Основы термодинамики (1)

Термодинамика

• Основные понятия термодинамики.
• Внутренняя энергия.
• Работа в термодинамике.
• Количество теплоты, теплоемкость, ее виды.
• Первое начало термодинамики.

Основные понятия термодинамики

• Термодинамика (ТД) возникла как наука о превращении теплоты в работу. Законы, лежащие в основе термодинамики, имеют общий характер.

• Методы ТД применяются для исследования физических, химических процессов и для изучения свойств вещества и излучения.

• При изучении свойств и процессов превращения вещества термодинамика не вдается в рассмотрение микроскопической картины явлений .

Основные понятия термодинамики

• Объектом исследование термодинамики является термодинамическая система (ТДС) – совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией как между собой, так и с внешними телами.
• Если хотя бы один из параметров, описывающих состояния ТДС , изменяется во времени или пространстве, то такое состояние называется неравновесным .
• Термодинамические системы, которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом, называются изолированными ( замкнутыми ).

Основные понятия термодинамики

• Если систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать , т.е. предоставить самой себе, то она перейдёт в равновесное состояние , при котором все параметры состояния имеют определённые не изменяющиеся значения.

• Такой переход называется процессом релаксации .

• Термодинамический процесс – переход системы из одного состояния в другое.

Основные понятия термодинамики

• Бесконечно медленный процесс состоит из последовательности равновесных состояний, т.к. параметры состояния успевают выровняться по всей системе. Такой процесс называется равновесным ( квазистатическим ).
• При изменении направления равновесного процесса (например, замена сжатия расширением) система будет проходить те же равновесные состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Следовательно, равновесные процессы обратимы .
• Круговым процессом (или циклом ) называется такой процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия

• Внутренняя энергия системы U равна сумме всех видов энергий движения и взаимодействия частиц, составляющих данную систему.
• Внутренняя энергия газа включает в себя:

• кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул;
•   кинетическую энергию колебательного движения атомов в молекуле;
•   потенциальную энергию взаимодействия молекул между собой и атомов внутри молекулы;
•   внутриатомную энергию.

Внутренняя энергия

• Внутренняя энергия – однозначная функция состояния системы, ее значение не зависит от того, каким образом система пришла в данное состояние, т.е. не зависит от вида процесса перехода.
• В случае идеального газа нет сил межмолекулярного взаимодействия и внутренняя энергия равна сумме энергий беспорядочного (теплового) движения всех молекул:

где i – число степеней свободы

• Внутренняя энергия однозначно зависит от макроскопических параметров: температуры и объема.

• Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими ее телами может протекать в двух формах:

• макроскопической – в форме работы;
• микроскопической – в форме теплообмена .

Работа в термодинамике.

Газ находится в плотно закрытом сосуде (рис. 1). Газ медленно расширяется и перемещает поршень на малое расстояние d x . Давление p можно считать неизменным.

Газ действует на поршень с силой: F  =  p   S

При расширении над поршнем совершается элементарная работа:

Работа в термодинамике.

• Работа, совершаемая самим газом при конечных изменениях объёма равна по модулю работе совершаемой внешними телами над газом и отличается только знаком:

Работа в термодинамике.

• Работа А – это количественная мера изменения энергии ТДС при ее переходе из одного состояния в другое.

• Совершение работы сопровождается изменением объема ТДС и перемещением внешних тел, воздействующих на систему.

• Совершение работы над системой приводит к увеличению ее внутренней энергии.

Количество теплоты. Теплоемкость вещества.

• Теплота Q (количество теплоты) – это количественная мера изменения энергии ТДС при переходе ее из одного состояния в другое.
• Теплообмен (процесс передачи теплоты) - это процесс передачи энергии от одних тел к другим без совершения работы, который осуществляется за счет:

• обмена энергией непосредственно между хаотически движущимися частицами тел;
• обмена электромагнитным излучением.

• Теплоемкость – скалярная физическая величина, характеризующая связь между количеством сообщенного системе тепла и изменением ее температуры.

Количество теплоты. Теплоемкость вещества.

• Теплоемкость тела С тела численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить системе, чтобы повысить ее температуру на один градус:

• Удельная теплоемкость с – теплоемкость единицы массы:

• Количество теплоты, переданное телу при нагревании:

Удельная теплота парообразования.

• Удельной теплотой парообразования называют величину, равную количеству теплоты, необходимому для превращения при постоянной температуре жидкости массой 1 кг в пар:

• Для превращения жидкости в пар необходимо количество теплоты, равное:

• При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Удельная теплота плавления.

• Удельной теплотой плавления называют величину, равную количеству теплоты, необходимому для превращения кристаллического вещества массой 1кг при температуре плавления в жидкость:

• Количество теплоты, необходимое, чтобы расплавить кристаллическое тело:

• При кристаллизации тела выделяется тоже количество тепла:

Первое начало термодинамики

• Закон сохранения энергии в термодинамике называется первым законом (началом) термодинамики.

• Количество теплоты, сообщённое системе Q , идёт на изменение внутренней энергии системы  U и на совершение системой работы A над внешними телами.

Все три величины – энергия, работа и теплота в системе СИ измеряются в джоулях (Дж).

• Примеры теплообмена:

• при соприкосновении «холодного» и «горячего» газов молекулы нагретого газа при случайных столкновениях передают энергию молекулам холодного газа;
• вода в море прогревается днем за счет излучения, посылаемого Солнцем.

• Работа и количество теплоты – характеристики процесса изменения внутренней энергии.

Первое начало термодинамики

Спасибо за внимание!