Термодинамика. Основы термодинамики

1.

Основы термодинамики.
План лекции
Основные понятия термодинамики. Закон равномерного распределения
энергии по степеням свободы.
2. Внутренняя энергия и количество теплоты. Теплоемкость.
3. Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам.
4. Тепловые двигатели. Формула Карно.
1.

2.

1. Основные понятия термодинамики. Закон равномерного распределения
энергии по степеням свободы.
Термодинамика - раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся
в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.
Термодинамический метод основан на введении понятия энергии и рассматривает процессы с
энергетической точки зрения, т. е. основываясь на законе сохранения энергии и превращении её из
одного вида в другой.
Термодинамическая система - совокупность тел, которые могут обмениваться энергией друг с другом
и с внешней средой.
Термодинамические параметры или параметры состояния системы - физические величины,
характеризующие состояние термодинамической системы р V,T.
Давление - физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади
поверхности тела по направлению нормали к этой поверхности:
H
FN
p
Па
p
2
м
S
Нормальное атмосферное давление: 1атм = 105 Па.
Абсолютная температура - мера средней кинетической энергии молекул.
3
0 ,
2
T t 0 C 273

3.

Если один из параметров в различных точках системы неодинаков и изменяется с течением
времени, то такое состояние системы называется неравновесным.
Если все термодинамические параметры остаются постоянными во всех точках системы сколь угодно
долго, то такое состояние называется равновесным или состоянием термодинамического равновесия.
Любая замкнутая система по истечении определенного времени самопроизвольно переходит в
равновесное состояние.
Термодинамический процесс - всякое изменение состояния системы, связанное с изменением хотя бы
одного из её параметров. Равновесный процесс - процесс, в котором каждое последующее состояние
бесконечно мало отличается от предыдущего, т.е. представляет собой последовательность равновесных
состояний.
Равновесный процесс может быть проведен в обратном направлении, причем система будет проходить
через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Поэтому равновесные
процессы называют обратимыми.
Круговым процессом или циклом - процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в
исходное состояние.
Число степеней свободы – число независимых координат, полностью определяющих положение системы
в пространстве.

4.

0
3
kT
2
0 1
приходящаяся на каждую степень свободы
1
kT - энергия,
поступательного движения
3
2
Закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул: на
каждую степень свободы поступательного и вращательного движения молекулы приходится в
среднем одинаковая кинетическая энергия, равная 1 kT
2
Для реальных молекул на каждую колебательную степень свободы приходится как кинетическая, так и
потенциальная энергия.
1
k п kT ,
2
поэтому
1
1
k п kT kT kT
2
2
i
0 kT - средняя кинетическая энергия молекулы
2
i – число степеней свободы молекулы

5.

2. Внутренняя энергия и количество теплоты. Теплоемкость.
Внутренняя энергия термодинамической системы - энергия движения и энергия взаимодействия микрочастиц
системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т.д.).
Т.к. потенциальная энергия молекул идеального газа равна нулю, внутренняя энергия идеального газа
равна суммарной кинетической энергии всех его молекул:
i
m i m
U 0 N
i m
U
R T . - изменение внутренней энергии
2M
2
k T NA
M
2M
RT .
Способы изменения внутренней энергии:
1) совершение работы;
2) теплопередача.
Теплопередача - совокупность процессов между молекулами вещества, приводящих к передаче энергии.
Количество теплоты - мера изменения внутренней энергии при теплопередаче.
Q cm T
- количество теплоты Q, переданное телу или отнятое у него, прямо пропорционально его
массе и изменению температуры ΔT
Q
c
, - удельная теплоемкость вещества - физическая величина, равная количеству
m теплоты, необходимому для нагревания единицы массы вещества на один градус.
c Дж
кг K

6.

Молярная теплоёмкость вещества - величина, равная количеству теплоты, необходимому для
нагревания 1 моля вещества на 1 градус.
Q С T
Поскольку
Q
С
,
C
Дж
моль К
cm C , cm C , или
C
m
cm C , c
M
М
Величина теплоёмкости зависит от условий нагревания.
Различают теплоёмкости при постоянном объёме и при постоянном давлении:
C cM

7.

3. Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам.
Q U A - 1 закон термодинамики

8.

9.

10.

11.

4. Тепловые двигатели. Цикл Карно.
Тепловой двигатель - это система, совершающая многократно круговой процесс (цикл), при котором
за счёт подведённого извне тепла совершается механическая работа.
пол. Q1 Q2
КПД теплового двигателя - величина, равная отношению
совершаемой за цикл полезной работы ко всему количеству теплоты,
полученному от нагревателя:
пол
Q1 Q2
Q1
Q1

12.

Максимальным КПД обладает цикл, составленный из двух
изотерм и двух адиабат (цикл Карно).
V
V
m
m
m
m
R 1 ln 2
CV T1 T2
R 2 ln 3
CV T1 T2
A1 A2 A3 A4
M
V1 M
M
V4 M
T1 T2
А
ид
.
V
m
Q1
A1
T1
RT1 ln 2
M
V1
T1 T2
T2 Анализ полученного выражения показывает, что чем
ид
1 . больше разница между температурами нагревателя и
тем выше КПД. Это один из путей
T1
T1 холодильника,
повышения КПД реальных тепловых двигателей.