1. Energia internă și căile de schimbare a energiei interne. Lucrări în termodinamică. Cantitatea de căldură.
2. Căldură specifică. Relația dintre capacitatea de căldură molară.
3. Prima lege a termodinamicii. Ecuația echilibrului termic. Aplicarea primei legi a termodinamicii la isoprocese.
4. A doua lege a termodinamicii. Eficiență termică
1. Energia internă și căile de schimbare a energiei interne. Lucrări în termodinamică. Cantitatea de căldură
Studiul termodinamicii studiază cele mai comune proprietăți termice ale macrocomenzilor în stările de echilibru și procesele de tranziție dintre aceste stări. Spre deosebire de teoria moleculare-cinetică, termodinamica nu leagă aceste proprietăți și procese cu structura și structura internă a sistemelor.
Un concept important este conceptul de termodinamicii în energia internă a sistemului conform U. teoriei cinetice moleculare a energiei interne este suma energiei cinetice a mișcării aleatoare a moleculelor sistemului în jurul centrului său de masă și energia potențială a interacțiunii acestor molecule cu altele. In termodinamica, energia internă determinată de valorile parametrilor macroscopice ale sistemului, care poate fi măsurată experimental. În special, pentru un gaz ideal în care se presupune că moleculele nu interacționează unele cu altele, energia potențială este considerată a fi zero. Apoi, energia internă a unui gaz ideal este energia cinetică totală a moleculelor sale în mișcare haotic.
Energia cinetică medie a mișcării translaționale a unei molecule a unui gaz monatomic ideal este
Apoi, energia internă
unde este numărul total de molecule.
Formula pentru energia internă a gazului ideal monatomic va fi:
Această formulă arată dependența directă a energiei interne a unui gaz ideal asupra temperaturii absolute și a masei de gaz, care sunt macroparameterii sistemului dat.
Schimbarea energiei interne a sistemului de gaz dat are loc numai la schimbarea temperaturii sale:
Pentru un gaz ideal format din molecule complexe, coeficientul de proporționalitate este înlocuit cu - pentru un gaz diatomic, pentru - pentru un gaz poliatomic. Acest lucru se datorează faptului că moleculele complexe sunt implicate nu numai în mișcarea de translație, dar și în mișcarea de rotație. La temperaturi foarte ridicate, trebuie luate în considerare și vibrațiile atomilor, care afectează și valoarea coeficientului.
Folosind ecuația de stare a unui gaz ideal
și ecuația (5.2), se poate obține o altă expresie pentru calcularea energiei interne:
Când corpurile intră în contact, energia este schimbată, atât mecanică, cât și internă. Există două moduri de a schimba energia internă: prin muncă și prin raportarea cantității de căldură.
Să considerăm prima metodă pentru exemplul de compresie quasistatică a unui gaz ideal atunci când pistonul este deplasat într-un vas cilindric. Când pistonul este deplasat încet în jos, moleculele de gaz se confruntă cu coliziuni elastice cu pistonul, ca urmare a creșterii energiei lor cinetice, deoarece fiecare piston transferă un impuls suplimentar moleculei. Aceasta înseamnă că temperatura gazului și, în consecință, energia internă va crește. Când gazul se extinde, dimpotrivă, temperatura și scăderea energetică internă. În acest exemplu, pistonul se mișcă sub acțiunea unei forțe exterioare. Deoarece procesul de compresiune (expandare) are loc la o rată foarte scăzută, se poate presupune că forța este egală cu modulul de presiune de pe partea gazului la piston (- presiunea gazului, - zona pistonului).
Cu o deplasare mică a pistonului, schimbarea presiunii gazului poate fi neglijată, atunci forța de lucru este:
Semnul "-" ia în considerare faptul că atunci când gazul este comprimat, altitudinea va scădea.
Lucrarea forței de presiune a gazului asupra compresiei sale va fi opusă în semn:
Sau, având în vedere expresia,
Dar - schimbarea volumului, apoi munca de gaz
În timpul compresiei, cantitatea este negativă, adică lucrarea A a forțelor externe este pozitivă. În schimb, atunci când gazul este extins, lucrarea A a forțelor externe este negativă.
Expresia operației de gaz a fost obținută presupunând că procesul este izobaric. Pentru a determina funcționarea gazului în cazul unui proces arbitrar, este necesar să se ia în considerare reprezentarea grafică a acestor procese în axele p-V.
În cazul procesului izobară (Figura 5.2, a) în conformitate cu formula (5.5), gazul de lucru este egală cu aria dreptunghiului delimitat de tranziția de la sistemul de program un stat la altul.
În cazul unui proces arbitrar, împărțim acest proces în secțiuni mici și presupunem că schimbarea volumului # 916; Vi pe fiecare dintre ele este atât de mic încât apare la o presiune practic constantă p. Apoi lucrarea elementară pe această secțiune va fi determinată de expresia:
Această valoare va fi numeric egală cu aria dreptunghiului mic (Fig.5.2, b). Lucrarea totală a gazului în timpul tranziției de la starea 1 la starea 2 va fi egală cu suma lucrărilor elementare.
Conform figurii, aceasta este aria întregii figuri sub graficul procesului de la punctul 1 la punctul 2. Când mergem la cantități infinitemale, lucrarea elementară a intervalului va fi
Lucrarea totală efectuată de gazul de trecere de la statul 1 la statul 2 va fi
Activitatea gazului depinde de procesul prin care gazul a fost transferat de la starea inițială la starea finală.
Să luăm în considerare a doua metodă de schimbare a energiei interne a gazului. Dacă pistonul este fixat într-un cilindru cu gaz ideal, o schimbare a presiunii gazului de sub piston nu va determina mutarea acestuia și munca nu va fi efectuată. Schimbarea izocorică a presiunii gazului este posibilă numai cu o schimbare a temperaturii sale și, în consecință, a energiei interne. Aceasta înseamnă că, în acest caz, pentru a schimba presiunea unui gaz ideal, trebuie să comunice (sau să scadă din gaz) o anumită energie, fără a face munca. Acest proces de transfer de energie de la un organism la altul fără a efectua o muncă se numește schimb de căldură sau transfer de căldură. Măsura cantitativă a schimbării energiei interne în timpul schimbului de căldură se numește cantitatea de căldură.
Procesul de transfer de căldură este explicat din punct de vedere al teoriei moleculare-cinetice. La interfața dintre două corpuri, există interacțiunea moleculelor având valori diferite ale energiei cinetice medii. Rezultatul procesului de schimb de căldură este egalizarea valorilor energetice prin transferarea o parte din cantitatea sa din molecule cu energie înaltă în molecule cu o rezervă de energie redusă. Aceasta este esența procesului de transfer de căldură.
Cantitatea de căldură. care pierde (pierde) corpul sau sistemul în procesul de transfer de căldură, merge să crească (diminueze) energia internă. În acest caz (în cazul general) temperatura variază, astfel încât
Valoarea Q este considerată pozitivă dacă sistemul primește căldură și negativ dacă sistemul dă căldură.
Astfel, este posibilă schimbarea energiei interne a unui sistem al unei mase date prin transferul de căldură sau prin comiterea acestui sistem de lucru.
2. Căldură specifică. Relația dintre capacitățile de căldură molară
Cantitatea de căldură primită de sistem în timpul transferului de căldură este determinată de formula:
unde C este capacitatea de căldură a corpului (sistem). Exprimând valoarea lui C. obținem:
dimensiunea capacității de căldură a corpului (sistem):
Capacitatea termică a corpului caracterizează cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi acest corp cu un grad. Această valoare este inconvenient de utilizat în practică, deoarece pentru aceeași substanță, dar pentru mase diferite, capacitatea de căldură va fi diferită. Se introduce conceptul de căldură specifică. căldura specifică caracterizează cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un kilogram de materie pe grad:
Capacitatea specifică de căldură este practic independentă de temperatură, dar depinde în principal de natura substanței, de starea sa agregată și, de asemenea, de procesul în care are loc transferul de căldură. De exemplu, în încălzirea izobarică a gazului, gazul, care se extinde, se angajează să lucreze. Încălzirea gazului la o presiune constantă necesită mai multă căldură decât încălzirea la un volum constant. Prin urmare, căldura specifică a gazului în procesul izobaric este mai mare decât în cazul procesului isochoric.
Capacitatea de căldură a corpului (sistemului) C este legată de căldura specifică prin expresia:
În teoria gazelor, capacitatea molară a căldurii este mai des utilizată. Capacitatea de căldură molară caracterizează cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un mol de materie pe grad.
Relația dintre căldura molară și cea specifică este exprimată prin formula:
Capacitatea de căldură molară depinde de condițiile de încălzire, precum și de căldura specifică. Capacitatea de căldură molară la presiune constantă este mai mare decât pentru un volum constant:
În plus, capacitatea de căldură molară la temperaturi ridicate variază de asemenea. Relația dintre capacitățile de căldură molară la presiune constantă și volumul constant va fi prezentată mai jos.
3. Prima lege a termodinamicii. Ecuația echilibrului termic. Aplicarea primei legi a termodinamicii la isoprocese
Legea conservării energiei aplicată proceselor termice este formulată ca prima lege (sau primul principiu) al termodinamicii. cantitatea de căldură. raportat la sistem, este de a-și spori energia internă și de a face acest sistem să funcționeze împotriva forțelor externe.
A doua formulare a acestei legi. schimbarea energiei interne a sistemului când acesta trece de la o stare la alta este egală cu suma forțelor externe realizate deasupra sistemului de lucru și a căldurii transferate în sistem de către organismele externe:
În cazul unui sistem izolat, nu există schimb de căldură cu corpurile înconjurătoare () și, prin urmare, munca nu este efectuată (). Adică, energia internă a unui sistem izolat în orice proces rămâne neschimbată (). Între corpurile unui sistem izolat poate să apară schimbul de căldură, adică procesul de transfer al energiei interne fără a face muncă. Corpurile calde și reci sunt aduse în contact, ca urmare a faptului că corpurile fierbinți dau o anumită cantitate de căldură, iar cele rece îl primesc. Căldura este absorbită în procesul de încălzire:
unde - căldura specifică a corpului - căldura specifică de fuziune - căldura specifică de vaporizare. Căldura este eliberată în procesele de răcire, cristalizare, condensare și combustie a combustibilului:
aici este căldura specifică de combustie a combustibilului.
În absența pierderilor de căldură la transferul de căldură de la un corp la altul conform legii conservării energiei cantitatea de căldură absorbită de niște corpuri în timpul încălzirii, topirea sau vaporizarea egală cu cantitatea de căldură, selectate alte organisme în procesul de răcire, cristalizare, condensarea sau arderea. O ecuație a formei
se numește ecuația de echilibru termic. În această ecuație, n este numărul de corpuri din sistem. Această ecuație este legea conservării energiei sistemului termodinamic.
Luați în considerare aplicarea primei legi a termodinamicii la isoprocese.
1. Într-un proces isochoric, volumul gazului nu se schimbă și, prin urmare, gazul nu funcționează. Prima lege a termodinamicii pentru un proces izocoric va avea forma:
Pentru un gaz monatomic, schimbarea energiei interne este
Aceasta înseamnă că toată cantitatea de căldură care este furnizată gazului duce la creșterea energiei sale interne. Capacitatea de căldură molară pentru un proces isochoric va fi determinată de expresia:
2. În cazul procesului izobară datorită căldurii furnizate gazului se modifică energia internă a gazului, care este urmată de executarea lucrărilor. În consecință, prima lege a termodinamicii este scrisă după cum urmează:
în cazul în care. Folosind (5.9), obținem capacitatea de căldură a unui gaz monatomic ideal la presiune constantă:
3. Temperatura rămâne constantă în procesul izotermic :. Aceasta înseamnă că energia internă a gazului ideal nu se schimbă :. În conformitate cu prima lege a termodinamicii, toată cantitatea de căldură transferată merge pentru a realiza munca împotriva forțelor externe :.
Capacitatea de căldură a unui gaz într-un proces izotermic
4. Procesul adiabatic este un proces care are loc fără schimbul de căldură cu mediul:
Prima lege a termodinamicii va avea forma:
Procesul adiabatic poate fi realizat prin comprimarea rapidă sau rarificarea gazului. procese adiabatic și izoterme grafice (Figura 5.3) arată că presiunea la destinderea adiabatică scade mai repede decât izoterma.
4. A doua lege a termodinamicii. Eficiență termică
Formularea a doua lege a termodinamicii conform lui Kelvin. Un proces circular este imposibil, singurul rezultat fiind transformarea căldurii primite de la încălzitor în muncă echivalentă.
Coeficientul de eficiență (eficiență) al unei mașini termice este determinat de formula:
unde este lucrarea utilă făcută de mașină; - cantitatea de căldură primită de către corpul de lucru din încălzitor; - cantitatea de căldură dată de lucrător la frigider. Eficiența oricărei mașini termice este întotdeauna mai mică decât una.
În Fig. 5.4 prezintă un ciclu Carnot - proces ciclic reversibil direct constând din două izoterme (1-2 și 3-4) și două adiabatic (2-3 și 4-1). Un motor termic ideală, care funcționează în conformitate cu randamentul ciclului Carnot este maximă la temperaturile date ale încălzitorului și răcitor.
Trimiteți-le prietenilor: