41143

Первый закон термодинамики

Лекция

Физика

Первый закон термодинамики. До формулировки Первого начала термодинамики в 1840х годах учеными Джоулем 1840 Майером 1842 и Гельмгольцем 1847 в науке наряду с материалистическим пониманием закона сохранения и превращения энергии одной из форм которого и является Первое начало термодинамики существовала теория теплорода. Формулировка Первого начала термодинамики основана на экспериментальных исследованиях. Первый закон термодинамики вообще говоря является постулатом.

Русский

2013-10-23

154.5 KB

39 чел.

Лекция 3.

3. Первый закон термодинамики.

До формулировки Первого начала термодинамики в 1840-х годах учеными Джоулем (1840), Майером (1842) и Гельмгольцем (1847) в науке наряду с материалистическим пониманием закона сохранения и превращения энергии (одной из форм которого и является Первое начало термодинамики) существовала теория теплорода. Сомнение в существовании этой субстанции (теплорода) положили опыты Джоуля, а еще раньше Румфорда. Румфорд обратил внимание на то, что при сверлении пушечных стволов в Лондонском Арсенале сначала холодное сверло и пушечный ствол нагревались без того, чтобы они приводились в контакт с каким-либо источником теплоты (огнем), т.е. никакого источника теплорода не было, а тела нагревались. Следовательно теплота порождалась механической работой, которую выполняло сверло.

Джоуль был первым, кто вычислил механический эквивалент теплоты. Он показал, что между затраченной работой и количеством выделившейся теплоты существует прямо пропорциональная зависимость .

Формулировка Первого начала термодинамики основана на экспериментальных исследованиях. Первый закон термодинамики, вообще говоря, является постулатом. Т.е. он не доказывается, но и нет оснований его опровергнуть, т.к. до сих пор во всех экспериментах и исследованиях нарушений Первого начала термодинамики не обнаружено.

Проводя исследования преобразования теплоты в полезную работу и наоборот ученые экспериментально установили, что:

В любом термодинамическом процессе разность подведенной к рабочему телу теплоты и произведенной этим телом работы не зависит от пути процесса, определяется только начальным и конечным состоянием рабочего тела и может быть определена как изменение внутренней энергии тела.

                                                                                                                                               

Т.к. термодинамика основывается на эксперименте, то строго говоря, разность Q1a2 - L1a2 могла бы быть названа и другим термином. Для термодинамики важно, что этот макропараметр (названный внутренней энергией) обладает свойствами полного дифференциала и является параметром состояния.

В общепринятой записи Первое начало термодинамики записывается в виде уравнения

                                            ,          Дж (Вт)        (3.2)

где Q теплота внешнего источника, Дж (Вт); U – изменение внутренней энергии, Дж (Вт); L- термодинамическая работа, Дж (Вт).

Особенностью математической записи Первого начала является то, что в одну строчку сведен баланс между различными по своей физической природе формами движения материи. В левой части – теплота представляет собой хаотическую форму движения, а в правой – работа, всегда упорядоченная форма движения. Но, несмотря на это, -  главное то, что баланс между частями уравнения всегда соблюдается.

То, что в левой и правой частях уравнения стоят разные по своей природе формы движения материи, не позволяло долгое время сформулировать Первое начало термодинамики. По своей сути, Первое начало термодинамики является одной из форм Закона сохранения и превращения энергии. Но среди всех известных законов сохранения он был сформулирован последним, позже всех остальных именно по причине сложности осознания баланса между теплотой и работой.

В дифференциальном виде Первое начало термодинамики может быть представлено, как

                                          (3.3)

В удельных величинах уравнение (3.2) будет иметь вид

                                                                                             (3.4)

а в дифференциальном виде (3.4) может быть представлено, как

                                      (3.5)

Те же уравнения в развернутом виде могут быть представлены как

                                  (3.6)

                                  (3.7)

Из сказанного важно сделать вывод о том, что Первое начало термодинамики справедливо для любых процессов - обратимых и необратимых.

3.1.Особенности математической записи работы и теплоты для необратимых процессов.

Т.к. в начале курса было установлено, что термодинамика может рассматривать только обратимые процессы (которые могут быть изображены графически), то в p-v координатах площадь под кривой процесса, равная , представляет собой, вообще говоря, работу равновесного термодинамического процесса. Таким образом, работа обратимого (равновесного процесса) равна

            (3.8)

Из предыдущих рассуждений в отношении обратимых (идеальных, теоретических) и необратимых (реальных) процессов легко сделать вывод о том, что работа реального процесса (а реальные процессы неизбежно протекают с потерями) всегда будет меньше работы обратимого процесса. Условно это можно записать, как

                                  ,       (3.9)

где lтр – работа трения, рассеивается в окружающей среде в виде теплоты.

Физический смысл записи (3.9) заключается в том, что в реальном процессе будет получена меньшая работа по сравнению с той, которая вычисляется по формуле (3.8).

По аналогии со сказанным в отношении работы математическое выражение для вычисления теплоты  также относится к обратимым процессам. Другими словами

          (3.10)

В отличие от физического смысла работы, количество теплоты, которое подводится к рабочему телу в реальном процессе, меньше того, которое необходимо для получения заданной работы. Уменьшение теплоты реального процесса объясняется неизбежными потерями в окружающую среду. Сказанное можно проиллюстрировать следующим образом

                                                                                                                                          

Для получения заданного количества теплоты (площадь фигуры s1-1-2-s2) необходимо затратить  в обратимом процессе и количество теплоты , если процесс необратимый.

3.2.Энтальпия. Вторая форма записи Первого начала термодинамики.

Если в уравнении (3.6) положить p=const, то можно записать

    (3.11)

Величина  называется теплосодержанием или энтальпией.  Обозначается  или

                                             (3.12)

Продифференцируем (3.12) в общем случае при произвольном изменении давления; получим

                                         (3.13)

Сравнивая (3.13) с (3.6) можно получить

                              (3.14)

                                        или

                                               (3.15)

где Lp- располагаемая работа, , Дж.

Располагаемая работа – механический эффект взаимодействия рабочего тела со средой при перемещении его из области с давлением р1 в область с давлением р2. 

3.3.Первый закон термодинамики для открытых систем (уравнение Первого закона термодинамики для потока)

                                         

 

Работа, которую выполняет расположенный слева от сечения 1-1 поток рабочего тела над объемом, расположенным правее сечения 1-1 (работа выполняется над объемом, заключенным между сечениями 1-1 и 2-2):

                              

Работа, которую выполняет расположенный слева от сечения 2-2 поток рабочего тела над объемом, расположенным правее сечения 2-2 (работа выполняется собственно самим рабочим телом, заключенным между сечениями 1-1 и 2-2):

                                               

           Суммарная работа потока между сечениями 1-1 и 2-2:

                                                                       (3.16)

В уравнении (3.16) произведения  , соответственно равны изменениям объема, который занимает поток рабочего тела в рассматриваемых областях. Или

                                     

Изменение кинетической энергии потока между сечениями 1-1 и 2-2  может быть представлено, как

                           (3.17)

где m  - массовый расход рабочего тела через поперечное сечение канала. Массовый расход постоянен для любого поперечного сечения канала.

Связь между объемным и массовым расходами имеет вид

                                                                                          (3.18)

С учетом (3.18) уравнение (3.16) можно переписать

                                               (3.19)

Изменение потенциальной энергии потока может быть представлено

                                                                                              (3.20)

При движении поток может выполнять работу, которая называется техническая работа. Если в потоке установить колесо с лопастями (крыльчатку), то работа по вращению крыльчатки является технической работой. Еще один вид технической работы при движении потока в канале может представлять собой деформацию собственно стенок канала и т.д. Обозначим техническую работу как  Lтехн.

Работа на преодоление трения, которое преодолевает поток при движении в канале обозначается, как Lтр.

В общем случае к потоку извне может подводиться теплота, в результате чего полная работа, которую выполняет поток при своем движении может быть  представлена согласно общему выражению для Первого закона термодинамики, как

                 (3.21)

То же в удельных значениях величин

                            (3.22)

В виде (3.21, 3.22) уравнение Первого начала термодинамики для потока применяется редко.  Чаще используется  другая форма записи уравнения (через теплосодержание)

                (3.23)

в дифференциальном виде

                               (3.24)

Уравнение Первого начала термодинамики имеет важное методическое значение, т.к. его анализ демонстрирует его универсальность.

 Важной особенностью уравнения является его применение для течения с трением. Необходимо напомнить, что теплота в левой части уравнения – это внешняя теплота (теплота, которая подводится к потоку извне). Работа трения в свою очередь может быть передана потоку в форме теплоты. Таким образом, в левой части добавится теплота, выделившаяся за счет преодоления сил трения:

                                                    

тогда уравнение (3.24) будет иметь вид

                                

т.к. по сути , то

                                                                (3.25)

Ранее (см. Лекция 3 раздел 3.2) было получено

                                                 (3.26)

Решая совместно (3.24) и (3.26) получим для любого потока

                                

Для течения без трения и технической работы

                                        (3.27)

Для горизонтального потока без трения

                                                    (3.28)

Интегрирование (3.28) дает

                                              

                                                                                                      (3.29)


s

 T

2

1

s2

s1

T1

T2

a

b

Если вычислить экспериментально количество подведенной теплоты в процессах 1a2 и  1b2 и работу, соответственно, Q1a2, Q1b2, L1a2, L1b2, то

Q1a2 - L1a2 = Q1b2 - L1b2        (3.1)

независимо от того по какому пути идет процесс. Т.е. разность теплоты и термодинамической работы обладает свойствами параметра состояния.

Этот параметр получил название внутренней энергии.

     

b

А

s

 T

2

1

s2

s1

T1

T2

В

p1, Σ1

x1

1

Q

2

x2

p2, Σ2

w1

w2

z1

z2

Сжатие

1

асширение


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72125. Глобальная сеть. Интернет 12.99 KB
  Интернет - это глобальная сеть соединяющая сети различного размера по всему миру. Провайдер - это организация фирма компания обеспечивающая подключение пользователей к сети Интернет. Подключение может осуществляться двумя способами: 1 по модему телефонному DSL или другого типа...
72126. Русь и Орда (по книге Гумилева) 19.77 KB
  В 1237-1238 монголо-татарами был предпринят поход на Русь который по мнению Л. Русь не была завоевана монголами поскольку те и не ставили такой цели: они не облагали население постоянным налогом не заключали с князьями неравноправных договоров.
72127. Политизация еврейского вопроса в России на рубеже конца 19 – начала 20 вв.: внутренние и внешние факторы 20.23 KB
  Численность еврейского населения России составляла примерно половину евреев мира согласно переписи 1897г. В быстром экономическом подъеме начавшемся в России в результате реформ Александра II сыграли значительную роль еврейские предприниматели и во многом благодаря их усилиям Украина стал одним...
72128. Духовное противостояние православных и иудеев в русской истории (10-18 вв) 19.61 KB
  Согласно некоторым историкам мятежники побили многих евреев и разграбили их дома в связи с тем что многие из них были ростовщиками и пользуясь редкостью денег на тот момент брали высокий процент с должников. На съезде князей в Любече в начале XII века принято решение о недопущении...
72129. Положение русских подданных в Финляндии и «русификаторский» курс царского самодержавия в ВКФ на рубеже XIX-XX вв.: правда и вымысел 49.5 KB
  Положение русских подданных в Финляндии и русификаторский курс царского самодержавия в ВКФ на рубеже XIXXX вв. в Финляндии происходил быстрый экономический подъем связанный доступом на российские рынки кроме того были сняты ограничения на ремесло и легкую промышленность...
72130. Продажа Аляски: явный и скрытый механизм сделки 32 KB
  Великий Князь Константин в письме Горчакову из Ниццы впервые поднял вопрос об уступке Аляски США. В качестве доводов он указывал на 1 потенциальную внешнюю угрозу Русской Америки со стороны США 1. Константин также выступал за сближение с США и говорил о том что Россия должна укреплять...
72131. Открытие Русской Америки. Политика русских переселенцев по отношению к местному туземному населению 50 KB
  Для колонизаций новых территорий были необходимы рабочие руки, поэтому русские активно привлекали аборигенов, которых отправляли на добычу морского зверя. С приходом русских на Кадьяк началось формирование зависимого от них слоя населения – каюров.
72132. Проект создания «Большой нации» и «украинское возрождение» в России и за рубежом (19-начале 20 вв.) 22.63 KB
  Украинский вопрос в Российской империи изначально появился как производный от польского вопроса возникшего впервые после восстания 1830-31гг. Дело в том что польская шляхта выступила в ходе восстания с политическими лозунгами вроде за нашу и вашу свободу и намеревалась использовать...
72133. Присоединение к России Казахстана и Средней Азии 17.12 KB
  Во второй четверти XVIII века усилилось влияние России на Казахстан. Многочисленные племенные объединения казахского народа в то время составляли три жуза: Младший (имел более тесные связи с Россией), Средний( научная и культурная элита) и Старший (верхний слой - номенклатура).