Основы термодинамики

1. Основы термодинамики

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ.
РАБОТА И ТЕПЛООТДАЧА КАК СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ
ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ.
ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

2. Внутренняя энергия

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Сумма кинетических энергий хаотического движения
всех частиц тела относительно центра масс тела (молекул,
атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия
друг с другом называется внутренней энергией.
U Ek E p
Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит температурой тела.
Потенциальная - расстоянием между частицами, а значит - объемом.
Следовательно: U=U(T,V) - внутренняя энергия зависит от объема и
температуры.
2

3. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
ОДНОАТОМНОГО ИДЕАЛЬНОГО
ГАЗА
Для идеального газа: U=U(T), т.к. взаимодействием на
расстоянии пренебрегаем
3
3m
3m
3
3
U NE N kT
N A kT
RT RT pV
2
2M
2M
2
2
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа:
3
U RT
2
или
3
U pV
2
3

4. Способы изменения внутренней энергии

СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ
ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
Совершение работы
Теплопередача
Q
А
над телом
самим телом
Виды теплопередачи:
теплопроводность
конвекция
излучение
4

5. Работа в термодинамике

РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ
Работа газа:
_
A p V
5

6. Первый закон термодинамики

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Обмен энергией между термодинамической системой и
окружающими телами в результате теплообмена и
совершаемой работы
6

7. Первый закон термодинамики

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Изменение внутренней энергии системы при
переходе ее из одного состояния в другое равно сумме
работы внешних сил и количества теплоты,
переданного системе:
U Q A
Если А - работа внешних сил, а А' - работа газа, то
А
= - А' (в соответствии с 3-м законом Ньютона). Тогда:
Q U A
другая форма записи первого закона термодинамики
7

8. Адиабатический процесс

АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Семейства изотерм
(красные кривые) и
адиабат (синие кривые)
идеального газа.
Модель. Адиабатический процесс
8

9. Тепловые двигатели

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу,
называют тепловыми двигателями
Тепловые
двигатели
Двигатели
внутреннего
сгорания
Карбюраторные
Паровые
двигатели
Дизельные
Турбины
Паровые
Газовые
9

10. Тепловой двигатель

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
КПД теплового двигателя
A Q1 Q 2
Q2
1
1
Q1
Q1
Q1
Энергетическая схема тепловой
машины: 1 – нагреватель; 2 –
холодильник; 3 – рабочее тело,
совершающее круговой процесс.
10

11. Идеальная тепловая машина

ИДЕАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно,
Франция, 1815)
Машина работает на идеальном газе.
1 - 2 - при тепловом контакте с
нагревателем газ расширяется
изотермически.
2 -3 - газ расширяется адиабатно.
После контакта с холодильником:
3 -4 - изотермическое сжатие.
4 -1 - адиабатное сжатие.
Теорема Карно: кпд реальной тепловой
КПД идеальной машины:
машины не может быть больше кпд идеальной
T1 T2
T2
машины, работающей в том же интервале
1
температур.
T1
T1
11

12. Модель. Цикл Карно

МОДЕЛЬ. ЦИКЛ КАРНО
Модель. Цикл Карно
12

13. Второй закон термодинамики

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Второй з-н термодинамики указывает направление возможных
энергетических превращений и тем самым выражает необратимость
процессов в природе.
Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более
холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных
изменений в обеих системах или окружающих телах.
Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой
периодический процесс, единственным результатом которого было бы
получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель,
совершающий механическую работу за счет охлаждения какого-либо
одного тела.
13