Термодинамика. Основа термодинамики

1.

Термодинамика.
раздел физики, количественная
теория тепловых процессов,
объясняющая тепловые явления,
происходящие в макроскопических
телах без учета молекулярного
строения тел.
-

2.

Термодинамика как наука оформилась в
первой половине 19 века. Её возникновение и
развитие были обусловлены созданием
тепловых двигателей. Основоположник
термодинамики французский ученый Сади
Карно, который в 1824 г. в своей работе
«Размышления о движущей силе огня и
машинах, способных развивать эту силу»
заложил основу термодинамики.

3.

Термодинамика все
явления рассматривает не с
точки зрения их механизма,
а с точки зрения
происходящих в этих
явлениях преобразований
энергии.
Термодинамика – учение о
теплоте и работе (старое
определение).

4.

Основа термодинамики это 2 закона , которые раньше
назывались Первое и Второе начало
термодинамики. Эти законы являются
следствием закона сохранения энергии.
ΔU=Q+A

5.

Закон сохранения
и превращения энергии.
а) формулировка закона сохранения
б) историческая справка

6.

I. О сохранении и превращении энергии
а. формулировка
Энергия в природе не возникает из ничего и не
исчезает: количество энергии неизменно, она только
переходит из одной формы в другую.
б. краткая историческая справка
Открытие закона сохранения и превращения энергии, одно из
величайших достижений науки 19 века, явилось естественным
следствием развития всех областей физики. Важную роль в
истории этого открытия сыграли и запросы практики: в условиях
все расширяющегося машинного производства особенно остро
встал вопрос об эффективности различных машин и механизмов.
Закономерность установления закона сохранения энергии
подтверждается тем, что три исследователя: Майер, Джоуль,
Гельмгольц - почти одновременно пришли к сходным выводам.
Хронологически первыми были публикации немецкого врача и
естествоиспытателя Р. Майера.

7.

Роберт Майер
1814-1878
Юлиус Роберт Майер родился в Хейльбронне 25 ноября в семье
аптекаря.
Высшее медицинское образование он получил в Тюбингенском
университете, который окончил в 1838 году. В 1840-41 гг.
принимал участие в плавании в качестве судового врача в
плавании на голландском судне на остров Яву, во время которого
и были сделаны первые наблюдения, приведшие Майера к
открытию закона сохранения энергии.
К идее превращения и сохранения различных форм энергии
Майера пришел в 1841 г.

8.

Джемс Джоуль
1818-1889
Джемс Прескотт Джоуль родился 24 декабря в
местечке Санфорд близ Манчестера в семье владельца
пивоваренного завода. Джоуль получил неплохое
домашнее образование. Его учил элементарной
математике, натуральной философии (физике) и
началам химии известный английский физик и химик
Дж. Дальтон.
Экспериментальные исследования Джоуля доказали
возможность превращения механической энергии во
внутреннюю. Он поставил целый ряд в высшей степени
интересных опытов по выделению теплоты при трении
жидкостей, которые указывают на переход
механической энергии в тепловую, но опыты, при
которых имело бы место обратное преобразование, им
не проводились.

9.

Герман Гельмгольц
1821-1894
Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц родился 31
августа 1821 г. в Потсдаме в семье предводителя
гимназии. Герман был близок с отцом, который привил
мальчику любовь к музыке, живописи и интерес к
философии. В 1841 г. началась работа над докторской
диссертацией по физиологии, которую он успешно
защитил в 1842 г. В 1845-1846 гг. формируются основные
идеи ученого, положенные им в основу работы «О
сохранении силы», доложенной на заседании Физического
общества в 1847 г.

10.

Первый закон
термодинамики.

11.

Первый закон термодинамики.
Закон сохранения и превращения энергии, распространённый на
тепловые явления, носит название первого закона
термодинамики.
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из
одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и
количества теплоты, переданного системе:
∆U=A+Q
Или если вместо работы А внешних тел над системой
рассматривают работу А΄ самой системы над внешними телами.
Учитывая, что А΄=-А, первый закон термодинамики можно
записать так:
Q=∆U+A΄
Количество теплоты, переданное системе, идёт на
изменение её внутренней энергии и на совершение системой
работы над внешними телами.

12.

U
Внутренняя энергия
функция состояния тела
Кинетическая энергия
движения частиц,
составляющих тело
Q
ΔU
Теплопередача
теплопроводность
конвекция
излучение
+
Потенциальная
энергия
взаимодействия
частиц
изменяется
A
Механическая работа
ΔU=Q+A

13.

Энергия, которую получает или теряет
тело при теплопередаче, называется
количеством теплоты.
Количество теплоты обозначают буквой
Q.
Как и всякий другой вид энергии, количество
теплоты измеряют в джоулях (Дж)

14.

Теплопередача — физический процесс
передачи тепловой энергии от более
горячего тела к более холодному.
Теплопроводность
Конвекция
Тепловое излучение

15.

Способы теплопередачи
Теплопроводность- это явление передачи
энергии от более нагретой части тела к
менее нагретым без перемещения вещества
Хорошие проводники тепла
•Металлы (особенно серебро)
Плохие проводники тепла
•Кирпич, пенобетон
•Дерево, пробка
•Пористые материалы
•Жидкости (кроме ртути)
•Газы, в том числе воздух
•Подкожный жир

16.

Теплопроводность - это перенос теплоты структурными
частицами вещества (молекулами, атомами, электронами)
в процессе их теплового движения.
Температура тела увеличивается, поэтому…
атомы движутся быстрее.
Движение атомов передается соседним атомам , потому что…
атомы взаимодействуют друг с другом.
При теплопроводности нет переноса вещества,
переносится кинетическая энергия атомов.

17.

Способы теплопередачи
Конвекция – это явление передачи тепла от
нагревателя струями жидкости или газа.
При нагревании жидкость
или газ расширяются, их
плотность уменьшается и под
действием архимедовой силы
поднимаются вверх. На их
место опускаются более
холодные слои.

18.

Конвекция (от лат. convectio - принесение, доставка) —
явление переноса теплоты потоками жидкости или газа.
Различают два вида конвекции - естественная и
вынужденная конвекция.
Естественная конвекция
возникает в веществе самопроизвольно при его
неравномерном нагревании в поле тяготения.
При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются…
становятся легче и всплывают вверх.
верхние слои остывают…
становятся тяжелее и погружаются вниз.
Далее процесс повторяется снова и
снова.
При конвекции есть перенос вещества и энергии.
Вынужденная конвекция происходит при механическом
перемешивании вещества.

19.

Способы теплопередачи
Лучистый теплообмен (излучение) – это способ
передачи энергии электромагнитными волнами.
Излучают тепло:
Поглощают тепло:
•Солнце
•Зачерненные
поверхности
•Нагретые тела
•Человек
•Земная поверхность
•Темная шерсть животных
При одинаковых температурах и площадях
поверхности излучает больше тот нагреватель,
который имеет черную поверхность.

20.

Излучают энергию все тела: и сильно
нагретые, и слабо, например тело человека,
печь, электрическая лампочка и др. Но чем
выше температура тела, тем больше энергии
передает оно путем излучения.
Лучистый
теплообмен
может
протекать
при
отсутствии
материальной среды, разделяющей
поверхности теплообмена, то есть в
вакууме.

21.

Расчет количества
теплоты:
Q = cm(tконечная- tначальная)
- нагревание или охлаждение тел
Q=mλ
-плавление или кристаллизация тел
Q=mL
- испарение или конденсация жидкости
Q=mq
– выделяется при сгорании топлива

22.

Жидкие вещества
Сублимация
Газообразные
вещества
Десублимация
Твёрдые вещества

23.

График
плавления и кристаллизации
t , C
D
t3
Поглощение Q
Q m
B
t2
t1
плавление
C
Выделение Q
Q m
отвердевание F
E
t плавления = t отвердевания
А
t , мин
G

24.

График
кипения и конденсации
t , C
D
t3
Выделение Q
кипение
конденсация
B
t2
t1
Поглощение Q
C
F
E
t , мин
G
t кипения = t конденсации
А
24

25.

Что происходит с веществом при
нагревании?
t0C
Пока ещё лед
А здесь что?
Лед плавится
-10
Уже только вода
τ,мин

26.

Что происходит с веществом при
охлаждении?
t,0C
А здесь что?
Уже только вода
100
Пар конденсируется
Пока ещё пар

27.

Теплообмен
Процесс передачи теплоты от нагретого тела к
более холодному называют теплообменом.
tгор
tоб
tхол

28.

Первый закон термодинамики
Q=∆U+A
Количество теплоты, полученное системой,
расходуется на изменение её внутренней
энергии и на работу, производимую
системой против внешних сил

29.

Внутренняя
энергия.

30.

Внутренняя энергия.
Любое тело обладает внутренней
энергией.
Внутренняя энергия складывается из
- теплового хаотического движения
молекул
- потенциальной энергии их взаимного
расположения

31.

1.
Внутренняя энергия тела равна сумме
кинетической энергии движения молекул и
потенциальной энергии взаимодействия молекул.
U Ek Е p
2. Внутренняя энергия зависит от температуры и от
количества частиц. Обозначается U, измеряется в
Дж.
3. Т.к. потенциальная энергия идеального газа равна 0,
то U E k

32.

Внутренняя энергия U одного моля
идеального газа равна:
3
U RT
2
3
U pV
2
Внутренняя энергия U является функцией состояния
системы независимо от предыстории

33.

Фактически под внутренней
энергией в термодинамике
подразумевают энергию
теплового хаотического
движения молекул.
В термодинамике важно знать
не абсолютное значение внутренней
энергии, а её изменение.

34.

Задача №1. В стальном баллоне находится гелий массой 0,5 кг при
температуре 10°С. Как изменится внутренняя энергия гелия, если его
температура повысится до 30°С?
Дано:
Решение:
m 0,5 кг
t1 10 C
0
t 2 30 0 C
кг
M 4 10 3
моль
Дж
R 8,31
кг моль
U ?
Ответ. 31,2 кДж
3 m
U
R T
2M
T1 t1 273 283 K ; T2 t 2 273 303K ;
T T2 T1 20 K
3 0,5
3
U
8
,
31
20
31
,
2
10
Дж
3
2 4 10

35.

Количество теплоты, сообщаемой телу, идёт на увеличение
внутренней энергии и на совершение телом работы:
Q ΔU A
– закон сохранения энергии в
термодинамике.

36.

Работа газа.
AГ p (V2 V1 ) p V - работа газа
Aвн AГ p V - работа внешних сил

37.

37

38.

Геометрический смысл работы
•Работа численно равна площади под
графиком процесса на диаграмме (p, V).
Величина работы зависит от того, каким путем совершался переход из
начального состояния в конечное.

39.

Второй закон
термодинамики
Второй з-н термодинамики указывает направление возможных
энергетических превращений и тем самым выражает необратимость
процессов в природе.
Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от
более холодной системы к более горячей при отсутствии
одновременных изменений в обеих системах или окружающих
телах.
Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой
периодический процесс, единственным результатом которого
было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного
источника.
Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е.
двигатель, совершающий механическую работу за счет
охлаждения какого-либо одного тела.
39

40.

Задача 2. Газ находится под давлением 3 10 5 Па и занимает объем 0,6 м 3 .
Какая работа будет совершена при уменьшении его объема до 0,2 м 3 .
Дано :
Решение :
p 3 10 5 Па
Aвн p (V2 V1 )
V1 0,6 м 3
Aвн 3 10 5 (0,2 0,6) 1,2 10 5 Дж
V2 0,2 м 3
Aвн ?
Ответ.1,2 10 5 Дж

41.

Превращения энергии

42.

«Вечные двигатели»
Современная жизнь человека невозможна без
использования самых разнообразных машин. С
помощью машин человек обрабатывает землю,
добывает нефть, уголь, руду, строит дома, дороги,
совершает поездки по земле, полёты в воздухе и т. д.
Основным общим свойством всех этих машин является
их способность совершать работу. Многие изобретатели
в прошлом пытались построить машину - «вечный
двигатель», способную совершать полезную работу без
потребления энергии извне и без каких-либо изменений
внутри машины. Все эти попытки окончились неудачей.
Невозможность создания «вечного двигателя» является
экспериментальным доказательством первого закона
термодинамики.

43.

«Вечные двигатели»
Согласно первому закону термодинамики мы имеем
А΄=Q-∆U.
Любая машина может совершать работу над внешними
телами только за счёт получения извне количества
теплоты Q или уменьшения своей внутренней энергии ∆U.
ВЫВОД:
Внутренняя энергия системы тел изменяется при
совершении работы и при передаче количества
теплоты. В каждом состоянии система обладает
определённой внутренней энергией. Работа и
количество теплоты не содержатся в теле, а
характеризуют процесс изменения его внутренней
энергии.

44.

Тепловые двигатели
Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую
работу, называют тепловыми двигателями
Тепловые
двигатели
Двигатели
внутреннего
сгорания
Карбюраторные
(внешнее
смесеобразование)
Паровые
двигатели
Дизельные
(внешнее
смесеобразование)
Имя
Турбины
Паровые
Газовые
44

45.

Тепловой двигатель
КПД теплового двигателя
A Q1 Q 2
Q2
1
1
Q1
Q1
Q1
Энергетическая схема тепловой
машины: 1 – нагреватель; 2 –
холодильник; 3 – рабочее тело,
совершающее круговой
процесс.
Кпд реальных двигателей:
турбореактивный - 20 -30%;
карбюраторный - 25 -30%,
дизельный - 35-45%.
45

46.

Идеальная тепловая машина
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно,
Франция, 1815)
Машина работает на идеальном газе.
1 - 2 - при тепловом контакте с
нагревателем газ расширяется
изотермически.
2 -3 - газ расширяется адиабатно.
После контакта с холодильником:
3 -4 - изотермическое сжатие.
4 -1 - адиабатное сжатие.
КПД идеальной машины:
Теорема Карно: кпд реальной
тепловой машины не может быть
больше кпд идеальной машины,
работающей в том же интервале
температур.
T1 T2
T2
1
T1
T1
46

47.

Второй закон термодинамики
Второй з-н термодинамики указывает направление возможных
энергетических превращений и тем самым выражает необратимость
процессов в природе.
Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от
более холодной системы к более горячей при отсутствии
одновременных изменений в обеих системах или окружающих
телах.
Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой
периодический процесс, единственным результатом которого
было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного
источника.
Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е.
двигатель, совершающий механическую работу за счет
47
охлаждения какого-либо одного тела.

48.

49.

1. газ получил извне количество теплоты, равное 5 Дж
2. газ получил извне количество теплоты, равное 55 Дж
3. газ отдал окружающей среде количество теплоты,
равное 5 Дж
4. газ отдал окружающей среде количество теплоты,
равное 55 Дж

50.

1.4.105 Дж
2.16.105 Дж
3.8.105 Дж
4.12.105 Дж
A = S = (4 ∙2 )/2∙105 = 4∙105 Дж

51.

1.гирю поднять на 2 м
2.гирю нагреть на 2о С
3.увеличить скорость гири на 2 м/с
4.подвесить гирю на пружине, которая
растянется на 2 см

52.

1.
2.
3.
4.
100 кДж
200 кДж
300 кДж
400 кДж
P, кПа
200
100
0
2
1
4
1
3
2
3
3 V, м

53.

1.увеличивается
2.уменьшается
3.увеличивается или уменьшается в
зависимости от изменения объема
4.не изменяется

54.

1. большим запасом количества теплоты к телу с
меньшим запасом количества теплоты
2. большей теплоемкостью к телу с меньшей
теплоёмкостью
3. большей температурой к телу с меньшей
температурой
4. большей теплопроводностью к телу с меньшей
теплопроводностью