Основы термодинамики. Внутренняя энергия

1.

Основы
термодинамики

2.

Термодинамика — раздел физики,
в котором изучаются процессы
изменения и превращения внутренней
энергии тел, а также способы
использования внутренней энергии тел
в двигателях.

3.

4.

5.

Внутренняя энергия
• Определение:
Внутренняя энергия тела – это сумма
кинетической энергии хаотического
теплового движения частиц (атомов и
молекул) тела и потенциальной энергии
их взаимодействия
• Обозначение:
U
• Единицы измерения:
[Дж]

6.

Внутренняя энергия
идеального одноатомного газа
3m
U=
RT
2M

7.

Изменение внутренней энергии
тела ΔU
Совершение
работы А
Теплообмен
Q
теплопроводность
над
телом
самим
телом
ΔU
ΔU
излучение
конвекция

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

ПРАВИЛА
1)Если изменение объема газа равно
нулю Δv=0, то и работа газа равна нулю
2)Если газ расширяется , то A>0 (газ
совершает положительную работу)
Первый закон термодинамики
. и
3)Если газ сужается
, то A<0,
говорят:"Внешние силы совершают
работу над газом " или " Работа газа
отрицательна

21.

22.

• При изобарном процессе (Р=const):
'
A = pΔV
P
1
2
P
Изобарное расширение
V
V1
V2
'
A >0

23.

Геометрическое
истолкование работы:
Работа, совершаемая газом в процессе его расширения
(или сжатия) при любом термодинамическом процессе,
численно равна площади под кривой, изображающей
изменение состояния газа на диаграмме (р,V).
P
P
Р1
P
1
S
Р2
V
V1
V2
S
V1
2
V2
V

24.

Уравнение теплового баланса
Если в замкнутой системе тела
обмениваются энергией и работа этими
телами не совершается, то суммарное
изменение внутренней энергии системы
равно нулю; тогда соответственно равна
нулю и сумма количеств теплоты,
полученных или отданных телами системы,
Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +...+Qn = 0

25.

Первый закон термодинамики
Изменение внутренней
энергии системы при
переходе её из одного
состояния в другое равно
сумме работы внешних
сил и количества
теплоты, переданного
системе
ΔU = A+Q
Количество теплоты,
переданное системе,
идёт на изменение её
внутренней энергии и на
совершение системой
работы над внешними
телами
'
Q= ΔU + A

26.

27.

Применение первого закона термодинамики к
изопроцессам.
1.Изотермический процесс.Т = const.
∆U =0,
Q = A/
2.Изохорный процесс.V = соnst;
A/ = 0.
Q = ∆U.
3.Изобарный процесс. Р = const
Q = ∆U + A/.
4.Адиабатный процесс -процесс, протекающий без
теплообмена
Q=0
. A/ = -∆U

28.

29.

30.

31.

Применение первого закона
термодинамики к различным
процессам
Процесс
Постоянный Первый закон
параметр
термодинамики
Изохорный
V = const
ΔU = Q
Изотермический Т = const
Q = A'
Изобарный
Р = const
Q = ΔU + A'
Адиабатный
Q = const
ΔU = -A'

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

Тепловые двигатели –
устройства, превращающие
внутреннюю энергию топлива
в механическую.
Виды тепловых двигателей

45.

Принцип действия тепловых двигателей
Т1 – температура
нагревателя
Т2 – температура
холодильника
Q1 – количество
теплоты,
полученное от
нагревателя
Q2 – количество
теплоты, отданное
холодильнику

46.

Коэффициент полезного
действия (КПД) теплового
двигателя –
отношение работы А’, совершаемой двигателем,
к количеству теплоты, полученному от
нагревателя:
'
А
η=
Q1

47.

где
'
А = Q1−|Q2| -работа, совершаемая
двигателем
тогда
Q1−|Q2|
|Q2|
η=
= 1−
Q1
Q1
η< 1
При
КПД всегда меньше единицы, так
как у всех двигателей некоторое
количество теплоты
передаётся холодильнику
Т 1− Т 2= 0 двигатель не может работать

48.

Максимальное значение КПД
тепловых двигателей (цикл Карно):
T 1− T 2
ηmax =
T1

49.

Отрицательные последствия
использования тепловых
двигателей:
•Потепление климата
•Загрязнение атмосферы
•Уменьшение кислорода в
атмосфере
КПД тепловых двигателей
Двигатель
Паровая
машина
1
Паровоз
8
20 - 30
Решение проблемы:
•Вместо горючего использовать
сжиженный газ.
•Бензин заменить водородом.
•Электромобили.
•Дизели.
•На тепловых электростанциях
использовать скрубберы, в
которых сера связывается с
известью.
•Сжигание угля в кипящем слое.
КПД, %
Карбюраторный двигатель
Газовая
турбина
36
Паровая
турбина
35 - 46
Ракетный
двигатель на
жидком топливе
47