ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования
Кемеровский профессионально-технический техникум
Первый закон термодинамики
(статья)
Подготовил: студент группы МА-143
Юминов Дмитрий Алексеевич
Под руководством: преподавателя физики
Щербунова Евгения Олеговна
Кемерово 2015
Термодинамика – это раздел физики, изучающий общие закономерности обмена тепловой энергии между системами, системой и внешней средой и производства работы за счет этой энергии.
Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. – все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объемом (объемом единицы массы).
При изучении термодинамики для достижения максимальной наглядности пользуются модельными представлениями. Самая общая термодинамическая модель включает в себя: внешние источники тепловой энергии, рабочее тело и внешний приемник тепловой энергии, в который можно отводить энергию, накопленную в рабочем теле.
Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен. Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу первого начала термодинамики.
Первый закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:
Первое начало термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии. В каком бы виде ни подводилась энергия к системе, всегда эта энергия расходуется на два процесса: 1) на повышение внутренней энергии системы; 2) на совершение системной работы.
Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель, который совершал бы работу «из ничего» без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.
Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.
Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.
Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе.
Применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах
Изотермический процесс (Т = const):
При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.
Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` < 0. Работа внешних сил над газом в этом случае положительная (А > 0).
Изобарический процесс (р = const):
При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и на изменение внутренней энергии, и на совершение газом работы:
Изохорический процесс:
При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии.
Адиабатический процесс(Q = 0):
Адиабатический процесс - процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее. Этот процесс протекает без теплообмена с окружающими телами.
При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.
Если А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 - температура газа понижается. Если же А` < 0 (газ сжимается), то дельта U> О - температура повышается.
При перекачивании газа в вакуум происходят такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны. Первый закон термодинамики использовался в виде Q + A = U, где U – внутренняя энергия газа. Поэтому при использовании такой формулировки первого закона термодинамики заранее молчаливо предполагается, что в рассматриваемых процессах не происходит изменения механической энергии системы, т.е. не меняется потенциальная энергия газа как целого во внешнем поле, не меняется и кинетическая энергия движения газа как целого, не возникает в газе никаких макроскопических потоков. Теперь уже становится ясно, что при перекачивании газа в вакуум возникает макроскопический направленный поток, кинетическую энергию которого необходимо учитывать. Работа компрессора в этом случае как раз и определяет кинетическую энергию этого потока.
Список источников:
1. Перышкин, А. В. Физика 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений [Текст] / А. В. Перышкин. –7-е издание., стереотип. – М. : Дрофа, 2010.– С. 147-155.
2. Дмитриева, В.Ф. Физика: учебник для студенческих общеобразовательных учреждений среднего профессионального образования [Текст] / В.Ф. Дмитриева. –6-е издание. стереотип. – М.: Издательский центр Академия, 2010. - 280-288.
Электронные ресурсы:
- Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - http://wikipedia.org. - (дата обращения: 19.03.2015).
- Единое окно доступа к образовательным ресурсам [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://window.edu.ru/window, свободный. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 19.03.2015).
