Термодинамика

1.

2.

Термодинамика – раздел физики,
изучающий возможности
использования внутренней энергии
тел для совершения механической
работы.
Выводы термодинамики опираются на совокупность
опытных фактов и не зависят от наших знаний о
внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде
случаев термодинамика использует молекулярнокинетические модели для иллюстрации своих выводов.

3.

Внутренняя энергия
С точки зрения молекулярно-кинетической теории
внутренняя энергия вещества
=
кинетическая энергия всех атомов и молекул
+
потенциальная энергия их взаимодействия

4. 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]

5.

В каких процессах и каким образом может изменяться
внутренняя энергия?
1. При изменении температуры тела
2. При химических реакциях и изменениях
агрегатного состояния вещества
3. При ядерных реакциях
ВЫВОД:
внутренняя энергия U тела определяется
макроскопическими параметрами, характеризующими
состояние тела.

6. 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)

7. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

3m
U
RT
2M

8. Внутренняя энергия идеального двухатомного газа

Газ называется двухатомным, если каждая его
молекула состоит из двух атомов.
5m
U
RT
2M

9.

Так как
m
pV
RT
M
- уравнение Клапейрона –
Менделеева,
то внутренняя энергия:
3
U pV
2
5
U pV
2
- для одноатомного газа
- для двухатомного газа.

10. Решение задач

Сборник задач
Рымкевича
№ 620, 624

11. Способы изменения внутренней энергии тела ΔU

Совершение
работы (А)
над
телом
ΔU
самим
телом
(газом)
ΔU
Теплопередача (Q)
- процесс
изменения
внутренней
энергии без
совершения
работы над телом
или самим телом

12.

Виды теплопередачи:
,
,теплопроводность
,,5
К=П
конвекция
, Ч=В
излучение
,, Л
,, Я
К=Е

13.

Теплопроводность
- процесс передачи внутренней энергии от одной части тела к
другой, без переноса вещества
Рис 1. Нагревание ложки в горячем чае
– пример теплопроводности.

14.

Теплопроводность
Рис 2. Перенос энергии от более нагретых участков тела к
менее нагретым.

15.

Теплопроводность
Хорошая
Плохая
Самая низкая
металлы: медь, серебро, золото, железо и др.
шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка,
стекло, керамика, древесина, солома, опилки,
воздух,
жидкости, газы
вакуум

16.

Теплопроводность
Особенности:
► в твердых телах, жидкостях и газах;
►само вещество не переносится;
►приводит к выравниванию температуры
тела;
►разные тела – разная теплопроводность.

17.

Конвекция
- перенос энергии самими струями жидкости или газа.
Рис 3. Конвекция в жилых комнатах.

18.

Конвекция
Рис 4. Конвекция: вращение бумажной
вертушки.

19.

Конвекция
Особенности:
►возникает в жидкостях и газах,
невозможна в твердых телах и
вакууме;
►само вещество переносится;
►нагревать вещества нужно снизу.

20.

Излучение
- перенос энергии в виде электромагнитных волн.
Рис 5. Излучение энергии Солнца на Землю.

21.

Излучение
излучаемое
тело
медленнее нагревается
тело со светлой
поверхностью
быстрее нагревается
тело с темной
поверхностью
Рис 6 . Поглощение и отражение энергии темными и
светлыми поверхностями.

22.

Излучение
Особенности:
►происходит в любом веществе;
►чем выше температура тела, тем
интенсивнее излучение;
►происходит в вакууме;
►темные тела лучше поглощают
излучение, чем светлые и лучше
излучают.

23.

Поиграем

24.

В каком доме теплее зимой,
если толщина стен одинакова?
Ответ:
теплее в деревянном доме, так как дерево
содержит 70% воздуха, а кирпич 20%. Воздух — плохой
проводник тепла.
В последнее время в строительстве применяют
«пористые» кирпичи для уменьшения теплопроводности.

25.

Каким способом происходит передача энергии
от источника тепла к мальчику?
Ответ:
мальчику, сидящему у печки, энергия в основном
передается теплопроводностью.

26.

Какими способами происходит передача
энергии от источника тепла к мальчику?
Ответ:
мальчику, лежащему на песке, энергия от солнца
передается излучением, а от песка
теплопроводностью.

27.

В каком из этих вагонов перевозят
скоропортящиеся продукты? Почему?
Ответ:
скоропортящиеся продукты перевозят в вагонах,
окрашенных в белый цвет, так как такой вагон в
меньшей степени нагревается солнечными лучами.

28.

Почему водоплавающие птицы
и другие животные не
замерзают зимой?
Ответ:
мех, шерсть, пух обладают
плохой теплопроводностью
( наличие между волокнами
воздуха), что позволяет телу
животного сохранять
вырабатываемую
организмом энергию и
защищаться от охлаждения.

29.

Почему оконные рамы делают двойными?
Ответ:
между рамами содержится воздух, который
обладает плохой теплопроводностью и защищает
от потерь тепла.

30.

т
е
м
п
е
р
а
т
у
р
а
Кроссворд
и
з
л
у
ч
е
н
и
е
т
е
п
л
о
п
е
р
е
д
а
ч
а
с
о
л
н
ц
е
в
о
з
д
у
х
р
а
б
о
т
а
с
е
р
е
б
е
р
о
в
а
к
у э к
у н о
ме н
р в
г е
и к
я ц
и
я
Основной
Металл,
Величина,
Величина,
Процесс
Смесь
Вид
Процесс
Разреженный
Видтеплопередачи,
теплопередачи,
имеющий
источник
газов.
превращения
от
изменения
обладающая
которой
Обладает
газ.
энергии
самую
зависит
который
внутренней
свойством
одного
который
на
хорошую
интенсивность
вида
сопровождается
плохой
Земле.
сохранения.
энергии
может
энергии
без
в
осуществляться
совершения
переносом
теплопроводность.
теплопроводностью.
излучения.
другой.
работы
вещества.
в полном
над
телом или
вакууме.
самим телом.

31. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ

32.

• Количество теплоты – это энергия,
которую получает или теряет тело при
теплопередаче.
• Количество теплоты – мера
изменения внутренней энергии.
Обозначение
-
Q
Единица количества теплоты –
1 Джоуль.

33. Начертите таблицу по образцу

Процесс
Нагревание или
охлаждение
Кипение или
конденсация
Плавление или
кристаллизация
Сгорание
топлива
Формула Обозначение
физических величин

34. Нагревание.

• Удельная теплоёмкость – это
величина, численно равная
количеству теплоты, которое
получает или отдаёт вещество
массой 1 кг. при изменении его
температуры на 1 К.
С = Дж/кг∙К
Q = c ∙m (t₂- t₁)

35. Парообразование (конденсация)

• Величина, численно равная количеству
теплоты, необходимому для
превращения при постоянной
температуре жидкости массой 1кг в пар,
называют удельной теплотой
парообразования.
r = Дж/кг.
Q=r∙m

36. Плавление (кристаллизация)

• Величина, численно равная количеству
теплоты, необходимому для
превращения кристаллического
вещества массой 1кг при температуре
плавления в жидкость, называется
удельной теплотой плавления.
λ = Дж/кг.
Q = λ∙m

37. Сгорание топлива.

• Физическая величина,
показывающая, какое количество
теплоты выделяется при полном
сгорании топлива массой 1кг,
называется удельной теплотой
сгорания топлива.
q - Дж/кг.
Q = q∙m

38. Решение задач

39.

Расчет работы в
термодинамике

40. Работа в термодинамике

• Работа газа:
(А - Работа, которую
совершает
сам газ)
A p(V2 V1 ) p V
Работа внешних сил:
(А- работа совершаемая внешними
телами над газом)
A A
• Работа А, совершаемая
внешними телами над газом,
отличается от работы А'
самого газа только знаком:

41.

Используя уравнение МенделееваКлапейрона, получим:
νRΔT
A pΔ V p
νRΔT
p

42.

Работа газа
Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех
трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под
графиком процесса.
Процессы, изображенные на рисунке, можно провести и в обратном
направлении; тогда работа A просто изменит знак на противоположный.
Процессы такого рода, которые можно проводить в обоих
направлениях, называются обратимыми

43.

Работа при изменении объема
При расширении работа
газа положительна.
A = p V - работа газа
При сжатии отрицательна.
A' = ‒ p V - работа
внешних сил.

44.

Работа при циклических процессах
Полная работа за цикл А = А1 + А2
р
С
р
В
В
V1
D
Е
А1 > 0
0
D
Е
С
А 2< 0
V2
V
0
V1
V2
V

45.

При осуществлении кругового
процесса в направлении ВСDЕВ
работа газа за цикл Работа совершается за счет
количества теплоты, получаемого газом
положительна
от нагревателя
р
С
В
А
При осуществлении
кругового процесса в
направлении ВЕDСВ
работа газа за цикл отрицательна
D
Е
Работа газа совершается
за счет уменьшения его
внутренней энергии
0
V1
V2
V

46. 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

47.

Первый закон термодинамики является обобщением
опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не
может быть создана или уничтожена; она передается от
одной системы к другой и превращается из одной
формы в другую.
Важным следствием первого закона термодинамики
является утверждение о невозможности создания
машины, способной совершать полезную работу без
потребления энергии извне и без каких-либо изменений
внутри самой машины. Такая гипотетическая машина
получила название вечного двигателя (perpetuum
mobile) первого рода. Многочисленные попытки
создать такую машину неизменно заканчивались
провалом. Любая машина может совершать
положительную работу A над внешними телами только
за счет получения некоторого количества теплоты Q от
окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней
энергии.

48.

49.

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в
термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в
отсутствие теплообмена с окружающими телами.
Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются
адиабатическими оболочками.
Процессы расширения или сжатия
газа, протекающие в отсутствие
теплообмена (Q = 0) называются
адиабатными или
адиабатическими.

50.

На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения
(или сжатия) газа изображается кривой, которая
называется адиабатой.
При адиабатическом
расширении газ совершает
положительную работу
(A > 0); поэтому его
внутренняя энергия
уменьшается (ΔU < 0).
Это приводит к понижению
температуры газа.
Вследствие этого давление
газа при адиабатическом
расширении убывает
быстрее, чем при
изотермическом расширении
р
АДИАБАТА
ИЗОТЕРМА
0
V

51.

Опыт "воздушное огниво". Возьмем толстостенный стеклянный цилиндр с
поршнем. На дно цилиндра насыплем измельченной "серы" от спичек. Резко
ударив по рукоятке, мы сильно сожмем воздух. В результате он нагревается
настолько сильно, что серный порошок воспламеняется.

52.

Опыт "туман в бутыли". Для него нам потребуются бутыль и насос,
изображенные на рисунке. Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают
немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным.
Придерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда пробка готова выскочить,
накачивание прекращают и ожидают 5-10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился
до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся).
При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!

53.

54.

Начертите таблицу по образцу
Изменение
Про- Посто
внутренней
цесс янные
энергии
Запись
1-го закона
Термодинамики
Физический
смысл
График

55. ı закон термодинамики

Q = ΔU + A
Изобарный процесс
Изменение внутренней
энергии
3 m
U
R T
2M
A = p V
Изотермический
процесс
V2
A RT ln
V1

56.

Изотермический процесс
Процесс
Изотерм
ическое
расшире
ние
Постоянные
m=const
M=const
T=const
pV=const
Изотерм m=const
ическое M=const
сжатие T=const
pV=const
Изменение
внутренней
энергии
ΔΤ = 0
U=0
U=const
ΔΤ = 0
U=0
U=const
Запись
1-го закона
термодинам
ики
Физический
смысл
Q = A'
Изотермический процесс не
может происходить без
теплопередачи.
Все
количество
теплоты,
переданное
системе,
расходуется на совершение
этой системой механической
работы.
Q= –A
Изотермический процесс не
может происходить без
теплопередачи.
Вся работа внешних сил
выделяется в виде тепла.

57.

Первое начало термодинамики
для изотермического
процесса.

58.

Изохорный процесс
Изменен
Запись
ие
Постоян
1-го закона
Процесс
внутренн
ные
термодинам
pm=const
ей
const
M=const
ики
T
V=const
энергии
Изохорн m=const
p A = 0
ое
M=const
T Q = U
нагрева V=const
U
ние
U>0
Изохорн m=const
ое
M=const
охлажде V=const
ние
p
T
U
U<0
A=0
Q = U<0
Физический
смысл
Все количество теплоты,
переданное системе,
расходуется на
увеличение ее
внутренней энергии.
Система
уменьшает
свою
внутреннюю
энергию, отдавая тепло
окружающим телам.

59.

Первое начало термодинамики
для изохорного процесса.

60.

Изобарный процесс
Процесс
Изобарное
расшире
ние
(нагрева
ние)
Изобарное
сжатие
(охлажден
ие)
Изменение
Запись
Постоян
внутренней
1-го закона
ные
энергии
термодинамики
m=const
M=const
V
const
p=const
T
m=const
M=const
p=const
V
const
T
m=const
M=const
p=const
V
const
T
V
T
U
U>0
Q = U+A'
V
T
U
U<0
U = Q+A<0
U = Q-А'>0
Q<0
Физический
смысл
Количество
теплоты,
переданное
системе,
превышает совершенную ею
механическую работу. Часть
тепла
расходуется
на
совершение работы, а часть
– на увеличение внутр.
энергии.
Количество
теплоты,
отдаваемое
системой,
превышает работу внешних
сил. Часть тепла система
отдает за счет уменьшения
внутр. энергии.

61.

Первое начало термодинамики
для изобарного процесса.

62.

Адиабатный процесс
Изменени
Запись
е
Постоянны
1-го закона
Процесс
внутренне
е
термодинами
й
ки
энергии
Физический
смысл
Адиабат m = const
ное
M = const
расши
рение
U<0
U T
Q=0
A' > 0
U= ‒ A' < 0
A'= ‒ U
Система совершает
механическую
работу только за
счет уменьшения
своей внутренней
энергии.
Адиабат m = const
ное
M = const
сжатие
U>0
U T
Q=0
A>0
U = A
Внутренняя энергия
системы
увеличивается за
счет работы
внешних сил.

63.

Первое начало термодинамики
для адиабатного процесса.

64. Решение задач

65.

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

66.

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

67.

Коэффициент полезного
действия (КПД) теплового
двигателя –
отношение работы А’, совершаемой двигателем, к
количеству теплоты, полученному от
нагревателя:
А
100%
Q1

68.

где
А Q1 Q2
тогда
Q1 Q2
Q1
1
При
-работа, совершаемая
двигателем
100% 1
Q2
Q1
100%
КПД всегда меньше единицы, так
как у всех двигателей некоторое
количество теплоты
передаётся холодильнику
Т1 Т 2 0
двигатель не может работать

69.

Максимальное значение КПД
тепловых двигателей (цикл Карно):
max
T1 T2
100%
T1

70.

Отрицательные последствия
использования тепловых
двигателей:
•Потепление климата
•Загрязнение атмосферы
•Уменьшение кислорода в
атмосфере
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 тепловых двигателей
Двигатель
КПД, %
Паровая
машина
1
Паровоз
8
20 - 30
Карбюраторный двигатель
Газовая
турбина
36
Паровая
турбина
35 - 46
Ракетный
двигатель на
жидком топливе
47