Первый закон термодинамики

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

Этот закон можно сформулировать иначе:

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

В первой формулировке А - работа, совершаемая над системой (над газом), во второй А' - это работа, совершаемая системой (газом).

Вечный двигатель первого рода - устройство, способное совершать неограниченное количество работы без подведения энергии извне.

Из первого закона термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя первого рода. Если к системе не поступает теплота, то

Иными словами, работа совершается системой за счет уменьшения ее внутренней энергии. После того, как запас энергии будет исчерпан, двигатель перестанет работать.

Процесс, протекающий в теплоизолированной системе, называют адиабатным.

Абсолютно исключить теплопередачу невозможно, но иногда реальные процессы близки к адиабатным. Они протекают за очень малый промежуток времени, в течение которого не происходит существенного теплообмена между системой и внешними телами.

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Тепловые двигатели - устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей.

Рабочее тело - газ, совершающий работу А' при расширении.

Нагреватель - устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q ₁

Холодильник - устройство, которому рабочее тело передает количество теплоты Q₂

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы,совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как Q₂ < Q₁, то всегда < 1.

Идеальная тепловая машина Карно - модель теплового двигателя, в котором рабочим телом является идеальный газ. КПД машины Карно

где Т₁ - температура нагревателя, T₂ - температура холодильника.

Реальная тепловая машина не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Пример. Объем кислорода массой 160 г, температура которого 27°С, при изобарном нагревании увеличился вдвое. Найдите работу газа при расширении, количество теплоты, которое пошло на нагревание кислорода, изменение внутренней энергии.

Величина работы, совершаемой газом при изобарном процессе, когда V = V₂ - V₁ = V₁, определяется выражением

С учетом уравнения состояния

можно записать

Изменение внутренней энергии двухатомного газа, с учетом уравнения состояния, будет выглядеть:

Учитывая, что А^| = pV₁, получим:

Количество теплоты, переданное газу, согласно первому закону термодинамики, идет на изменение его внутренней энергии и совершение газом работы:

Ответ: работа газа равна 12,5 кДж, количество теплоты, которое пошло на его нагревание, равно 43,8 кДж, изменение внутренней энергии - 31,3 кДж.

110. Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии, один из всеобщих законов природы (наряду с законами сохранения импульса, заряда и симметрии):

Энергия неуничтожаема и несотворяема; она может только переходить из одной формы в другую в эквивалентных соотношениях.

Первое начало термодинамики представляет собой постулат - оно не может быть доказано логическим путем или выведено из каких-либо более общих положений. Истинность этого постулата подтверждается тем, что ни одно из его следствий не находится в противоречии с опытом. Приведем еще некоторые формулировки первого начала термодинамики:

Полная энергия изолированной системы постоянна;

Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).

Первое начало термодинамики устанавливает соотношение между теплотой Q, работой А и изменением внутренней энергии системы ∆U:

Изменение внутренней энергии системы равно количеству сообщенной системе теплоты минус количество работы, совершенной системой против внешних сил.

∆U = Q-A (1.1)

dU = δQ-δA (1.2)

Уравнение (1.1) является математической записью 1-го начала термодинамики для конечного, уравнение (1.2) - для бесконечно малого изменения состояния системы.

Внутренняя энергия является функцией состояния; это означает, что изменение внутренней энергии ∆U не зависит от пути перехода системы из состояния 1 в состояние 2 и равно разности величин внутренней энергии U₂ и U₁ в этих состояниях:

∆U = U₂-U₁ (1.3)

Следует отметить, что определить абсолютное значение внутренней энергии системы невозможно; термодинамику интересует лишь изменение внутренней энергии в ходе какого-либо процесса.

Рассмотрим приложение первого начала термодинамики для определения работы, совершаемой системой при различных термодинамических процессах (мы будем рассматривать простейший случай - работу расширения идеального газа).

Изохорный процесс (V = const; ∆V = 0).

Поскольку работа расширения равна произведению давления и изменения объема, для изохорного процесса получаем:

Изотермический процесс (Т = const).

Из уравнения состояния одного моля идеального газа получаем:

Р = (I.6)

Отсюда:

δА = PdV = RT (I.7)

Проинтегрировав выражение (I.6) от V₁ до V₂, получим

A= RT = RTln = RTln (1.8)

Изобарный процесс (Р = const).

∆U = Q-A

A= P∆V

Q_p = ∆U + P∆V (1.12)

В уравнении (1.12) сгруппируем переменные с одинаковыми индексами. Получаем:

Q_p = U₂-U₁ +P(V₂-V₁) = (U₂ + PV₂)-(U₁ +PV₁) (1.13)

Введем новую функцию состояния системы - энтальпию Н, тождественно равную сумме внутренней энергии и произведения давления на объем: Н = U + PV. Тогда выражение (1.13) преобразуется к следующему виду:

Q_p = H₂-H₁= ∆ H (1.14)

Т.о., тепловой эффект изобарного процесса равен изменению энтальпии системы.

Адиабатический процесс (Q = 0, δQ = 0).

При адиабатическом процессе работа расширения совершается за счёт уменьшения внутренней энергии газа:

A = - dU= C_vdT (1.15)

В случае если Сv не зависит от температуры (что справедливо для многих реальных газов), работа, произведённая газом при его адиабатическом расширении, прямо пропорциональна разности температур:

A = -C_V∆T (1.16)

Задача №1. Найти изменение внутренней энергии при испарении 20 г этанола при температуре его кипения. Удельная теплота парообразования этилового спирта при этой температуре составляет 858,95 Дж/г, удельный объем пара – 607 см³/г (объемом жидкости пренебречь).

Решение:

1. Вычислим теплоту испарения 20 г этанола: Q=q_уд·m=858,95Дж/г·20г = 17179Дж.

2. Вычислим работу по изменению объема 20 г спирта при переходе его из жидкого состояния в парообразное: A= P∆V,

где Р – давление паров спирта, равно атмосферному, 101325 Па (т.к. всякая жидкость кипит, когда давление ее паров равно атмосферному).

∆V=V₂-V₁=V_ж-V_п, т.к. V_ж<< V_п, то объмом жидкости можно пренебречь и тогда V_п=V_уд·m. Cледовательно, А=Р·V_уд·m. А=-101325Па·607·10^-6м³/г·20г=-1230 Дж

3. Вычислим изменение внутренней энергии:

∆U=17179Дж – 1230 Дж = 15949 Дж.

Поскольку ∆U>0, то следовательно при испарении этанола происходит увеличение внутренней энергии спирта.

Date: 2016-07-22; view: 643; Нарушение авторских прав