Основные законы термодинамики Законы термодинамики. Термодинамические

Основные законы термодинамики Законы термодинамики. Термодинамические процессы. Цикл Карно.

Первый закон термодинамики p Перпетуум-мобиле первого рода невозможен. Перпетуум-мобиле – машина, способная производить работу из ничего. p Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами перехода энергии от одного тела к другому. p Если исчезает некоторое количество тепловой энергии, возникает эквивалентное количество механической энергии (в виде совершенной работы). p При совершении какой-либо работы появляется эквивалентное ей количество тепловой энергии.

Математическое выражение первого закона термодинамики p Если к газообразному рабочему телу, находящемуся в равновесии, подвести тепло, то часть его пойдет на изменение внутренней энергии, а часть затрачивается на совершение работы: U=Uкин + Uпот; Uкин=Uкин. пост. +Uкин. вр. +Uкол. Uкин. пост. – кинетическое энергия поступат. движения молекул; Uкин. вр. – кинетическое энергия вращательного движения молекул; Uкол. – кинетическое энергия колебательного движения молекул;

Внутренняя энергия является функцией состояния: u=f(P, T); u=f 1(P, v) Опыт Джоуля: в термостат поместили два сосуда, между которыми есть трубка с краном. Из опыта Джоуля следует, что для идеального газа внутренняя энергия является функцией только температуры: U = (T)

Работа расширения: p Для 1 кг массы рабочего тела:

P-v диаграмма p В координатах p-v площадь, ограниченная кривой, осью абсцисс и ординатами крайних точек, равна работе расширения. p Внешняя работа – положительная в процессах расширения и отрицательная – в процессах сжатия.

p dq=0 – отсутствует теплообмен системы с окружающей средой, процесс адиабатный. p , объем тела не меняется, , процесс изохорный: p - внутренняя энергия системы не меняется, процесс изотермический:

Первый закон термодинамики Действительность Выводы p Превращение работы в p Утверждает теплоту не связано с взаимопревращаемость ограничениями. теплоты и работы и не p Превращение теплоты в ставит ограничений в работу требует осуществлении этого определенных условий. процесса. p Невозможно возвращение ТДС в первоначальное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде. p Необратимы все естественные процессы

Второй закон термодинамики p Клазиус: «Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой даровым процессом (без компенсации)» . p Томсон: «не вся теплота, полученная от теплоотдатчика может перейти в работу, а только некоторая ее часть. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник» . p Оствальд: «осуществление вечного двигателя второго рода невозможно» . p Любой реальный самопроизвольный процесс необратим.

Аналитическое выражение второго закона термодинамики p Знак > характеризует необратимые процессы p Знак = характеризует обратимые процессы

Объединенное уравнение p Объединенное уравнение первого и второго закона термодинамики для обратимых процессов и 1 кг рабочего тела:

История p Рабочая гипотеза тепловой машины, устанавливающая условия превращения теплоты в работу с точки зрения получения максимального к. п. д. p Превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источником теплоты и теплоприемником. p Теоретические тепловые машины работают по круговым термодинамическим процессам – циклам.

Второй закон термодинамики для циклов p Процесс, в котором рабочее тела, претерпев ряд изменений, возвращается в первоначальное состояние, наз. круговым. p Необходимы 3 элемента: Ø Нагреватель или теплоприемник с T 1; Ø Холодильник с T 2; T 1 > T 2; Ø Рабочее тело. p Во всех циклах изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии равно 0. p Первый закон термодинамики для циклов:

Пример цикла p Подводят тепло q 1 p Рабочее тело расширяется и совершает работу p Для возвращения рабочего тела в первоначальное состояние (сжатие) часть внутренней энергии в форме теплоты рабочее тело отдаст холодильнику q 2 p Теплота цикла: p Работа цикла:

Классификация циклов p Цикл прямой – линия процесса расширения на p-v диаграмме расположена выше линии сжатия. По прямым циклам работают все тепловые двигатели, производимая работа отдается внешнему потребителю. p Цикл обратный - …… По обратным циклам работают холодильные машины, теплота переходит от холодного тела к горячему p Цикл обратимый – состоит из обратимых процессов. p Цикл необратимый - ……

Степень совершенства цикла p Для оценки цикла необходимо знать долю теплоты q 1, превращенной в полезную работу. Термический к. п. д. : p Т. е. невозможно создать тепловую машину, термический к. п. д. которой был бы равен единице.

Второй закон термодинамики в формулировке Карно p В круговом процесса теплота нагревателя не может быть полностью превращена в работу. p Совокупность процессов расширения и сжатия образовала термодинамический цикл, площадь которого равна работе, совершенной рабочим телом.

Цикл Карно p р-v - диаграмма p T-S - диаграмма

Цикл Сади Карно p Термодинамический цикл p Количество подведенного состоит из 2 -х тепла изотермических и 2 -х адиабатных процессов; p Обратимый круговой процесс состоит из p Теплота цикла обратимых термодинамических процессов; p Термический к. п. д. цикла Карно не зависит от p К. п. д. цикла Карно природы газа и определяется температурами нагревателя и холодильника

Основа второго закона термодинамики p Для превращения тепла в механическую работу необходимы два источника тепла с различной температурой и рабочее тело. p В цикле тепло источника с большей температурой не может быть полностью превращено в работу, т. к. часть его отдается источнику с меньшей температурой. p Тепло не может само переходить от тела менее нагретого к более нагретому без затрат работы.

Второй закон термодинамики для циклов p Математическая запись: p Знак = - обратимые циклы; p Знак < - необратимые циклы. p Если интеграл, взятый по замкнутому контуру, равен 0, то под знаком интеграла находится полный дифференциал некоторой функции: