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

81750. Сны героев. Их художественная функция в произведениях отечественной литературы 32.96 KB
  С одной стороны жизнь в этой деревне поражает своей сонливостью безмолвием бездеятельностью. Закономерности существования определяют приметы: брови чешутся слёзы; лоб кланяться с правой стороны чешется мужчине с левой женщине; уши зачешутся значит к дождю. С другой стороны в описании Обломовки заметен акцент на великолепии окружающей природы на хлебосольстве господ поэзии быта усадьбы красоте народных праздников ласке матери. Подчеркнуты нравственные стороны рисуемой жизни: искренность доброта и незлобие: В глазах...
81751. Тема прошлого, настоящего и будущего России в пьесе А.Чехова «Вишневый сад». Роль символики и подтекста в чеховской драматургии 36.04 KB
  Ситуация из жизни отдельных людей внутренне соотнесена в пьесе с ситуацией в жизни страны так уже было у Ч. На первый взгляд это опятьтаки обычная чеховская пьеса дающая картину нелепой нескладной жизни. В отличие от всех предшествующих пьес Чехова в Вишневом саде все эти образы нелепой и несчастливой жизни характеризуют не современную жизнь вообще а жизнь определенного исторического периода уже закончившегося изжитого. Вишневый сад рисует не устойчивый образ жизни а ее историческое движение.
81752. Тема свободы и ее философское звучание в произведениях русской поэзии 19 века 29.57 KB
  Таков и мцыри и лирический герой стих. Парус Лермонтовский герой герой романтический мятежный поэтому страсти его всегда максимально накалены а его внутренний мир чрезвычайно сложен. Лирический герой противопоставляет себя обществу и оно не приемлет его. герой одинок как и парус в тумане моря голубом как Демон.
81753. Жанровое своеобразие и идейное звучание «Слова о полку Игореве» Связь «Слова…» с устным народным творчеством 32.87 KB
  Определив хронологический диапазонсвоего повествования от старого Владимира до нынешнего Игоря автор рассказывает о дерзком замысле Игоря навести свои полки на Половецкую землю испити шеломом Дону. В радостных тонах рисует автор встречу Игоря и Буй Тура Всеволода восторженно характеризует удалых кметей воинов курян. И хотя описывается первая победа принесшая русским князьям богатые трофеи автор вновь возвращается к теме грозных предзнаменований грядущего поражения кровавыя зори свет поведают черные тучи с моря идут...
81754. Тема любви и смерти в прозе И.А.Бунина 31.39 KB
  Бунина на примере одного произведения Рассказы Бунина о любви это повествование о ее загадочной ускользающей природе о тайне женской души которая томится жаждой любить но никогда не полюбит. Исход любви; по Бунину всегда трагичен В повести Митина любовь героя преследует романс Рубинштейна на слова Генриха Гейне: Я из рода бедных Азров Полюбив мы умираем. МуромцеваБунин а в книге Жизнь Бунина пишет о том что долгие годы Бунин носил в себе впечатление от этого романса который услышал в юношеском возрасте и в Митиной любви...
81755. Мотив дороги и его философское звучание в произведениях отечественной классики 19 века 31.76 KB
  Выражением концепции исторического пути народа или государства Н. Бричка Чичикова символ однообразного кружения сбившейся с прямого пути души русского человека. А проселочные дороги по которым эта бричка колесит не только реалистическая картина российского бездорожья но и символ кривого пути национального развития. Птицатройка символ национальной стихии русской жизни символ великого пути России в мировом масштабе.
81756. Проблема ума в комедии А.С.Грибоедова «Горе от ума». Особенности языка и стиха пьесы 36.33 KB
  В комедии Горе от ума кто умное действующее лицо ответ: Грибоедов А знаешь ли что такое Чацкий Пылкий благородный и добрый малый проведший несколько времени с очень умным человеком именно с Грибоедовым и напитавшийся его мыслями остротами и сатирическими замечаниями. Но Чацкий не только умнее всех прочих лиц но и положительно умен. Между тем Чацкий как личность несравненно выше и умнее Онегина и лермонтовского Печорина. Ими заканчивается их время а Чацкий начинает новый век и в этом все его значение и весь ум.
81757. Герои и проблематика одного из произведений А. И. Куприна 38.21 KB
  Куприна. Куприн пишет на эту тему повесть Олеся. Куприн наделяет ее ярким характером. Поэтизируя жизнь не ограниченную современными социальными культурными рамками Куприн стремился показать явные преимущества естественного человека в котором он видел духовные качества утраченные в цивилизованном обществе.
81758. Тема города и деревни в произведениях отечественной литературы 35.02 KB
  В рассказе от образов Матрены и ее односельчан автор переходит к изображению картины русской деревни которая предстает перед нами серой бесприютной опустошенной. Пьянство сплетни и постоянное стремление урвать кусок побольше и получше делают жителей деревни равнодушными ко всему что не касается материальной стороны их жалкой жизни и грозят привести к тому что обнищавшее село вотвот рухнет развалится. является Матрена одинокая хозяйка дома где снимает комнату герой рассказа женщина с интересной но невероятно сложной и несчастливой...