Первое начало термодинамики. Обмен энергией между термодинамической системой и внешней средой может осуществляться двумя качественно различными способами: путем совершения работы и путем

Обмен энергией между термодинамической системой и внешней средой может осуществляться двумя качественно различными способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Изменение энергии системы, происходящее под действием сил, измеряется работой. Если термодинамическая система совершает работу против внешних сил, то работа считается положительной (А>0). Если работу над системой совершают внешние силы, то она считается отрицательной (А<0).

Опытным путем установлено, чтопри любом способе перехода системы из состояния 1 в состояние 2 изменение внутренней энергии системы ΔU = U₁ - U₂ определяется количеством теплоты Q, полученной системой, и работой А, совершенной системой против внешних сил:

Теплоемкость.

Теплоемкостью тела называется физическая величина, численно равная отношению теплоты δQ, сообщаемой телу, к изменению температуры тела в рассматриваемом термодинамическом процессе. Теплоемкость тела зависит от его химического состава, массы и термодинамического состояния, а также от вида процесса, в котором поступает теплота.

Удельная теплоемкость вещества – величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для нагревания единицы массы вещества на 1 Кельвин при данном процессе, единица измерения – Дж/(кг∙К)

Молярная теплоемкость – величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания одного моля вещества на 1К, т.е. С = сМ, где М – молярная масса вещества.

Изопроцессы

Различают следующие виды термодинамических процессов:

1. Изохорный – это процесс, протекающий при постоянном объеме. V = const. На диаграмме в координатах (р, Т) он изображается прямой, называемой изохорой (рис.11.1). При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, так как dV = 0. Вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии. Изохорный процесс описывается законом Шарля.

Закон Шарля: давление данной массы газа при постоянном объеме изменяется линейно с температурой при V = const и m = const: .

2. Изобарный – это процесс, протекающий при постоянном давлении. P = const. Прямая, изображающая этот процесс в координатах (V,T), называется изобарой. Примером изобарного процесса может служить процесс образования пара в паровых котлах или сгорания топлива в воздушно-реактивных двигателях. Изобарный процесс описывается законом Гей-Люссака.

Закон Гей-Люссака: объем данной массы газа при постоянном давлении изменяется линейно с температурой: при р = const и m = const.

3. Изотермический – это процесс, протекающий при постоянной температуре. T = const. Кривая, построенная в координатах (р, V), называется изотермой. Она представляет собой гиперболу (рис.12.1), расположенную на диаграмме тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс. Изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта.

Закон Бойля – Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная pV = const при Т = const и m = const.

Существует более общий закон, объединяющий все три вышеописанные законы: уравнение Менделеева-Клапейрона

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8.31Дж/(моль·К), М – молярная масса, V - объем всей массы газа, n = m/M – количество вещества в молях. Существует еще одна форма записи данного уравнения: . Ее можно получить, если учесть, что k = R/N_A = 1,38∙10^‑23 Дж/К – это постоянная Больцмана, а n = N_A/V_М – это концентрация молекул газа.

Адиабатический процесс. Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, т.е. δQ = 0, Q = const.

	Для идеального газа адиабатический процесс описывается уравнением Пуассона и имеет вид: γ – показатель адиабаты. , где Cp и Cv – теплоемкости при постоянном давлении и объеме соответственно. Для Cp и Cv выполняется уравнение Майера:
Рис. 13.1. Диаграмма адиабатического процесса. Адиабата показана жирной линией.

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, а в окружающей среде и в системе при этом не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.

Если система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное, то такой процесс называется круговым процессом, или циклом. На диаграмме процессов в координатах (р,V) цикл изображается замкнутой кривой, где процесс 1-2 – процесс расширения газа, а 2-1 – процесс сжатия (рис. 14.1). В результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать.

Энтропия

Пусть δQ – элементарное количество теплоты, сообщаемое системе каким-либо нагревателем с постоянной температурой Т. Если процесс равновесный (обратимый), то температура системы тоже равна Т. Отношение δQ/Т называется приведенным количеством теплоты и равно изменению энтропии при обратимом процессе: δQ/Т = dS. Поскольку Т всегда > 0, из 2-ого начала видно, что δQ и dS имеют один и тот же знак. Это позволяет по характеру изменения энтропии судить о направлении процесса теплообмена и прогнозировать его возможность. При нагревании тела δQ > 0 и его энтропия возрастает (dS > 0), при охлаждении энтропия убывает. Если δQ=0 (обратимый адиабатический процесс), то dS = 0 и S = const, то есть энтропия остается постоянной.

Энтропия, подобно внутренней энергии, является функцией состояния системы. Энтропия системы равна сумме энтропий всех тел, входящих в систему. Для изолированной системы энтропия в любом обратимом процессе не изменяется и S = const.

В термодинамике доказывается, что в необратимом процессе энтропия системы может только возрастать: dS 0. Объединяя два последних условия, мы получаем, что энтропия замкнутой системы может либо возрастать, либо оставаться постоянной: dS ≥ 0. Это неравенство Клаузиуса также является формулировкой второго начала термодинамики.

С точки зрения молекулярной физики, энтропия является мерой разупорядоченности системы, т.е. чем система более хаотична, тем ее энтропия выше.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: