термодинамика1

1.

Термодинамика
Это теория о наиболее общих свойствах
макроскопических тел.
На первый план выступают тепловые процессы и
энергетические преобразования
Ядром являются два начала (закона) термодинамики

2. Термодинамика…

Возникла как наука тепловых процессов, рассматриваемых с
точки зрения энергетических преобразований.
Не рассматривает явления с точки зрения движения молекул.
Изучает наиболее общие свойства макроскопических систем,
находящихся в равновесном состоянии, и процессы их
перехода из одного состояния в другое.
Термодинамический метод широко используется в других
разделах физики, химии, биологии.
Как и любая физическая теория или раздел физики, имеет
свои границы применимости.

3. Термодинамики

Неприменима к системе из нескольких молекул.
Не может быть применима ко всей Вселенной, слишком
сложной и неопределенной физической системе.
Определение:
Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии
хаотического теплового движения частиц (атомов и молекул)
тела и потенциальной энергии их взаимодействия
Обозначение:
Единицы измерения:
U
[Дж]

4. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

U NE ,
k
m
N
NА число молекул
M
кинетическая энергия
3
E
kT одной молекулы
k
2
3
U NАkT
2
(NAk = R)

5. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

3m
U
RT
2M
Внутренняя энергия идеального двухатомного газа
5m
U
RT
2M

6. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ИЗОЛИРОВАННЫЕ
СТАТИЧЕСКИЕ
Не обмениваются с
другими системами ни
веществом ни энергией
ОТКРЫТАЯ
Живой организм
При отсутствие
взаимодействия параметры
системы остаются
неизменными
Любая совокупность
макроскопических тел,
которые взаимодействуют
между собой и с внешними
объектами посредством
передачи энергии и вещества.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
С окружающей средой
веществом
ЗАКРЫТАЯ
утюг

7.

Термодинамические параметры
Совокупность физических величин, характеризующих свойства
термодинамической системы.
V - объём
Р - давление
T - температура
U - внутренняя энергия

8. I закон термодинамики

(Закон сохранения и превращения энергии в применении к тепловым процессам)
Изменение внутренней энергии U системы равно сумме работы
A совершенной внешними телами над системой, и сообщенного
ей количества теплоты Q.
U=A+Q
A*=-A
Q=A*+ U
Количество теплоты Q, переданное системе, расходуется на увеличение её
внутренней энергии U и совершение системой работы A* над внешними
телами.

9. 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
Количество теплоты, переданное
системе, идёт на изменение её
внутренней энергии и на
совершение системой работы
над внешними телами
U A Q
Q U A

10. Термодинамика изопроцессов.

Вспомним:
Процессы, происходящие при постоянном значении одного
из параметров состояния (T,V или P) с данной массой газа
называются изопроцессами.
изотермический
изохорный
изобарный
адиабатный

11. Изотермический процесс

Процесс, происходящий при постоянной температуре.
T=const;
pV=const;
P
U=0
Q+A=0
Q=-A=A*
0 V
1
V2
V

12. При изотермическом процессе (Т=const):

m
V2
A
RT ln
M
V1
P
1
2
Р2
V1
V2
Изотермическое расширение
V
A 0

13. Изохорный процесс

Процесс, происходящий при постоянном объёме.
V=const;
p/T =const;
P
A=0
Q= U
0
V

14. Работа газа при изопроцессах

При изохорном процессе (V=const):
ΔV = 0
работа газом не совершается
A 0
P
Изохорное нагревание
V

15. Изобарный процесс

Процесс, происходящий при постоянном давлении.
P
A*=p ( V 1+ V2)
U=A+Q
Q=A*+ U
0 V
1
V2
V

16. При изобарном процессе (Р=const):

A p V
P
1
Изобарное расширение
2
P
A 0
V
V1
V2

17. Адиабатный процесс

Процесс, происходящий без теплообмена с внешней
средой.(Обычно отсутствие теплообмена обусловлено
быстротой процесса: теплообмен не успевает произойти)
P
Q=0
U = -A*
0 V
1
V
V
2

18. 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
2
Р2
V1
V2
V
S
V1
V2
V

19. Применение первого закона термодинамики к различным процессам (обобщающая таблица)

Процесс
Постоянный
параметр
Первый закон
термодинамики
Изохорный
V = const
ΔU = Q
Изотермический
Т = const
Q = A'
Изобарный
Р = const
Q = ΔU + A'
Адиабатный
Q = const
ΔU = -A'

20. II ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Не возможно перевести теплоту от более холодной системы к
более горячей при отсутствии других одновременных изменений
в обеих системах или окружающих телах.
Не возможен круговой процесс, единственным результатом
которого было бы производство работы за счет охлаждения
теплового резервуара.
Не возможен круговой процесс, единственным результатом
которого является передача теплоты от менее нагретого тела
более нагретому.
Тепловые процессы необратимы.

21. Тепловой двигатель

Периодически действующая тепловая машина, совершающая
работу за счет полученной извне теплоты.
НАГРЕВАТЕЛЬ (Т1)
Q1
РАБОЧЕЕ ТЕЛА
Q2
ХОЛОДИЛЬНИК (Т2)
A*
A*=Q1 – Q2

22. Тепловые двигатели – устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

23.

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

24.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового
двигателя – отношение полезной работы А’, совершаемой
двигателем, к количеству теплоты Q, полученному от
нагревателя:
А
где
А Q1 Q2
тогда
1
При
Q1
Q1 Q2
Q1
1
работа, совершаемая
двигателем
Q2
Q1
КПД всегда меньше единицы, так как у всех
двигателей некоторое количество теплоты
передаётся холодильнику
Т1 Т 2 0
двигатель не может работать

25.

Максимальное значение КПД тепловых
двигателей (цикл Карно):
T1 T2
max
T1

26.

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

27. ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Первого рода
Второго рода
Будучи раз пущен в
ход, совершал бы
работу
неограниченно долгое
время, не заимствуя
энергию извне
Целиком
превращал бы в
работу теплоту,
извлекаемою из
окружающих тел
НЕВОЗМОЖНЫ
Противоречит закону
сохранения и
превращения энергии
Противоречит
второму началу
термодинамики

28. ТЕРМОДИНАМИКА И ПРИРОДА

В окружающей нас природе термодинамически
обратимых процессов нет.
Энтропия в термодинамически не обратимых процессах,
протекающих в изолированной системе, возрастает.
По определению А. Эддингтона, возрастание энтропии,
определяющей необратимые процессы есть «стрела
времени»:чем выше энтропия системы, тем больше временной
промежуток прошла система в своей эволюции.
Возрастание энтропии Вселенной должно привести к тому, что
температура всех тел сравняется т. е. наступит тепловое
равновесие и все процессы прекратятся, наступит «тепловая
смерть Вселенной». (???).

29.

Вехи истории термодинамики
(для самостоятельного изучения)

30. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

АВТОР
СУТЬ ВВЕДЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
Д. Фаренгейт (1685-1736)
В 1710 – 1714 годах предложил шкалу и термометр:
0° - температура смеси воды, льда и поваренной соли,
32° - температура смеси воды и льда, 212° - температура
кипения воды, 96° - температура тела человека.
голландский физик, мастерстеклодув
А. Цельсий (1701 – 1744),
шведский физик и астроном.
Ж. Понселе (1788 – 1867),
французский физик и инженер.
С. Карно (1796 – 1832),
французский физик и инженер.
Б. Клапейрон (1799 – 1864),
французский физик и инженер.
В 1742 году предложил стоградусную шкалу температур:
0° - температура таяния льда, 100° - температура
кипение воды
В 1826 году ввел понятие работы и единицы её
измерения.
Ввел представление об идеальной тепловой машине, а в
1824 году фактически дал формулировку второго начала
термодинамики, связал тепло с движение частиц тела.
В 1834 году вывел уравнение состояния идеального газа,
обобщенное в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

31.

АВТОР
СУТЬ ВВЕДЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
Р. Майер (1818 – 1878),
В 1842 году одним из первых сформулировал закон
сохранения и превращения энергии.
немецкий врач и естествоиспытатель.
Дж. Джоуль (1818 – 1889),
английский физик
Г. Гельмгольц (1821 – 1894),
немецкий физик и естествоиспытатель
В 1843 году первый вычислил механический
эквивалент теплоты и пришел к закону сохранения
энергии.
В 1847 году дополнив идеи Майера и опыты Джоуля,
сформулировал и математически обосновал закон
сохранения и превращения энергии.
Р. Клаузиус (1822 – 1888),
немецкий физик-теоретик.
В 1850 году сформулировал второе начало
термодинамики, а в 1854 г. дал математическую
формулировку первого начала.
У. Томсон (Кельвин) (1824 – 1907),
В 1848 году ввел понятие абсолютной температуры, в
1851 году сформулировал второе начало
термодинамики.
английский физик.