Основы термодинамики

1. Обратимые и не обратимые тепловые процессы.

К обратимым процессам относятся процессы, после проведения которых в прямом и обратном направлениях в окружающих систему телах не остается никаких изменений. Для обратимых процессов характерно следующее: если в ходе прямого процесса система получила количество тепла Q и совершила работу А, то в ходе обратного процесса система отдает количество тепла Q^¢ =-Q и над ней совершается работа А^¢ =-А. К обратимым процессам относятся все равновесные процессы. В случае необратимого процесса, после возвращения системы в исходное состояние, в окружающих систему телах остаются изменения (изменяются положения тел и их температуры). Все реальные процессы в большей или меньшей степени необратимы.

процесс (термодинамический процесс) — изменение макроскопического состояния термодинамической системы.

Система, в которой идёт тепловой процесс, называется рабочим телом.

Тепловые процессы можно разделить на равновесные и неравновесные. Равновесным называется процесс, при котором все состояния, через которые проходит система, являются равновесными состояниями.

Тепловые процессы можно разделить на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который можно провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

Можно выделить несколько простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

• Адиабатный процесс — происходящий без теплообмена с окружающей средой;
• Изохорный процесс — происходящий при постоянном объёме;
• Изобарный процесс — происходящий при постоянном давлении;
• Изотермический процесс — происходящий при постоянной температуре;
• Изоэнтропийный процесс — происходящий при постоянной энтропии;
• Изоэнтальпийный процесс — происходящий при постоянной энтальпии;
• Политропный процесс — происходящий при постоянной теплоёмкости;

В технике важны круговые процессы (циклы), то есть повторяющиеся процессы, например, цикл Карно, цикл Ренкина.

Теория тепловых процессов применяется для проектирования двигателей, холодильных установок, в химической промышленности, в метеорологии.

2. Внутренняя энергия.

Внутренняя энергия 1-й закон термодинамики.
Сумма кинетических энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией.
Внимание! 1. Энергия упорядоченного движения частиц тела представляет собой механическую кинетическую энергию тела. 2. Вообще говоря, во внутреннюю энергию входят энергии внутриатомных частиц, но при не очень больших температурах эта энергия остается неизменной. Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит - температурой тела. Потенциальная - расстоянием между частицами, а значит - объемом. Следовательно: U=U(T, V) - внутренняя энергия зависит от объема и температуры.	U=U(T, V)
Для идеального газа: U=U(T), т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем. - внутренняя энергия идеального одноатомного газа. Внутренняя энергия - однозначная функция состояния (с точностью до произвольной постоянной) и в замкнутой системе сохраняется. Обратное неверно(!) - одной и той же энергии могут соответствовать разные состояния.	Идеальный газ:
Опыты Джоуля доказали эквивалентность работы и количества теплоты, т.е. и та и другая величины являются мерой изменения энергии, их можно измерять в одинаковых единицах: 1 кал = 4, 1868 Дж ≈ 4, 2 Дж. Эта величина наз. механическим эквивалентом теплоты.
Р.Майер, Д.Джоуль, Г.Гельмгольц - закон сохранения энергии для тепловых процессов - 1-й закон термодинамики.
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Изменений внутренней энергии не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Т.о. существует два способа изменения внутренней энергии: совершение механической работы и теплопередача (теплообмен). Работа и количество теплоты характеризуют процесс изменения внутренней энергии, но не саму внутреннюю энергию.
Если А - работа внешних сил, а А' - работа газа, то А = - А'(в соответствии с 3-м законом Ньютона). Тогда: - другая форма записи первого закона термодинамики. Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Невозможность создания вечного двигателя 1-го рода. Вечный двигатель первого рода - устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты энергии. Тогда Q=0. Следовательно: A'= - Δ U. Т.е. такой двигатель должен совершать работу за счет убыли внутренней энергии. Но ее запасы конечны. После того, как запас энергии будет исчерпан, двигатель остановится.

3. Работа газа при изменении обьема.

Газ оказывает давление на любую стенку сосуда. Если стенка подвижна (например, поршень на рис. 1), то сила давления F совершит работу A, переместив поршень на расстояние DL. Если DL невелико, то давление газа останется примерно постоянным. Тогда работа будет равна: A = F · DL · cosa = P · S · DL, где S - площадь поршня, a - угол между направлением силы и перемещением поршня (a = 0). Произведение S · DL равно изменению объема газа DV от начального V1 до конечного V2значения, т.е. S · DL =DV = V1 - V2. Тогда A = P · (V2 - V1) = P · DV. В изобарном процессе расширения газа P = const. Следовательно, при любом сколь угодно большом увеличении объема сила давления газа на поршень будет постоянной, и формула работы сохранит свой вид A = P · (V2 - V1).

4.

Если в процессе расширения давление газа изменяется, то для вычисления работы можно воспользоваться графическим методом (см. рис. 3). Пусть процесс расширения имеет вид, изображенный на рисунке. При любом малом изменении объема DV работа равна площади малого прямоугольника (на рис. 3 он заштрихован). Полная работа равна сумме площадей всех малых прямоугольников и равна площади фигуры, ограниченной линией, представляющей собой график процесса.
При сжатии газа внешними силами перемещение поршня DL противоположно силе давления газа F, тогда работа газа будет отрицательной величиной (DV < 0). Работа внешней силы A' в данном случае будет положительной, а величина A' = - A. Работа газа в циклических процессах Совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние называется циклом. Все тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, холодильные и паровые машины, и др.) работают циклически.
Рабочее тело приводят в контакт с нагревателем-источником тепла постоянной температуры Тн. При изотермическом расширении на участке 1-2 от нагревателя отбирается тепло Qн. Вследствие этого температура газа остается неизменной. Отсоединяем нагреватель от рабочего тела и при тепловой изоляции даем газу адиабатно расширяться. Внутренняя энергия газа уменьшается и его температура падает до Тх. Приводим газ в контакт с холодильником, имеющим постоянную температуру Тх, причем Тх< Тн. После этого газ сжимаем изотермически, и выделяющееся при этом тепло Qх отбирается холодильником. Рабочее тело отсоединяем от холодильника и в условиях тепловой изоляции газ адиабатно сжимается до исходного состояния. Таким образом, нагреватель отдал газу теплоту Qн, а холодильник отобрал теплоту Qх. Разность (Qн-Qх)определяет полезную работу за один цикл, т.е. A=(Qн-Qх), а работа на адиабатных участках взаимно компенсируется. Отношение полезной работы Агаза, совершенной за один цикл, к затраченной энергии нагревателя определяетк.п.д. тепловой машины: hмакс=(Qн-Qх)/Qн Либо к.п.д. численно равен отношению разности температур нагревателя Тн и холодильника Т к абсолютной температуре нагревателя. hмакс =(Tн-Tх)/Tн Работа, совершаемая газом в результате изменений его состояний по любому замкнутому циклу, пропорциональна площади цикла на диаграмме pV. Второе начало термодинамики Карно впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в случае, когда тепло передается от нагретого тела более холодному. Развивая идеи Карно, английский физик Томсон сформулировал второе начало термодинамики: " В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплового резервуара". Второй закон устанавливает направление течения и характер процессов, происходящих в природе. Согласно Клаузиусу, давшему одну из первых формулировок второго закона: " теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому". Физический смысл второго закона наиболее ясно раскрывается в формулировке Планка: " Невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу" Согласно второму началу термодинамики: в циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу. Это утверждение связано с необратимостью тепловых процессов: количество теплоты самопроизвольно передается от тела с большей температурой телу с меньшей температурой. Теплопередача от холодного тела к более нагретому самопроизвольно не возникает, а достигается лишь за счет дополнительной работы холодильной установки.

5. Количество теплоты. Теплоемкость.

Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называют количеством теплоты (Дж).