Основы термодинамики. Термодинамические параметры. Равновесные состояния и процессы. Внутренняя энергия идеального газа

1.

Основы термодинамики.
Термодинамические параметры.
Равновесные состояния и
процессы. Внутренняя энергия
идеального газа. Количество
теплоты и работа. Теплоемкость.
Первый закон термодинамики и
его применение к изопроцессам.

2.

• Состояние макросистемы характеризуют величинами,
которые называют термодинамическими параметрами
(давление, температура, объём и т.д.). Равновесное
состояние системы описывается постоянными и
определёнными
значениями
термодинамических
параметров при неизменных внешних условиях.
• Процесс- переход системы из одного состояния в другое,
проходящий через последовательность неравновесных
состояний.
• При медленном воздействии на
системы можно считать, что
процесс
проходит
через
последовательность
равновесных состояний, такой
процесс
называется
равновесным.
Равновесные
процессы обратимы.

3.

• Внутренняя энергия тела U - это энергия тела за вычетом
кинетической энергии тела как целого и потенциальной
энергии тела во внешнем поле сил.
• (Например, внутренняя энергия некоторой массы газа не
учитывает энергию движения газа вместе с сосудом и
энергию, обусловленную нахождением газа в поле сил
земного тяготения)
• Внутренняя энергия =
• кинетическая энергия хаотического движения молекул
• потенциальная энергия взаимодействия между молекулами
• внутримолекулярная энергия
• Внутренняя энергия является функцией состояния системы:
при переходе из одного состояния в другое изменение
внутренней энергии есть разность внутренних энергий этих
состояний: ΔU = U2 - U1

4.

• Приращение внутренней энергии системы должно быть
равно сумме совершенной над системой работы A’ и
количества сообщенного системе тепла Q:
• где U1 и U2 – начальное и конечное значения внутренней
энергии системы.
• Совершение
работы
сопровождается
перемещением
внешних тел. Пример, при сдвигании поршня в сосуде,
содержащем газ, поршень совершает работу A’. По третьему
закону Ньютона газ при этом совершает над поршнем работу
А= - A’.
• Теплопередача есть совокупность микроскопических
процессов, приводящих к передаче энергии от тела к телу.
• Первый
закон
термодинамики:
количества
тепла,
сообщенное системе, идет на приращение внутренней
энергии системы и на совершение системой работы над
внешними телами:

5.

• При вычислении
A’ и Q обычно разбивают процесс на
элементарные процессы, каждый из которых соответствует
малому изменению параметров системы:
• где Δ’Q- элементарное количества тепла, Δ’Aэлементарная работа и ΔU- приращение внутренней
энергии системы в ходе данного элементарного процесса.
• Рассмотрим газ заключённый в
• цилиндрический сосуд со
скользящим поршнем
• Пусть газ начнёт расширяться –
поршень переместиться и
над ним будет совершена работа
• Элементарная работа при перемещении поршня на отрезок
Δh:
• где f- сила, с которой газ действует на поршень.

6.

• Сила равна произведению давления газа p на площадь S,
тогда:
• Т.к. SΔh = ΔV, то
• Если p=const, то работа, совершаемая при малом изменении
объема от значения V1до значения V2 будет равна:
• Если p≠const, то
• работа,
совершенная
газом
при
расширении,
рассчитывается как интеграл давления по объёму.
• Формула справедлива для изменений объёма твёрдых,
жидких и газообразных тел.

7.

• Если процесс не является изобарным,
величина работы может быть определена
площадью фигуры ABCD, заключенной между
линией, выражающей зависимость p(V), и
начальным и конечным объемами газа V
• T=const , U =const внутренняя энергия не меняется. Первый закон
термодинамики: Q= A’, т. е. количество теплоты, переданное
системе, идет только на совершение работы при изотермическом
расширении.
• P=const - газ расширяется и количество теплоты, переданное
газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение
им работы: Q= A’+ΔU .
• V=const -газ не меняет своего объема - работа им не совершается,
т. е. А = 0 : Q= ΔU , т. е. переданное количество теплоты идет на
увеличение внутренней энергии газа.
• Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с
окружающей средой: Q = 0, газ при расширении совершает
работу за счет уменьшения его внутренней энергии- газ
охлаждается: A’=ΔU

8.

• Внутренняя энергия идеального газа = сумме энергий
отдельных молекул (т.к. молекулы не взаимодействуют).
Энергия одного киломоля газа:
• Внутренняя энергия газа массой m:
• Внутренняя энергия тела может изменяться только в
результате его взаимодействия с другими телами.
• Существует два способа изменения внутренней энергии:
теплопередача и совершение механической работы, что
приводит к изменению состояния системы, т. е. изменяются
ее макроскопические параметры (температура, давление,
объем). Так как внутренняя энергия U однозначно
определяется
макроскопическими
параметрами,
характеризующими состояние системы, то следовательно,
процессы
теплообмена
и
совершения
работы
сопровождаются изменением внутренней энергии системы.

9.

• Тепловое движение молекул одноатомного газа идёт в
среднем тем интенсивнее, чем больше его внутренняя
энергия. Скорость каждой отдельной молекулы при
этом может изменяться даже при постоянстве
внутренней энергии всего газа