Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать неотразимый комплимент Как противостоять манипуляциям мужчин? Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?

Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Вводная часть





Первый закон термодинамики(ПЗТ). Первый закон термодинамики (первое начало термодинамики) – аналитическое (математическое) выражение закона сохранения движения при изменении его формы, записываемое в виде балансового уравнения для изменения физической величины – энергии.

В настоящее время под термином «энергия» понимают как само движение (свойство материи), так и физическую величину( , Дж), являющуюся (наряду с импульсом и моментом импульса) количественной (числовой) характеристикой запаса движения в системе. Очевидно, что само движение и его числовая характеристика не одно и то же (см. подраздел 1.3.1).

Движение – неотъемлемое свойство (атрибут) материи, способ существования материи: нет материи без движения и нет движения без материи; наиболее общее понятие, включающее в себя перемещение, изменение (развитие, регресс), взаимодействие и т. п.

В технической термодинамике различают две формы (вида) движения: хаотическую (тепловую)– ХФ и упорядоченную (направленную, механическую) –УФ; два способа (процесса) передачи движения – хаотический (теплообмен) и упорядоченный (совершение работы).

Хаотическая (тепловая) форма движения – носителями движения являются микрочастицы (атомы, молекулы и др.), совершающие хаотические микроскопические перемещения в пространстве вблизи их центра инерции.

Упорядоченная (механическая) форма движения – носителями движения являются макроскопические тела или микрочастицы (атомы, молекулы и др.), совершающие упорядоченное перемещение в пространстве.

Наиболее универсальной количественной характеристикой (мерой) движения, применимой для любых форм движения (хаотической и упорядоченной) является энергия (импульс – менее универсальная мера количества движения, т. к. для хаотического движения он равен нулю, однако и энергия учитывает не все свойства движения – она не учитывает направление движения).

Энергия – скалярная физическая величина (именованное число – предмет из мира идей), характеризующая количество (запас) движения как в самой системе (теле), так и количество движения, передаваемого через границы системы, и определяемая как произведение силы на перемещение:



, (2.27)

где – внешняя сила (например, сила действия поршня на газ);

– внутренняя сила (например, сила действия газа на поршень), ;

– перемещение, на котором действует сила.

Например, кинетическая энергия определяется интегралом от силы инерции (внутренняя сила) или от результирующей внешних сил

,

а гравитационная потенциальная энергия – интегралом от внешней (результирующей) силы, равной и противоположной по знаку внутренней силы тяжести ( ), которую нужно приложить к телу извне, чтобы поднять его на высоту от поверхности Земли,

,

где – единичный вектор, направленный вертикально вверх.

Внутренняя энергия – энергия хаотического (теплового) движения собственных микрочастиц (атомов, молекул, электронов, а также так называемых частиц-связников, обеспечивающих взаимодействие атомов на расстоянии) системы относительно их центра инерции. В понятие внутренней энергии включаются кинетическая энергия хаотического движения молекул, потенциальная энергия взаимодействия между молекулами и внутримолекулярная энергия (химическая и ядерная). В технической термодинамике внутримолекулярная («нулевая») энергия не рассматривается и внутренняя энергия отождествляется с кинетической и потенциальной энергиями молекул.

Следовательно, внутренняя энергия–это суммарная кинетическая и потенциальная энергия всех молекул рабочего тела

.

Кинетическая энергия беспорядочного теплового движения молекул пропорциональна температуре , потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояния между молекулами, т. е. от объёма тела . Поэтому внутренняя энергия реального газа является функцией макроскопических параметров, например, температуры и объёма: .

В идеальном газе пренебрегают силами межмолекулярного взаимодействия на расстоянии и внутреннюю энергию рассматривают как сумму кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул, т. е. как функцию одной только температуры

.


Для вывода уравнения изменения энергии какой-либо системы в самом общем виде рассмотрим изолированную систему, состоящую для простоты вывода только из трёх взаимодействующих тел (рисунок 7) и применим к ней закон сохранения энергии.

 

Рисунок 7 – К выводу уравнения первого закона термодинамики из ЗСЭ

 

Пусть рабочее тело (РТ) 1 (например, газ в цилиндре с подвижным поршнем и теплопроводными стенками) получает движение в процессе (путём) теплообмена (микроскопическим неупорядоченным путём) от источника тепла (ИТ) 2 и в процессе совершения работы (макроскопическим упорядоченным путём) от источника работы – тела 3 (например, от гири, пружины, штока или от жидкой среды, оказывающей давление на поршень с внешней стороны).

Согласно ЗСЭ для этих трёх тел, образующих изолированную систему, можно записать следующее равенство:

. (2.28)

Продифференцируем это уравнение и перепишем его так



. (2.29)

Из соотношения (2.29), полученного из ЗСЭ, следует физическое утверждение: приращение энергии системы (первого тела) равно убыли энергии окружающей среды, состоящей из источников тепла 2 и источников работы 3.

Убыли энергий тел ( ) и ( ) можно рассматривать как элементарные энергии движения, переданного через границы рабочего тела 1 соответственно в хаотической и упорядоченной формах. Следовательно, можно записать

. (2.30)

Здесь для обозначения элементарных энергий, характеризующих переданное движение через границы системы, используется символ элементарности .

Согласно балансовому уравнению энергии (2.30) полное приращение энергии тела (системы) равно сумме элементарных энергий, характеризующих движение, переданное через границу системы в хаотической форме (ХФ) и в упорядоченной форме (УФ); при этом число взаимодействующих тел может быть любым.

Исходя из балансового соотношения (2.30) вводятся физические величины – теплота и работа. Процессы переноса движения в упорядоченной форме, которые можно охарактеризовать макроскопическими силами и перемещениями, принято называть процессами совершения работы, а энергию движения, переданного в упорядоченной макроскопической форме, или частичное изменение энергии системы в процессе совершения работы – работой

. (2.31)

Процессы переноса движения в хаотической форме, которые можно охарактеризовать только микроскопическими силами и микроперемещениями, принято называть процессами теплообмена, а энергию движения, переданного в хаотической форме, или частичное приращение энергии системы в процессе теплообмена – теплотой

. (2.32)

Теплоту как изменение энергии системы в соответствующем процессе принято рассчитывать через изменение температуры и теплоёмкость или через изменение энтропии системы , а как переданную энергию в процессах теплообмена – через тепловые потоки , определяемые из соответствующих уравнений теории теплообмена (Фурье, Ньютона-Рихмана и др.).

Итак, теплота и работа – это энергии движения, переданного соответственно в процессах теплообмена и совершения работы (в связи с этим их иногда называют энергиями перехода, или энергиями в процессе перехода).

В теории переноса энергия подводимого движения является положительной величиной, а энергия отводимого движения – отрицательной величиной. Следовательно, теплота и работа также будут алгебраическими величинами: подводимая теплота и совершаемая над системой работа положительны, так как они согласно (2.30) увеличивают энергию системы. Такая работа совершается внешними силами и обозначается – внешняя работа.

С учётом введённых величин – работы (2.31) и теплоты (2.32) – урав-нение энергии (2.30) может быть записано для полной энергии в виде

.

Впервые уравнение ПЗТ получил Р. Клаузиус, которое он записал для изменения внутренней энергии в таком виде:

, (2.33)

где – работа внутренних сил, равная и противоположная по знаку работе внешних сил.

В учебниках по термодинамике уравнение ПЗТ не выводится, а сразу записывается в виде (2.33) и читается так: теплота идёт на изменении внутренней энергии и на совершение работы.

Единицей энергии, теплоты и работы СИ являются джоуль:

[E]= [Q] = [W] = [F].[r] = 1Н.1м = 1 Дж.

Применительно к газу, заключённому в цилиндре, наибольшее значение имеет работа изменения объёма внутренних сил давления по перемещению поршня. Если давление газа в цилиндре , то на поршень действует сила . При перемещении поршня на пути совершается работа .

Тогда уравнение ПЗТ (2.33) с учётом элементарной и конечной работ изменения объёма примет вид:

,

. (2.34)

Что касается теплоты, то её так просто не удаётся рассчитать через микроскопические силы и перемещения (2.32) и она исторически определяется пропорционально изменению температуры рабочего тела

,

(2.35)

где – теплоёмкость тела, Дж/К;

– удельная теплоёмкость, Дж/(кг.К).

Теплоёмкость зависит от процесса и имеет соответствующие обозначения. Так, в случае изобарного процесса ( ) она обозначается , а изохорного ( ) – .

В случае изохорного процесса (V = const) работа изменения объёма равна нулю ( – нет изменения объёма газа и поршень неподвижен), и изменение внутренней энергии равно теплоте

,

. (2.36)

Выражение (2.36) справедливо только для идеального газ, т. к. в случае реального газа внутренняя энергия зависит ещё от объёма.

С учётом выражений для теплоты (2.35) и изменения внутренней энергии (2.36) уравнение ПЗТ (2.34) примет вид

. (2.37)

Уравнение (2.37) справедливо для любых процессов. В случае изохорного процесса работа равна нулю, изотермического – изменение внутренней энергии равно нулю, а в адиабатном процессе теплота равна нулю.

 






Date: 2015-05-08; view: 243; Нарушение авторских прав

mydocx.ru - 2015-2018 year. (0.014 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию