Лекция 3. 4. Основы термодинамики

3.1. Основные понятия

Термодинамика не интересуется строением тел, а изучает превращение энергии, происходящее в системе (теплообмен, работа над телами и др.)

Термодинамика основывается на трёх опытных законах, началах:

1. начало - аналог закона сохранения энергии;

2 начало - указывает направление процессов;

3 начало - о том, при температуре абсолютной нуля система переходит в состояние с минимальной потенциальной энергией, а тепловое движение замирает

Изолированная система - система, не взаимодействующая с окружающей средой.

Замкнутая система - механически изолирована, но возможен теплообмен с окружающей средой.

Адиабатически изолированная система – это система, в которой нет теплообмена с окружающей средой, но возможно механическое взаимодействие.

Равновесное состояние - состояние, в которое приходит изолированная система со временем (после этого состояние системы не изменяется во времени).

Для равновесного состояния вводят термодинамические параметры состоя­ния: давления Р, температура Т, объём V.

Опыт показывает, что параметры состояния взаимосвязаны некоторым уравне­нием, которое называют уравнением состояния:

(3.1)

3.2. Работа в термодинамике

Рассмотрим газ в цилиндре с поршнем, площадь которого равна S. (рис.3.1). Пусть газ сдвигает поршень на расстояние dX.

При квазистатическом (квазиравно­весном) расширении газа он совершит работу:

Итак, мы получили выражение для элементарной работы газа:

Рис.3.1. При элементарном расширении газ совершает работу А=PdV

(3.2)

При медленном квазистатическом расширении внешние силы равны силе давления газа, но противоположно направлены. Поэтому работа внешних сил:δА_внеш= - δА (3.3)

Работа при конечном приращении объёма складывается (интегрируется) из элементарных работ:

(А₁₂ > 0, А₂₁ < 0) (3.4)

Е

Рис.3.2. Элементарная работа δА=РdV на графике соответствует площади заштрихованного столбца. Вся работа газа А₁₂ равна площади под кривой 1-2.

сли при переходе газа из точки 1 в точку 2 газ расширяетсяdV>0, работа газа получится положительной А₁₂ >0. При обратном процессе, переходе из точки 2 в точку 1, газ сжимается dV<0, и работа газа отрицательна А₂₁ <0.

Работа равна площади под кривой перехода в координатах Р,V (см. рис.3.2).

Р

А₂₁<0

абота зависит от пути перехода, значит, не является функцией состояния (см. рис.3.3).

Рис.3.3а) работа газа А₁₂>0; б) работа газа А₂₁<0; в) работа в замкнутом цикле А₁₂₁>0 и равна площади внутри замкнутой кривой; г) в обратном цикле А₁₂₁<0.

Найдем работу газа в различных изопроцессах:

а) изохорный процесс V=const. Площадь под изохорой равна нулю, следовательно А₁₂=0

б) изобарное расширение газа: P=const. Работа А₁₂ равна площади заштрихованного прямоугольника А₁₂=Р(V₂-V₁)

в) изотермическое расширение газа: T=const.

= (m/) RT ln (V₂/V₁),

где V₂ и V₁ - объем газа в начальном и конечном состояниях, соответственно.

3.3. Внутренняя энергия

Опыты Джоуля по определению механического эквивалента теплоты позволили ему сформулировать следующий закон:

В адиабатически изолированной системе работа внешних сил не зависит от пути перехода, а зависит только от начального и конечного состояния системы. (Это 1-ое начало термодинамики для адиабатической системы).

Внутренней энергией системы называется функция состояния, приращение которой в адиабатическом процессе равно работе внешних сил над системой

(в адиабатической системе) (3.5)

Внутренняя энергия определена с точностью до постоянного слагаемого, но практически это не важно, т. к. используется либо U, либо dU/dX (произ­водные).

Внутренняя энергия включает энергию всевозможных видов движения и взаимодействия всех частиц термодинамической системы (кинетическая энер­гия атомов и молекул, потенциальная энергия всех частиц, включая ядра и т. д.).

(Внутренняя энергия не включает кинетическую энергию и потенциальную энергию термодинамической системы как целого).