Тепловые машины и их применения

План:

1. Общее сведение о законе сохранения энергии в тепловых процессах. 2. Идеальный газ. 3. Первый закон (первое начало) термодинамики. 4.Второй закон (второе начало) термодинамики. 5. Понятие энтропия

1.Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Это и есть энергия движения и взаимодействие частиц, из которых состоит тело, ее называют внутренней энергией тела.

U-внутренняя энергия.

Раздел физики, в котором изучают условия превращения энергии из одного вида в другой и характер этих превращений с количественной стороны называют термодинамикой. В отличии от механики, где рассматривают механическую энергию в двух ее видах- кинетической и потенциальной, в термодинамики фундаментальную роль играют понятия внутренней энергии.

Внутренней энергией тела называют сумму кинетических энергий частиц, из которых оно состоит, и энергий их взаимодействия друг с другом (потенциальная энергия). Тепловое движение молекул никогда не прекращается. Поэтому любое тело всегда обладает какой-то внутренней энергией. Изучение тепловых явлений показывает, что насколько в них уменьшается механическая энергия тел, настолько же увеличивается их внутренняя энергия. Полная же энергия тел, равная сумме их механической и внутренней энергий, при любых процессах остается неизменной. Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь переходить из одного вида в другой, сохраняя свое полное значение. Так, например, при взлете ракеты происходит превращение внутренней энергии сгорающего топлива в механическую энергию оболочки ракеты; при возникновение ветра внутренняя энергия нагретого воздуха превращается в кинетическую энергию движущихся воздушных масс и т.д. Одним из первых, кто обратил внимание на взаимопревращаемость различных видов энергии, был немецкий ученый Ю.Р. Майер(1814-1878).

Майер открыл один из самых фундаментальных законов физики – закон сохранения и превращения энергии.

2. Представим, что мы изучаем систему материальных тел (это может быть совокупность каких-то предметов – тетрадь, ручка, сумка и т.д., или молекулы газа, или раствор, словом, что угодно). Это система тел отделена от окружающего мира некоторой оболочкой, воображаемой или действительной (скажем, газ или раствор в стеклянном сосуде, вещи в рюкзаке и т.д.). Примером может служить система «идеальный газ в цилиндре с поршнем» (рис.70).

Допустим, что на газ оказано внешнее воздействие. К примеру, кто-то сдвинул поршень влево и вправо. Ясно, что количество газа при этом не изменилось, а вот его объем и давление стали другими. Можно сказать так: система откликнулась на внешнее воздействие.

Форма отклика может быть разной в зависимости от характера воздействия. Первая форма – это теплоперенос. В этом случае система теряет или приобретает некоторое количество теплоты (ΔQ) вследствие того, что ее нагрели, или охладили, или оказали на нее механическое воздействие и т.д.

3. Теплоперенос невозможен, если система изолирована в тепловом отношении (тогда она не может быть обмениваться теплотой с внешним миром и ΔQ=0). Процессы, которые происходят в такой системе, называют адиабатными.

Бывает, и иная форма отклика система на внешнее воздействие – это так называемые рабочие действия, или работа. Скажем, система может совершать различные действия: механические (газ, расширяясь, двигает поршень, поднимает груз, вращает колесо и т.д.), электрические (между системой, допустим батарейкой, и внешней средой идет электрический ток) или какие-либо иные. Обозначим общее количество работы (любого вида) через А.

Рассмотрим теперь конкретный случай. Система совершает работу над внешними телами. К примеру, газ, расширяясь, двигает поршень. Кроме того, допустим, что при этом система получает тепло из

внешней среды (мы нагреваем цилиндр с газом), т.е. Q > 0.

В результате этих процессов (теплоперенос плюс работа) изменяется внутренняя энергия системы на величину ΔU.(Вспомните, что такое внутренняя энергия тела U.) В нашем примере (газ получает количество теплоты ΔQ извне и совершает работу А над поршнем) внутренняя энергия системы (т.е. газа) уменьшается при совершении ею работы над внешними телами (поршнем) и увеличивается в результате притока тепла извне, т.е. в соответствии с законом сохранения энергии мы можем записать

ΔU = ΔQ – A (1)

В отличие от закона сохранения энергии в механике в уравнении (1) фигурирует величина ΔQ. Изучение движения и превращение внутренней энергии составляет предмет термодинамики, а уравнение (1) представляет собой математическую запись так называемого первого закона (первого начала) термодинамики.

Величина ΔU (в отличие от ΔQ и А) обладает одним важным свойством: если система переходит из одного (начального) состояния в другое (конечное), то изменение ее внутренней энергии ΔU не зависит от пути, по которому совершился этот переход, т.е. величина ΔU не зависит от того, с помощью каких именно процессов (из числа возможных) система перешла из начального в конечное состояние. Значение величины ΔU определяется только начальным и конечным состояниями. Величины, которые, подобно U, обладают указанным свойством, называют функциями состояния системы.

Дата добавления: 2017-01-14