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

57556. Богатырская тематика в изобразительном искусстве и музыке (А. П. Бородин – В. М. Васнецов) 81 KB
  Тип урока: интегрированный изобразительное искусство музыка биология продолжительность 90 мин. Организационный момент 2 мин. Изучение материала мотивация учебной деятельности подготовка к восприятию материала...
57557. Роль хімії та фізики в житті людини 94 KB
  Тип уроку: науковопрактична конференція. Головна проблема уроку: Інтеграція знань за допомогою методу проектів призводить до більш зацікавленого особистісно значимого і осмисленого сприйняття цих знаннь що посилює мотивацію і активність...
57558. Інтегрований урок “Любить свій край – це значить все любити” (Інтеграція з біологією та географією) 69.5 KB
  Мета уроку : повторити й поглибити знання учнів про займенник як частину мови його морфологічні ознаки; зясувати яку синтаксичну роль виконує в реченні займенник та які існують розряди займенників за значенням...
57559. Зречення принципів та ідеалів – шлях до успіху? (Б. Брехт «Життя Галілея», І. Багряний «Тигролови») 68 KB
  Уроки літератури є ефективними, якщо вони перетворюються на уроки життя. Життя – непередбачуване, гірке і солодке, одноманітне і барвисте, часом сумне чи радісне, але дивовижне й цікаве. А найголовніше (що дуже шкода) — дається один раз.
57560. МНОЖЕННЯ ЧИСЛА 2. РIЗНОМАНIТНIСТЬ ТВАРИН I ПТАХIВ 81.5 KB
  Мета: математика: перевірити знання учнів із теми Множення числа 2, формувати уміння знаходити значення виразів, які містять табличні випадки множення числа 2, розв’язувати задачі на множення, продовжувати змінювати приклади на додавання прикладами на множення...
57561. тематика й астрономія Що спільного між заходом Сонця в Донецьку і функцією синус Мотивація і плануван. 60 KB
  За допомогою відривного календаря легко помітити момент сходу та заходу Сонця для різних міст України на кожне число кожного місяца. Перше що залежить від різниці довготи Києва та інших міст України додається до часу сходу та заходу...
57562. Поезія і музика - це завжди неповторність, якийсь безсмертний дотик до душі... 84.5 KB
  Діти сьогодні у нас незвичайний урок. Учитель музики Діти з давніхдавен люди захоплювались не лише барвами природи а й її неповторними звуками і намагались наслідувати їх у своїх музичних творах. Учитель Дійсно вершиною художньої зображальності Вівальді...
57563. Інтегрований урок: Математика. Народознавство 58 KB
  Мета: Закріпити навички додавання і віднімання круглих десятків і сотень, навчити додавати трицифрові числа виду 520+340, вдосконалювати вміння розв’язувати розширені задачі на зведення до одиниці...
57564. Математично-географічна подорож з тем «Раціональні числа» і «Гідросфера» 70.5 KB
  Навчальна: навчити застосовувати знання з тем Додатні і відємні числа Координатна пряма Модуль Порівняння чисел до розвязування задач з географічним змістом; сформувати поняття болото показати причини їх утворення...