Термодинаміка. Внутрішня енергія

1.

Термодинаміка
Для студентів І курсу спеціальності “ Монтаж і
експлуатація електроустаткування підприємств і ЦС”

2.

Термодинаміка
Мета:
- ознайомитись із молекулярно-кінетичним
трактуванням понять внутрішньої енергії,
роботи;
встановити
зв’язок
між
зміною
внутрішньої енергії системи, роботою й
кількістю теплоти, переданої системі;
- отримати початкові уявлення про закон
збереження енергії в теплових процесах

3.

План заняття:
1. Внутрішня енергія
2. Способи зміни внутрішньої енергії
3. Внутрішня енергія ідеального газу
4. Внутрішня енергія багатоатомного газу
5. Зміна внутрішньої енергії при нагріванні
та плавленні, пароутворенні, конденсації і
горінні палива, а також при виконанні
роботи
6. Закони термодинаміки, застосування І
закону до ізопроцесів
7. Обчислення роботи при розширенні газу
(ізобарний процес)

4.

Термодинаміка –
це розділ фізики, що
вивчає теплові явища
без урахування будови тіла

5.

Внутрішньою енергією речовини U
називається сума кінетичної енергії хаотичного
руху всіх частинок, що входять до складу тіла, і
потенціальної енергії їх взаємодії
Позначається внутрішня енергія: U
Одиниці вимірювання внутрішньої енергії:
[U]=[1Дж]

6.

m
3
Ek E N ; де N N A і E kT
2
3
m
3m
3m
Ek kT N A
kN A T
RT
2
2
2
3m
U
RT - внутрішня енергія
2
одноатомного ідеального газу
5m
U
RT - внутрішня енергія
2
двоатомного ідеального газу
U 3
m
RT - внутрішня енергія
багатоатом ного ідеального газу

7.

Задача 1. Яка внутрішня енергія 5 моль кисню при 10 0С?
Дано:
“СІ”
= 5 моль
t = 10 0C
283 K
R = 8,31 Дж/моль· К
U-?
Кисень О2 – двоатомний газ
5 m
U
RT ,
2
m
5
U RT .
2
5
Дж
U 5 моль 8,31
283К
2
моль К
1038,75 Дж 1,04кДж.
Відповідь: U = 1,04 кДж

8.

Задача 2. Яка внутрішня енергія гелію, що заповнює
аеростат об'ємом 50 м3 при тиску 80 кПа?
Дано:
V = 50 м3
р = 80 кПа
“СІ”
8∙104 Па
U-?
3 m
U
RT
2M
m
pV
RT
M
3
U pV .
2
- рівняння
Клапейрона-Менделєєва
3 8 10 Па 50м
U
6 106 Дж 6МДж.
2
4
3
Відповідь: U = 6МДж

9.

Та частина внутрішньої енергії, яку тіло
втрачає або отримує при теплопередачі,
має назву кількість теплоти Q.
Позначається: Q – кількість теплоти
Одиниці вимірювання кількості теплоти :
[Q]=[1Дж]

10.

Способи зміни
внутрішньої енергії
Теплообмін
(теплопередача)
конвекція
випромінювання
Виконання
роботи
теплопровідність

11.

Застосування
в техніці
сушіння і нагрів
матеріалів
пристрої нічного
бачення ( біноклі,
оптичні приціли)
створення системи
самонаведення на
ціль снарядів і ракет

12.

Таблиця: Способи зміни внутрішньої енергії
Механічна робота (подолання тертя,
деформація, дроблення тіл, тощо)
Т
Е
П
Л
О
П
Е
Р
Е
Д
А
Ч
А
AU FsQ cos
qm
rm
m(T2 T1 )
cm
Нагрівання і охолодження тіл
A Fs cos
U Q cm(T2 T1 )
Плавлення і твердіння речовин
U Q m
Пароутворення і конденсація
U Q rm
Горіння палива
U Q qm

13.

Дж
c 1
кг
К
питома теплоємність речовини:
питома теплота плавлення речовини:
Дж
1
кг
питома теплота пароутворення речовини:
Дж
r 1
кг
питома теплота горіння палива:
Дж
q 1
кг

14.

Виконання роботи – процес зміни внутрішньої енергії
системи, що пов'язана із переміщенням її частинок одна
відносно одної.
При роботі тіла
нагріваються!

15.

Робота газу чисельно дорівнює площі фігури
під графіком залежності тиску від об'єму
в координатах p, V
p
p
Розширення газу
p
1
2
p
Стиснення газу
2
A<0
A>0
V1
1
V2
V
V
V1
V2
AГ p (V2 V1 ) p V - робота газу
Aзовн AГ p V - робота зовнішніх сил

16.

Задача 3.
На рисунку зображений графік залежності тиску газу
від об'єму. Визначити роботу газу при його розширенні
Дано:
р = 7∙105 Па
V1 = 2∙10-3 м3
V2 = 9∙10-3 м3
А' -?
Газ розширюється ізобарно, тому робота газу:
А' = p·ΔV = p·(V2 – V1).
А 7 105 Па (9 2) 10 3 м3
49 10 Дж 4,9кДж.
2
Відповідь: А‘ = 4,9 кДж

17.

Способи зміни внутрішньої енергії
Закон збереження та перетворення енергії, що
поширюється на теплові явища, має назву
першого закону термодинаміки.
∆U
∆ U - зміна внутрішньої
енергії
Q
A
А - робота
Q - кількість теплоти

18.

Перший закон термодинаміки
Азовн - робота
зовнішніх
сил;
Q - кількість
теплоти;
∆U = Q + Азовн
∆ U - зміна
внутрішньо
ї енергії;
В
термодинамічній
системі
зміна
внутрішньої
енергії
дорівнює
сумі
кількості переданої теплоти та роботі
зовнішніх сил.

19.

Робота, що виконується газом та
І закон термодинаміки
Q =∆U+A
∆ U = Q + Азовн; Азовн=Fзовн ·h,
F' = -Fзовн, тобто Азовн= - А',
звідки: (A‘=А, F‘= F)
Кількість теплоти,
яка передана системі,
йде на зміну її
внутрішньої енергії та
на виконання
системою роботи над
зовнішніми тілами.

20.

Задача 4. У закритому балоні знаходиться газ. При
його охолодженні внутрішня енергія зменшилася на 500 Дж.
Яку кількість теплоти віддав газ? Чи виконав він роботу?
Дано:
ΔU = - 500 Дж
Q-?
А' - ?
Газ знаходиться в закритому балоні, тобто,
об'єм газу не змінюється, іншими словами V = const
та ΔV = 0.
Газ роботу не виконує, так як
A p V A 0.
За I законом термодинаміки:
Q A U Q U .
Таким чином, при зміні внутрішньої енергії газ віддає
кількість теплоти, яка дорівнює
Q 500 Дж
(знак «-» показує,
що газ виділяє кількість теплоти).
Відповідь: Q = -500 Дж; А' = 0.

21.

Адіабатний процес
• Теплоізольована система –
це система, яка не обмінюється енергією з навколишніми тілами.
• Адіабатний процес – це
процес зміни термодинамічної
системи без теплообміну із
зовнішнім середовищем, Q = 0
Адіабатична хмарка за літаком
Q =∆U+A
Наприклад, у циліндрах дизельних двигунів, де повітря
внаслідок швидкого стискання нагрівається до високої
температури; охолоджується фреон у холодильних
установках внаслідок його розширення. Адіабатне
охолодження відбувається в атмосфері Землі, коли
нагріте
повітря,
швидко
піднімаючись
вгору,
розширюється, в результаті чого водяна пара
конденсується й утворюються хмари.

22.

23.

Застосування І закону ТД до ізопроцесів

24.

Задача 5. Яку роботу виконує ідеальний газ в кількості
2 моля при його ізобарному нагріванні на 5 0С?
Дано:
“СІ”
= 2 моль
p = const
Δt = 5 0C
ΔT = 5 K
R = 8,31 Дж/моль·К
А' - ?
A p V
m
m
RT1 ; pV2
RT2
M
M
m
pV2 pV1
R (T2 T1 )
M
m
m
p V
R T A
R T
M
M
m
M
A R T
pV1
Дж
A 2 моль 8,31
5К 83,1 Дж
мольК
Відповідь: А' = 83,1 Дж

25.

Домашнє завдання
1. Виконати в зошиті опорний конспект із
теми “Термодинаміка”.
2. Розібрати письмово 5 задач із презентації.