Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Внутренняя энергия

С позиций молекулярно-кинетической теория внутренняя энергия (Дж) - это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения. Кинетическая энергий беспорядочного движения частиц пропорциональна температуре Т, потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояний между частицами, т.е. от объема V тела. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия U тела определяется как функция температуры Т и объела V.

При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной:  или .

Внутренняя энергия определяется термодинамическим состоянием системы и не зависит от того, каким образом система оказалась в данном состоянии. Следовательно, внутренняя энергия не связана с процессом изменений состояния системы. В двух или нескольких одинаковых состояниях системы ее внутренняя энергия одна и та же.

Практический интерес представляет не сама внутренняя энергия, а ее изменение  при переходе системы из одного состояния в другое. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий движения всех его молекул. Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Следовательно, при изменении температуры идеального газа обязательно изменяется его внутренняя энергия.

,

где R - универсальная газовая постоянная, М - молярная масса, Т - абсолютная температура, т - масса,  - число молекул.

2. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров

Внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра - температуры. От объема внутренняя энергия идеального газа не зависит потому, что потенциальная энергия взаимодействия его молекул считается равной нулю.

У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия, в термодинамике в общем случае наряду с температурой Т зависит и от объема V.

Внутренняя энергия U макроскопических тел однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние этих тел: температурой и объемом.

3. Работа в термодинамике

Внутреннюю энергию можно изменит двумя способами: совершением работы, когда внутренняя энергия изменяется на величину, равную работе внешних сил А, и теплопередачей, при которой изменение внутренней энергии характеризуется количеством теплоты Q.

При совершении работы меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. Но скорости молекул тела, например газа, меняются. Поэтому меняется и температура тела.

Итак, при совершении работы в термодинамике меняется состояние макроскопических тел: меняется их объем и температура.

Вычисление работы:

F' - сила, с которой газ давит на поршень;

F - сила, с которой поршень давит на газ;

A' - работа, совершаемая газом над внешними телами;

A - работа, совершаемая внешними телами над газом.

1. газ расширяется

,

где  - изменение объема.

Газ предает энергию окружающим телам и охлаждается.

2. газ сжимается

.

Газ получает энергию от внешних тел и нагревается. Знак минус указывает, что при сжатии газа, когда , работа внешней силы положительна.

4. Геометрическое истолкование работы

1. Изобарный процесс

2. Произвольный процесс

Работа численно равна площади фигуры под графиком.

5. Количество теплоты

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей.

Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты. Количеством теплоты называют также энергию, которую тело отдает в процессе теплообмена.

При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.

Известно, что для нагревания тела массой т от температуры t₁ до температуры t₂ необходимо передать ему количество теплоты:

.

При остывании тела его конечная температура t₂ оказывается меньше начальной температуры t₁ и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно ().

Коэффициент с () в формуле называют удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К.

Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляется теплопередача. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания газа на 1°С при постоянном давлении ему нужно передать большее количество теплоты, чем для нагревания его при постоянном объеме.

6. Удельная теплота плавления

Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое. В процессе плавления разрушается кристаллическая решетка твердого тела, для чего ему необходимо получить некоторое количество энергии. При плавлении кристаллического тела температура - температура плавления - остается неизменной, пока тело полностью не расплавится: все подводимое телу тепло идет на увеличение потенциальной энергии частиц вещества, а не их средней кинетической энергии.

Удельная теплота плавления л (Дж/кг) показывает, какое количество теплоты необходимо для превращения 1 кг кристаллического тела в жидкость (при температуре плавления). Таким образом, чтобы расплавить тело массой т, ему необходимо сообщить количество теплоты Q, равное: .

При кристаллизации выделившееся количество теплоты может быть вычислено по этой же формуле .

7. Удельная теплота парообразования

Парообразование - переход жидкости в газообразное состояние. Вылететь из жидкости в окружающее пространство могут лишь наиболее быстрые частицы вещества, способные преодолеть силы притяжения, действующие в поверхностном слое жидкости. При преодолении частицами поверхностного слоя жидкости их скорость уменьшается, таким образом, температура пара оказывается равной температуре жидкости. Жидкость же в результате вылета наиболее быстрых частиц охлаждается.

Чтобы парообразование происходило при постоянной температуре жидкости, ей необходимо сообщать энергию. Количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг жидкости при постоянной температуре, называют удельной теплотой парообразования r (Дж/кг). Значит, для превращения в пар жидкости массой т необходимо количество теплоты Q, равное: .

При конденсации количество происходит выделение такого же количества теплоты .

Удельная теплота сгорания топлива (q) (Дж/кг)

.

энергия кинетический плавление термодинамика

8. Первый закон термодинамики

Закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Первый закон термодинамики: Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе: _.

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А = 0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). В этом случае согласно первому закону термодинамики , или . Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется).

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А' системы над внешними телами. Учитывая, что А'=-А, первый закон термодинамики можно записать так: _.

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя - устройства, способного совершать неограниченное количество работы без затрат топлива или каких-либо других материалов.

Первый закон термодинамики и изопроцессы

Теплообмен в замкнутой системе. Изменение внутренней энергии системы происходит только путем теплопередачи. Закон термодинамики для i - тела имеет вид:

Для всех тел системы:

Количество теплоты, полученное телом, считают положительным.

9. Теплоемкость

Теплоемкостью какого-либо тела называется величина, равна количеству тепла, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на один кельвин. Теплоемкость будем обозначать буквой С.

.

Эта величина измеряется в джоулях на кельвин (Дж/К).  - изменение температуры.

Теплоемкость тела зависит от его массы, химического состава, термодинамического состояния тела и вида того процесса, в котором телу передается энергия в форме теплоты. Для нагревания данной массы газа на один градус требуется различное количество теплоты, если нагревание происходит в различных условиях, например при постоянном объеме или при постоянном давлении.

При изотермическом процессе (=0) понятие теплоемкости не имеет смысла . При изохорном процессе (=0) теплоемкость С_V равняется: . При постоянном объеме работа не совершается, поэтому первый закон термодинамики имеет вид:

При изобарном процессе () теплоемкость обозначается С_р и равняется:

Связь между молярными теплоемкостями газа, описывается уравнением Майера:

,

где R - универсальная газовая постоянная.

Удельной теплоемкостью с называется теплоемкость единицы массы однородного вещества:

где М - масса вещества.

Удельная теплоемкость тела не является постоянной величиной, и в таблицах теплоемкостей указываются условия, для которых данные таблицы справедливы.

Молярной теплоемкостью С_м называется теплоемкость одного моля вещества:

,

где м - молярная масса вещества.

10. Адиабатный процесс

Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным. Т. е. процесс осуществляется без теплообмена с внешней средой. При адиабатном процессе Q=0 и согласно уравнению ?U=А+Q изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы: ?U=А.

Нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающей теплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами.

Уравнение адиабаты (уравнение Пуассона):

.

г - показатель адиабаты,

.

, .

Для идеального одноатомного газа г = 1,7, для двухатомного газа г = 1,4.

На рисунке: 1 - изотерма; 2 - адиабата.

Размещено на Allbest.ru