24268

Внутренняя энергия

Лекция

Физика

Если термодинамический процесс изображен на p-v-диаграмме, то площадь под кривой этого процесса численно равна работе, произведенной газом в этом процессе.

Русский

2014-10-12

437.5 KB

2 чел.

ЛЕКЦИЯ № 12

6. Внутренняя энергия.

Количество теплоты. Работа газа при расширении

Полная энергия системы частиц складывается из энергии движения системы Wk, потенциальной энергии взаимодействия системы Wр в потенциальном поле и внутренней энергии системы Wвн:

где   внутренняя энергия системы частиц – сумма кинетических и потенциальных энергий всех частиц системы.

Для идеального газа , тогда

   [Wвн] = Дж       (12-1)

Изменение внутренней энергии:

   (12-2)

Для T = const

Как можно изменить внутреннюю энергию системы частиц?

1) Путем подведения к системе или отведения от нее количества тепла Q, [Q] = Дж.

2) Путем совершения механической работы.

   

     (12-3)

Полная работа

Если термодинамический процесс изображен на p-v-диаграмме, то площадь под кривой этого процесса численно равна работе, произведенной газом в этом процессе.

    V2 > V1      V2 < V1

    A12 > 0      A12 < 0

А – работа газа по изменению объема против внешних сил;

– работа внешних сил над газом

Для замкнутого кругового процесса:

                

Изопроцессы:

1) V = const  AV = 0

Т.к. в изохорном процессе AV = 0, тогда изменить внутреннюю энергию газа можно только за счет теплообмена. Тогда, количество тепла Q – это количественная мера изменения внутренней энергии газа в изохорном процессе.

2) P = const       (12-4)

3) T = const         (12-5)


     Ap > AT , AV = 0

7. Первый закон

(первое начало) термодинамики

Итак, изменить внутреннюю энергию частиц можно либо подводя (отводя) к системе тепло, либо совершая над системой работу. Тогда в соответствии с законом сохранения энергии можно записать:

или    (12-6)

– количество тепла, подведенное к системе частиц, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой механической работы по изменению объема против внешних сил. Это определение называют первым законом (первым началом) термодинамики.

Если  то  и ,

а если  то  и .

Формулировка 1-го закона термодинамики в различных изопроцессах:

1) V = const  AV = 0  

2) P = const       скороварка !

3) T = const    

8. Адиабатный процесс

Адиабатный процесс – процесс изменения термодинамических параметров без теплообмена системы с окружающей средой (тепло не подводится к системе и не отводится от системы).

Любой быстропротекающий процесс    адиабатный процесс.

            (12-7)

т.е., чтобы газ совершил положительную работу , он должен охладиться .

Уравнение адиабатного процесса (уравнение Пуассона):

       (12-8)

где  постоянная адиабатного процесса.

           («адиабата всегда идет круче изотермы»!)

     

Шампанское !

     (12-9)

Демонстрация №15: Адиабатическое расширение газов.

Вывод уравнения адиабатического процесса (зависимость )

 

Из уравнения Клапейрона-Менделеева   

  

постоянная адиабатного процесса

.

9. Теплоемкость

Все вещества при подведении к ним тепла нагреваются. Но разные вещества нагреваются по-разному    они отличаются теплоемкостью!

Теплоемкость вещества  это физическая скалярная величина, равная количеству тепла, которое нужно подвести ко всей системе частиц вещества, чтобы изменить его температуру на один градус:

 [С] = Дж/К,        (12-10)

       (12-10а)

Для сравнения теплоемкостей разных веществ необходимо брать либо  одинаковую массу, либо одинаковое количество вещества. Тогда используют понятия: удельная и молярная теплоемкости.

Удельная теплоемкость вещества  это физическая скалярная величина, равная количеству тепла, которое нужно подвести к 1 кг вещества, чтобы изменить его температуру на один градус:

    [cm] = Дж/кгК,   (12-11)

      (12-11а)

при cm = const                   (12-11б)

Молярная теплоемкость вещества  это физическая скалярная величина, равная количеству тепла, которое нужно подвести к 1 молю вещества, чтобы изменить его температуру на один градус:

  [c] = Дж/мольК,   (12-12)

       (12-12а)

Между С, cm и c существует взаимосвязь:

С = mcm = c,

c = Мcm.

Для твердого и жидкого веществ при изменении Т можно считать, что V  const, тогда АV = 0 и значит Q = dWвн. Поэтому теплоемкость твердых и жидких веществ в широком интервале температур остается постоянной (можно найти в таблицах).

А вот для газов в разных изопроцессах нужно подводить разное количество тепла, значит и теплоемкость одного и того же газа в разных изопроцессах разная.

Изопроцессы:

1) Адиабатный  Q = 0  

2) Изотермический  T = const 

3) Изохорный  V = const

,  ,         (12-13)

4) Изобарный  Р = const

всегда!

т. к. для нагрева в изобарном процессе тепла нужно подводить больше на величину работы, чем в изохорном!

,  ,       (12-14)

     (12-15)

постоянная адиабаты.

Из уравнений (12-13) и (12-14) можно записать:

Сp  СV = nR;   ;        (12-16)

уравнения Майера.

Из формул (12-13) и (12-14) не следует зависимость С от Т. Но для газов экспериментально фиксируется такая зависимость С = f(T).

     Классическая физика объяснить такую

       зависимость не смогла!

         Ответ был получен только

       в квантовой физике!

В формулы для теплоемкостей газов  входит число степеней свободы молекул i, которая, как оказалось, и зависит от температуры i = f(T).

Энергия несвободных частиц (а любой сосуд, занимаемый молекулами газа, является потенциальной ямой, из которой молекулы самостоятельно выбраться не могут) не может быть любой, она квантуется, т. е. принимает дискретный набор значений. С ростом температуры возбуждаются сначала поступательные степени свободы, затем вращательные и позднее колебательные.


10. Приведенная теплота. Энтропия. Вычисление энтропии

В первом законе термодинамики

.

полный дифференциал             .

зависит от процесса                     .

тоже зависит от процесса            .

приведенная теплота.

Проверим, не является ли функция полным дифференциалом.

  интегрируем:

Для замкнутого цикла   .

Значит под интегралом  приведенная теплота, является  полным дифференциалом некоторой функции, которая определяет данное состояние системы частиц.

Следовательно,

      (12-17)

где S – функция состояния (термодинамический параметр) системы частиц = энтропия !

Термодинамика не дает определения энтропии, она дает лишь определение изменения энтропии – это физическая величина, равная приведенной теплоте.

приведенная теплота.

[S] = Дж/К.

Для вычисления конечного изменения энтропии в каком-либо процессе нужно вычислить интеграл от (12-17):

        (12-18)

Если к системе тепло подводится, то S > 0 (энтропия нарастает), а если тепло отводится, то S < 0 (энтропия системы убывает).

приведенная теплота характеризует качество («ценность») подведенного тепла. Чем «качественнее» («ценнее») подводимое тепло, тем на большую величину изменится энтропия системы.

Так как  в разных процессах разное, тогда и вычисление S производится по разным формулам:

1)  = 0  S = 0        S = const – изоэнтропический процесс.

2) Т = const  Wвн = 0        

   (12-18а)

3) V = const  AV = 0        

           (12-18б)

4) Р = const         

         (12-18в)

Фазовые переходы – плавление (кристаллизация), кипение (конденсация) происходят при T = const, тогда

– плавление (кристаллизация) –  

где   удельная теплота плавления – количество тепла, которое нужно подвести к 1 кг твердого вещества, чтобы при T = const превратить его в жидкость, Дж/кг.

– кипение (конденсация) –  

где r  удельная теплота парообразования – количество тепла, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, чтобы при T = const превратить ее в пар, Дж/кг.

Итак, S – энтропия – это равноправный четвертый термодинамический параметр любой системы частиц

.

          (12-19)

первый закон термодинамики.

Энтропия – величина аддитивная, значит

S = S1 + S2 + … + Sn

и

S = S1 + S2 + … + Sn.

PAGE   \* MERGEFORMAT7


V

Р

2

1

V

Р

1

P

V

                   2

1

A > 0

V

Р

2

1

3

V1

V2

V

Р

2

1

3

T = const

ад.

Т

С

W

~kBT

поступ.   вращат.    колебат.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76378. Теория международной торговли с позиции предложения товаров и услуг 221.5 KB
  Теория международной торговли Тема 4. Теория международной торговли с позиции предложения товаров и услуг Торговля является традиционной и древнейшей формой МЭО. Меркантилизм Экономическая мысль на протяжении по крайней мере трех последних столетий пытается теоретически осмыслить проблемы международной торговли и ответить на следующие вопросы: Почему страны торгуют А точнее что определяет какие товары следует импортировать и какие экспортировать Как международная торговля влияет на производство и потребление в каждой стране Как...
76379. Взаимодействие спроса и предложения в международной торговле. Формирование мировой цены 80 KB
  Теория международной торговли в частности теория сравнительных преимуществ утверждает что в результате развития внешнеторговых отношений все участвующие в них страны получают выигрыш в виде прироста общего благосостояния. С другой стороны выигрыш от внешней торговли который получает страна в целом распределяется внутри страны между потребителями и производителями экспортерами и импортерами также не поровну. Выигрыш от внешней торговли Распределение выигрыша от международной торговли как внутри страны так и между странами в конечном...
76380. Международная торговля, распределение доходов и экономический рост 47 KB
  Увеличение производства в отраслях ориентированных на экспорт и сокращению производства в отраслях конкурирующих с импортом. Теория Хекшера-Олина дает возможность оценить последствия развития внешней торговли для владельцев различных факторов производства рабочих землевладельцев собственников капитала и др. поскольку изменения относительных цен на товары приводит к росту вознаграждения одних факторов производства за счет других. Изменение спроса на факторы производства и доходов в краткосрочном периоде Напомним что теория...
76381. Понятие и основные характеристики конституционного строя России 35.5 KB
  Конституционный строй в широком смысле совокупность экономических политических социальных правовых идеологических общественных отношений возникающих в связи с организацией высших органов власти государственного устройства взаимоотношениями человека и государства а также гражданского общества и государства. Элементы конституционного строя РФ: 1 республиканская форма правления; 2 суверенитет РФ; 3 права и свободы личности; 4 источник власти многонациональный народ России; 5 верховенство Конституции РФ и федерального...
76383. Основания приобретения гражданства 34.5 KB
  Основания приобретения гражданства РФ: 1 по рождению; 2 в результате приема в гражданство РФ; 3 в результате восстановления в гражданстве РФ; 4 по иным основаниям. По рождению гражданство приобретается если на день рождения ребенка: 1 оба его родителя или единственный его родитель являются гражданами РФ; 2 один из его родителей имеет гражданство РФ а другой родитель является лицом без гражданства или признан безвестно отсутствующим или место его нахождения неизвестно; 3 один из его родителей имеет гражданство РФ а другой родитель...
76384. Основаяния и порядок прекращения гражданства 35 KB
  Основания и порядок прекращения гражданства. Основания прекращения гражданства РФ: 1 выход из гражданства РФ; 2 иные основания предусмотренные федеральным законодательством или международными договорами РФ. Выход из гражданства РФ свободное волеизъявление гражданина РФ. Выход их гражданства РФ осуществляется на основании заявления гражданина РФ если он постоянно проживает на территории.
76385. Основания прекращения полномочий Президента. Процедура отрешения его от должности 32 KB
  Основания прекращения полномочий Президента. 92 предусматривает несколько оснований прекращения полномочий Президента РФ. Полномочия Президента РФ могут быть прекращены досрочно: 1 по инициативе самого Президента РФ в случае его отставки; 2 по не зависящим от воли Президента РФ причинам в случае.стойкой неспособности Президента РФ по состоянию здоровья осуществлять принадлежащие ему полномочия; 3 по инициативе Федерального Собрания в случае принятия им решения об отрешении Президента РФ от должности.
76386. Администрация Президента РФ 38 KB
  Администрация формируется в целях: обеспечения реализации Президентом Российской Федерации полномочий главы государства; осуществления контроля за исполнением решений Президента Российской Федерации; подготовки предложений Президенту Российской Федерации о мерах направленных на охрану суверенитета Российской Федерации ее независимости и государственной целостности; разработки общей стратегии внешней политики Российской Федерации обеспечения реализации Президентом Российской Федерации его полномочий по руководству внешней политикой...