важное значение имеет величина адиабатическая постоянная. Подставляя значения теплоёмкостей можно получить: В изотермическом процессе:

Работа идеального газа. Круговые циклы.

(9) Пусть газ находится в сосуде, который закрыт поршнем. газ Δ l S-площадь поршня. Переместим поршень на расстояние Под действием силы F. При этом совершится работа: Известно, что Подставим правую часть уравнения (10) в (9), получим: - изменение объёма. F А= F· 10

в) при изотермическом процессе Т= const обозначим т.к. а) работа при изобарном процессе - б) при изохорном процессе А=0, т.к. V=const 11 12

г) dA = -dU, обозначим dU=C V dT dA = - C V dT A=Cv(T 1 -T 2 ) 13 14

Циклические (круговые) процессы. Работа цикла. Круговым процессом или циклом называется процесс, при котором система, пройдя ряд состояний, возвращается в исходное состояние. На pV - диаграмме цикл изображается замкнутой кривой. Если цикл осуществляется по часовой стрелке (I), то он называется прямым, если в обратном направлении (II)- обратным. р Поэтому термический коэффициент полезного действия цикла можно найти по формуле: V I II

Совершив цикл, система возвращается в исходное состояние. Поэтому изменение внутренней энергии за цикл равно нулю, т.е. dU=0. Следовательно, работа, совершенная системой, будет равна количеству теплоты полученному системой. Работа, совершенная системой равна площади цикла на pV- диаграмме. Однако нужно иметь в виду, что в процессе осуществления цикла, система не только получает, но и отдает некоторое количество теплоты и, следовательно Q=Q1– Q2, где Q1– количество теплоты, полученное системой, Q2 – отданное системой количество теплоты (Q2

Цикл называется обратным, если он может осуществляться как в прямом, так и в обратном направлении и при этом в окружающей среде и в самой системе не происходит никаких изменений. Всякий другой процесс, не удовлетворяющий этим условиям будет необратим. Работа цикла определяется по формуле: Ац = А.расшир.- А.сжат. Процесс будет обратимым, если он является равновесным. Обратимость равновесного процесса следует из того, что его любое промежуточное состояние также является состоянием термодинамического равновесия.

Тепловые машины. Второе начало термодинамики.

Тепловые двигатели (второе начало термодинамики) Теплота самопроизвольно может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому. Невозможно создать двигатель который всю полученную теплоту превращал бы в работу. Теплоту от менее нагретого тела можно передать более нагретому только при совершении работы.

Второе начало термодинамики устанавливает необратимость макроскопических процессов. Первая формулировка этого начала была дана в 1850 году Клаузиусом: невозможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от менее нагретого к более нагретому. Исторически второе начало термодинамики возникло из анализа работы теплового двигателя. Тепловой двигатель представляет собой систему, работающую за счет внешних источников тепла, которая периодически повторяет тот или иной термодинамический цикл и преобразует теплоту в механическую работу.

Любой тепловой двигатель должен иметь рабочее тело, нагреватель с температурой Т 1, который передает рабочему телу количество теплоты Q 1 и холодильника с температурой Т 2, который забирает у рабочего тела количество теплоты Q 2. В результате совершается работа А= Q 1 - Q 2. Отсюда следует, что невозможно создать двигатель который всю полученную теплоту превращал бы в работу. Этот принцип называется вторым началом термодинамики в формулировке Кельвина-Планка. КПД двигателя равен: Холодильник Нагреватель Рабочее Т1 Т2 A=Q 1 -Q 2 Q1Q1 Q2Q2 15

Холодильной установкой называется циклически действующее устройство, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем окружающей среде. Рассмотрим работу холодильной машины. В этом случае, от более холодного тела отбирается некоторое количество теплоты Q2, а более горячему передаётся количество теплоты Q1 > Q2. Чтобы это было возможно, над рабочим телом надо совершить работу А= Q1 - Q2. Из анализа работы холодильной машины вытекает другая формулировка второго начала термодинамики (Клаузиус).Без совершения работы нельзя отобрать теплоту у более холодного тела и передать её более горячему. Самопроизвольно теплота может переходить только от более горячих тел к менее горячим. Величина > 1 называется холодильным коэффициентом.

Нагреватель Q1 Рабочее Q2 Холодильник Т1 тело Т2 A= Q1 - Q2 Холодильная установка может быть использована как тепловой насос для отопления. При этом электроэнергия используется для того, чтобы привести в действие холодильную установку, в которой нагревателем является отапливаемое помещение, а холодильной камерой- наружная атмосфера. При этом отапливаемое помещение получает большее количество теплоты, чем его выделяется при непосредственном преобразовании электрической энергии во внутреннюю энергию нагревателем типа электрических печей, электрических плиток и т.д.

Вывод (в 1842 г.) сделан Майером: немецким ученым середины 19 века, Выделяющаяся в процессе окисления внутри живого организма энергия частично превращается в тепло, а частично расходуется на совершение механической работы. т.е. Майер впервые распространил первое начало термодинамики на живой организм, заложил основы биоэнергетики. Дальнейшие работы Г. Гемгольца (1847) и Д. Джоуля (1850) и обобщение результатов их исследований позволили сформулировать закон сохранения и превращения энергии.

Энтропия.

Энтропия - функция состояния, дифференциалом которой является отношение: где Энтропия является количественной мерой степени молекулярного беспорядка в системе. Сообщение системе тепла приводит к усилению теплового движения молекул и следовательно к увеличению степени беспорядка в системе. Чем выше температура ( т.е. больше внутренняя энергия системы), тем относительно меньшей сказывается доля беспорядка, обусловленного сообщением данного количества тепла dQ. При температуре абсолютного нуля энтропия всякого вещества равна 0. (теорема Нериста) или третье начало термодинамики. Отсюда вытекает, что энтропия всякого тела стремится к нулю при стремлении к нулю температуры. 16 S- приращение энтропии. dQ- количество теплоты. T-температура системы.

Энтропия как функция состояния

Цикл Карно и его КПД для идеального газа.

Основываясь на втором начале термодинамики Карно доказал теорему: из всех периодически действующих машин, имеющих одинаковые температуры нагревателя и холодильника, большим коэффициентом полезного действия обладают обратимые машины; при этом КПД этих машин одинаков и не зависит от конструкции и природы рабочего тела. Карно придумал цикл, коэффициент полезного действия которого является наибольшим. Этот цикл получил название цикла Карно. Он состоит из двух адиабат (1-2,3-4) и двух изотерм (2-3,4-1).

Коэффициент полезного действия такого цикла, как показал Карно, определяется по формуле: Во второй теореме Карно доказал, что коэффициент полезного действия реальной машины, работающей с теми же нагревателем и холодильником всегда меньше этого значения. Формула Карно, таким образом, определяет максимальное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя p V где Т 1 – температура нагревателя, Т 2 – температура холодильника.

Во второй теореме Карно доказал, что коэффициент полезного действия реальной машины, работающей с теми же нагревателем и холодильником всегда меньше этого значения. Формула Карно, таким образом, определяет максимальное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя. Теорема Карно послужила основанием для установления термодинамической шкалы температур. Из формул: и, следует, что Для сравнения температур Т 1 и Т 2 двух тел надо осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тело используется в качестве нагревателя, а другое в качестве холодильника. Из полученного равенства следует, что отношение температур равно отношению количеств теплоты отданного в данном цикле к полученному в данном цикле. При этом химический состав рабочего тела не влияет на результат сравнения, поэтому такая температурная шкала не связана со свойствами веществ.

Явления переноса

Явлениями переноса называются необратимые процессы, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, количества движения. К явлениям переноса относятся: а) диффузия (перенос массы) б) теплопроводность ( перенос энергии) в) внутреннее трение (перенос количества движения) Перенос энергии, массы, и количества вещества всегда происходит в направлении, обратным их градиенту. Средняя длина свободного пробега молекулы прямо пропорциональна её средней арифметической скорости и обратно пропорциональна среднему числу столкновений за единичный промежуток времени. (16)

Диффузия. Осмос. Осмотическое давление и его роль в жизнедеятельности растений. Пусть в некотором объёме газа имеет место неоднородность а именно: газ имеет различные плотности ρ1 и ρ2. Молекулы диффундируют туда, где плотность меньше, где концентрация ниже, начнется перемешивание газа. а)Диффузия. Явления проникновения молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого (перемешивание вещества) называется диффузией.

Описывается процесс диффузии уравнением Фика.,где M - переносимая масса; Знак минус говорит о том, что масса переносится в сторону уменьшения убывания плотности. Если в этом уравнении принять: S= 1м 2, t=1с, = 1, то Д= М, S – площадь; t- время; Д- коэффициент диффузии, зависящий от рода вещества, температуры, давления. градиент плотности; Д= где Д- коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии численно равен массе вещества, переносимого в единицу времени через единицу площади перпендикулярно направлению распространения при градиенте плотности равном единице. Коэффициент диффузии зависит от температуры и массы диффундирующих молекул. Диффузия протекает не только в газообразных, но и в твердых и жидких телах. В жидкости диффузия протекает в 1000 раз медленнее, чем в газах, (например, для О 2 Д= 8·10 -6, а для жидкости Д= –9 ) где К- постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; R- радиус молекул; - коэффициент динамической вязкости жидкости Коэффициент диффузии для жидкости определяется по формуле:

Осмос. Диффузия, протекающая через полупроницаемые перегородки, называется осмосом. Осуществляется осмос за счет дополнительного давления, обусловленного различной концентрацией диффундирующих частиц по разные стороны перегородки. Это давление называется осмотическим и может быть рассчитано по формуле: где n 0 - концентрация (число молекул вещества в единицу объёма); средняя кинетическая энергия молекул. То есть скорость протекания диффузии в жидкости прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна вязкости. В твердых телах скорость протекания диффузии ещё меньше.(опыт со свинцовой и золотой пластинками). p=ρgh - гидростатическое давление.

Диффузия имеет важное значение в жизнедеятельности животных и растений. Около 98% необходимого животному организму кислорода поглощается легкими в процессе диффузии. Обменные процессы в живых организмах протекает благодаря диффузии ионов через клеточные мембраны. Проникновение растворенного вещества в растительную клетку определяется уравнением Фика. где - разность концентраций внутри клетки и снаружи. Диффузия является основным механизмом, обеспечивающим газообмен между почвенным и атмосферным воздухом, т.е. вынос углекислого газа в атмосферу и перенос кислорода в обратном направлении. Путем диффузионного обмена через листья осуществляется частично и питание растений.

б) Теплопроводность. Теплопроводность - это процесс распространения теплоты от более нагретых частиц тела к менее нагретым, не сопровождается переносом массы вещества или излучением энергии в виде электромагнитных волн. Теплопроводность обусловлена тем, что частицы воздуха (молекулы, атомы, электроны) обладают большой кинетической энергией и передают её менее быстрым частицам. Передача теплоты теплопроводностью может осуществляться между любыми телами либо через промежуточную среду. Через вакуум теплота не передается, так как там отсутствуют частицы вещества. Процесс теплопроводности описывается законом Фурье: -градиент температур, показывает изменение температур на единицу длины

- (коэффициент теплопроводности)- численно равен количеству теплоты; переносимой через площадку 1м 2 перпендикулярный потоку за 1с при градиенте температуры равным –1, он зависит от свойств среды. Интенсивностью теплового потока называется количество теплоты, переносимое в единицу времени через единицу площади поверхности: препятствует быстрой утечке тепла. Знак минус говорит, о том что энергия переносится в сторону уменьшения температуры. S- площадь поверхности. (1м 2 ), t-время (1с)., S=1м 2, t=1с, Пусть -зависит от природы вещества.

Наибольшую теплопроводность имеют металлы. В живых организмах ткани имеют различные теплопроводности и это различные весьма существенно для теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечных тканей,позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к наружным (кожа), предохраняя внутренние органы от перегрева. При низких температурах внешней среды слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Обусловлена переносом тепла потоком свободных электронов.

в) Вязкость. Между молекулами жидкости существуют силы взаимного притяжения, которые проявляются при движении одного слоя жидкости относительно другого в виде внутреннего трения или вязкости. В F Пусть дана неподвижная пластина А в жидкости, а другую пластину В- положить на поверхность жидкости. Будем перемещать её под действием силы F. Скорость движения слоёв жидкости возрастает от пластины А к пластине В. Так как слои жидкости перемещаются друг относительно друга, каждый слой получает ускорение со стороны верхнего слоя и тормозится нижним. А

Ньютон установил, что силы трения между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, зависят от площади соприкасающихся слоёв и быстроты, с которой меняется скорость при переходе от одного слоя к другому в направлении, перпендикулярно течению жидкости, эта величина называется градиентом скорости. - сила внутреннего трения: где - площадь. - коэффициент динамической вязкости жидкости., если то

Коэффициент динамической вязкости численно равен силе внутреннего трения, действующий на единицу площади трущихся слоёв, при градиенте скорости равном 1. Коэффициент динамической вязкости зависит от рода жидкости и от её температуры. С повышением температуры уменьшается. В системе СГС единицей измерения вязкости служит Пуаз (П). 1П= Единица вязкости названа в честь знаменитого ученого Пуазейля.