Если процесс протекает достаточно медленно, то в любой момент система близка к своему равновесному состоянию. Такие процессы называются квазистатическими.
Интерес представляют процессы, в которых один из параметров (температура, давление или объём) остаётся постоянным. Такие процессы называются изопроцессы.
Изотермический процесс.
Изотермический процесс – это квазистатический процесс, протекающий при постоянной температуре (t = const.). Исходя из уравнения идеального газа, получается, что PV = const.
Изохорный процесс.
Квазистатический процесс, проходящий при постоянном объёме. Различают изохорное нагревание и изохорное охлаждение. P/T = const.
Изобарный процесс.
Квазистатический процесс, протекающий при постоянном давлении. V/T = const.
Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике.
Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия. Все макроскопические тела обладают энергией, заключённой внутри самих тел. С точки зрения МКТ внутренняя энергия вещ-ва складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия их друг с другом. Отсюда вытекает закон Джоуля, подтверждённый экспериментальными данными: внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объёма.
U=3/2*Na*k*T = 3/2*R*T.
Таким образом, внутренняя энергия тела однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путём было реализовано данное состояние. Т.к. в законе Джоуля говорится про идеальный газ, то внутренняя энергия идеального газа не зависит от объёма. В реальных условиях, поскольку потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояния между ними, то внутренняя энергия зависит и от объёма и от температуры. Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы совершают работу: положительную или отрицательную.
Работа идеального газа.
Величина работы зависит от того, каким путём совершался переход из начального состояния в конечное.
Процессы такого рода можно провести в обратном направлении, тогда работа изменит знак на противоположный. Такие процессы называют обратимыми.
При вращении вертушки, погружённой в жидкость, внешние силы совершают положительную работу. При этом жидкость при наличии силы внутреннего трения нагревается. Такой процесс не может быть проведён в обратном направлении и называется необратимым.
Внутренняя энергия тела может изменятся не только в результате совершаемой работы, но и в следствие теплообмена. При тепловом контакте тел энергия одного из них может увеличиваться, а другого - уменьшаться. В этом случае говорят о тепловом потоке от одного тела к другому. Тогда изменения внутренней энергии тела, в результате теплообмена, называется количеством теплоты и обозначается «Q».
Нулевое начало термодинамики (общее начало термодинамики): в независимости от начального состояния изолированной системы, в конце концов, в ней установится термодинамическое равновесие. При этом все части системы будут иметь одинаковую температуру.
Втрое начало термодинамики: невозможен самопроизвольный переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому.
Количество теплоты – количественная характеристика, измеряемая в джоулях.
Первый закон термодинамики.
Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу, как положительную, так и отрицательную, то изменяется состояние системы, то есть её макроскопические параметры (давление, объём, температура). Т.к. внутренняя энергия однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением внутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданным системе, и работой, совершённой системой над внешними телами. δU = Q – A; Q = δU – A. Количество теплоты, полученной системой идёт на изменение её внутренней энергии и совершения работы над внешними телами.
Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов, отсюда следует, что энергия не может создаваться или уничтожаться, а только передаётся от одной системы к другой.
Рассмотрим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах:
Изохорный процесс. V=const. Q = δU = U(T2) – U(T1). При изохорном нагревании тепло поглощается газом и это тепло идёт на увеличение внутренней энергии газа, т. к. при изохорном процессе газ работы не совершает.
Изобарный процесс. P = const. A = P*δV. Q = δU + pδV.
Изотермический процесс. δU = const. Q = A. При изотермическом процессе не меняется температура, следовательно не меняется внутренняя энергия, следовательно всё тепло, полученное телом идёт на совершение работы.
На ряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствии теплообмена с окружающими телами. Сосуды с тепло непроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения и сжатия газа в таких сосудах называют адиабатическими или адиабатными.
Q = 0, следовательно A = -δU. Работа совершается за счёт изменения внутренней энергии самого тела. В термодинамике выводится уравнение адиабатического уравнения для идеального газа: pVгамма = const. гамма
Работа газа в адиабатическом процессе выражается через температуры начального и конечного состояний.
Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно.
Тепловой двигатель – это устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.
Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещ – ва., которое называется рабочим телом, в качестве рабочего тела обычно используется газообразные вещ – ва. Рабочее тело получает или отдаёт тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называют тепловыми резервуарами.
Идеальным является изотермический процесс, в котором всё тепло идёт на совершение работы, но такой однократный акт не интересен для техники. Реально работающие двигатели преобразуют теплоту в работу циклически. Для этого рабочее тело должно совершать термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние.
Все термодинамические процессы изображаются на диаграмме в виде зависимости давления от объёма.
При расширении газ совершает положительную работу, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу, равную площади под кривой adc. Общая работа равняется сумме этих двух работ.
Общее св – во. всех круговых процессов в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт, только с одним тепловым резервуаром, их нужно как минимум два, при этом один из них называется холодильником, а другой – нагревателем. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты и отдаёт холодильнику некоторое кол. теплоты.
Работа, совершаемая рабочим телом за цикл равна полученному за цикл кол. теплоты, а отношение работы к кол. теплоты, полученному телом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия.
КПД указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от нагревателя, превратилась в полезную работу. Остальная часть была бесполезно отдана холодильнику.
Дизельные и бензиновые двигатели.
Цикл бензинового двигателя состоит из двух изохор (1,2 и 3,4) и двух адиабат (2,3 и 1,4) .
Дизельный двигатель состоит из двух адиабат (1,2 и 3,4) и одной изобары (2,3) и из одной изохоры (4,1).
Цикл Карно.
1824г. На изотермическом участке (1,2) газ приводится в тепловой контакт с нагревателем. Газ изотермически расширяется, совершает некоторую работу, далее на адиабатическом участке (2,3) газ продолжает расширятся в отсутствии теплообмена, на этом участке газ совершает положительную работу, температура уменьшается, на следующем изотермическом участке (3,4) газ взаимодействует с холодильником, происходит изотермическое сжатие, газ совершает отрицательную работу, внут. энергия не изменяется. На участке (4,1) (адиабатическое сжатие) температура газа повышается, газ совершает отрицательную работу. Полная работа складывается из работ на каждом участке.
Работа (2,3) = - Работа (4,1)
КПД = A/Q1 = (A1,2 + A3,4)
Карно выразил коэффициент полезного действия через температуры нагревателя и холодильника.
Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды, когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно наиболее эффективный.
Любой участок цикла Карно и весь цикл целиком можно пройти в обоих направлениях: по часовой стрелке – тепловой двигатель, против часовой – холодильная машина. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.
Второй закон термодинамики.
Процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела являются необратимыми из – за наличия трения диффузии, разности давлений и т.п. Все остальные процессы так же необратимы, но могут приближаться к обратимым (идеализация реальных процессов).
Первый закон термодинамики не отличает обратимые и необратимые процессы, поэтому направление самопроизвольно – протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определённые виды термодинамических процессов.
Формулировка второго закона по Кельвину (1851г.): В циклически действующей тепловой машине не возможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.
Это делает невозможным создание вечного двигателя второго рода.
Клаузиус: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путём теплообмена от более холодного тела к более тёплому.