Основы термодинамики. Внутренняя энергия. Урок физики в 10 классе

1.

Основы
термодинамики
Урок физики в 10 классе
Презентацию подготовил учитель физики
ГБОУ СОШ №339
Невского района Санкт-Петербурга
Кузьмичев Олег Вадимович

2.

_________
Термодинамика – теория тепловых
процессов, в которой не учитывается
молекулярное строение тел.

3.

Внутренняя энергия
• Определение:
Внутренняя энергия тела – это сумма
кинетической энергии хаотического
теплового движения частиц (атомов и
молекул) тела и потенциальной энергии
их взаимодействия
• Обозначение:
U
• Единицы измерения:
[Дж]

4.

Внутренняя энергия
идеального одноатомного газа
U NE ,
k
m
N
NА число молекул
M
кинетическая энергия
3
E
kT одной молекулы
k
2
3
U N А kT
2
(NAk = R)

5.

Внутренняя энергия
идеального одноатомного газа
3m
U
RT
2M

6.

Внутренняя энергия
идеального двухатомного газа
5m
U
RT
2M

7.

Так как
m
pV
RT
M
- уравнение Клапейрона –
Менделеева,
то внутренняя энергия:
3
U pV
2
5
U pV
2
- для одноатомного газа
- для двухатомного газа.

8.

В общем виде:
i m
i
U
RT pV
2M
2
где i – число степеней свободы молекул газа
(i = 3 для одноатомного газа и i = 5 для
двухатомного газа)

9.

Внутренняя энергия тела
Евн = Еп + Ек всех молекул тела
Молекулы обладают
потенциальной
энергией, т.к.
взаимодействуют друг с
другом
Еп зависит от
расстояния между
молекулами
(агрегатного
состояния вещества)
Молекулы обладают
кинетической
энергией, т.к.
непрерывно движутся
Ек зависит от
скорости движения
молекул
(температуры)
9

10.

Процесс изменения
внутренней энергии без
совершения работы над
телом или самим телом
называется теплопередачей
10

11.

Изменение внутренней энергии
тела ΔU
Совершение
работы А
Теплообмен Q
теплопроводность
над
телом
ΔU
самим
телом
ΔU
излучение
конвекция

12.

Работа в термодинамике
• Работа газа:
A p(V2 V1) p V
• Работа внешних сил:
A A

13.

Работа газа при изопроцессах
• При изохорном процессе (V=const):
ΔV = 0 работа газом не совершается:
A 0
P
V
Изохорное нагревание

14.

• При изобарном процессе (Р=const):
A p V
P
1
2
P
Изобарное расширение
V
V1
V2
A 0

15.

•При изотермическом процессе
(Т=const):
P
m
V2
A
RT ln
M
V1
1
Изотермическое расширение
2
Р2
V1
V2
A 0
V

16.

Геометрическое
истолкование работы:
Работа, совершаемая газом в процессе его расширения (или
сжатия) при любом термодинамическом процессе,
численно равна площади под кривой, изображающей
изменение состояния газа на диаграмме (р,V).
P
P
Р1
P
1
S
Р2
V
V1
V2
S
V1
2
V2
V

17.

Количество теплоты – часть
внутренней энергии, которую тело получает или
теряет при теплопередаче
Процесс
Нагревание или
охлаждение
Кипение или
конденсация
формула
Q cm T
Q rm
С – удельная теплоёмкость
вещества [ Дж/кг 0К], m –
масса [кг], ΔT – изменение
температуры [ 0K].
r – удельная теплота
парообразования [ Дж/кг ]
Плавление или
кристаллизация
Q m
Сгорание
топлива
– удельная теплота сгорания
Q qm qтоплива
[ Дж/кг ]
λ- удельная теплота плавления
вещества [ Дж/кг ]

18.

Анализ результатов опытов и наблюдений природных явлений,
выполненных к середине XIX века, привел немецкого ученого
Р.Майера, английского ученого Д-Джоуля и немецкого ученого
Г.Гельмгольца к выводу о существовании закона сохранения
энергии: При любых взаимодействиях тел энергия не исчезает
бесследно и не возникает из ничего. Энергия только передается от
одного тела к другому или превращается из одной формы в
другую.

19.

Рассмотрим три тела
Q
2
1
A
3
При теплопередаче количества теплоты Q внутренняя энергия тела 2
изменится на U2= - Q, а внутренняя энергия тела 3 в результате
совершения работы изменится на U3 = - A. В результате теплопередачи
и механического взаимодействия внутренняя энергия каждого из трёх
тел изменится, но в изолированной термодинамической системе, в
которую входят все три тела, внутренняя энергия остаётся неизменной.

20.

Первый закон термодинамики
Изменение внутренней
энергии системы при
переходе её из одного
состояния в другое равно
сумме работы внешних
сил и количества
теплоты, переданного
системе
Количество теплоты,
переданное системе,
идёт на изменение её
внутренней энергии и на
совершение системой
работы над внешними
телами
U A Q
Q U A

21.

Применение первого закона
термодинамики к различным
процессам
Процесс
Изохорный
Постоянный Первый закон
параметр
термодинамики
V = const
ΔU = Q
Изотермический Т = const
Q = A'
Изобарный
Р = const
Q = ΔU + A'
Адиабатный
Q = const
ΔU = -A'

22.

Одним из главных следствий
первого закона термодинамики
является невозможность
построения вечного двигателя.