Основы термодинамики Термодинамические параметры Равновесные состояния и процессы

Основы термодинамики. Термодинамические параметры. Равновесные состояния и процессы. Внутренняя энергия идеального газа. Количество теплоты и работа. Теплоемкость. Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам.

• Состояние макросистемы характеризуют величинами, которые называют термодинамическими параметрами (давление, температура, объём и т. д. ). Равновесное состояние системы описывается постоянными и определёнными значениями термодинамических параметров при неизменных внешних условиях. • Процесс- переход системы из одного состояния в другое, проходящий через последовательность неравновесных состояний. • При медленном воздействии на системы можно считать, что процесс проходит через последовательность авновесных р состояний, такой процесс называется равновесным. Равновесные процессы обратимы.

• Внутренняя энергия тела U - это энергия тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. • (Например, внутренняя энергия некоторой массы газа не учитывает энергию движения газа вместе с сосудом и энергию, обусловленную нахождением газа в поле сил земного тяготения) • Внутренняя энергия = • кинетическая энергия хаотического движения молекул • потенциальная энергия взаимодействия между молекулами • внутримолекулярная энергия • Внутренняя энергия является функцией состояния системы: при переходе из одного состояния в другое изменение внутренней энергии есть разность внутренних энергий этих состояний: ΔU = U 2 - U 1

• Приращение внутренней энергии системы должно быть равно сумме совершенной над системой работы A’ и количества сообщенного системе тепла Q: • где U 1 и U 2 – начальное и конечное значения внутренней энергии системы. • Совершение работы сопровождается перемещением внешних тел. Пример, при сдвигании поршня в сосуде, содержащем газ, поршень совершает работу A’. По третьему закону Ньютона газ при этом совершает над поршнем работу А= - A’. • Теплопередача есть совокупность микроскопических процессов, приводящих к передаче энергии от тела к телу. • Первый закон термодинамики: количества тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами:

• При вычислении A’ и Q обычно разбивают процесс на элементарные процессы, каждый из которых соответствует малому изменению параметров системы: • где Δ’Q- элементарное количества тепла, Δ’A- элементарная работа и ΔU- приращение внутренней энергии системы в ходе данного элементарного процесса. • Рассмотрим газ заключённый в • цилиндрический сосуд со скользящим поршнем • Пусть газ начнёт расширяться – поршень переместиться и над ним будет совершена работа • Элементарная работа при перемещении поршня на отрезок Δh: • где f- сила, с которой газ действует на поршень.

• Сила равна произведению давления газа p на площадь S, тогда: • Т. к. SΔh = ΔV, то • Если p=const, то работа, совершаемая при малом изменении объема от значения V 1 до значения V 2 будет равна: • Если p≠const, то • - работа, совершенная газом при расширении, рассчитывается как интеграл давления по объёму. • Формула справедлива для изменений объёма твёрдых, жидких и газообразных тел.

• Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и начальным и конечным объемами газа V • T=const , U =const внутренняя энергия не меняется. Первый закон термодинамики: Q= A’, т. е. количество теплоты, переданное системе, идет только на совершение работы при изотермическом расширении. • P=const - газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: Q= A’+ΔU. • V=const -газ не меняет своего объема - работа им не совершается, т. е. А = 0 : Q= ΔU , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа. • Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой: Q = 0, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии- газ охлаждается: A’=ΔU

• Внутренняя энергия идеального газа = сумме энергий отдельных молекул (т. к. молекулы не взаимодействуют). Энергия одного киломоля газа: • Внутренняя энергия газа массой m: • Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. • Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы, что приводит к изменению состояния системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то следовательно, процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением внутренней энергии системы.

• Тепловое движение молекул одноатомного газа идёт в среднем тем интенсивнее, чем больше его внутренняя энергия. Скорость каждой отдельной молекулы при этом может изменяться даже при постоянстве внутренней энергии всего газа