Основы термодинамики

1.

Основы термодинамики
Преподаватель Юридического колледжа
Валентина Владимировна Киреева

2.

РЕМОНТ
Термодинамикараздел
физики,
изучающий:
• энергию, её передачу и преобразование
из одной формы в другую.
• тепловые процессы и совершаемую при
этом работу;
• возможность
самопроизвольного
течения процессов

3.

РЕМОНТ
Зарождение
термодинамики связано с
именем Г. Галилея, который
ввёл понятие температуры и
сконструировал
первый
прибор, реагирующий на
изменения
температуры
окружающей среды (1597)

4.

РЕМОНТ
Развитие
техники
и
повсеместное
распространение тепловых машин в первой
половине
XIXв.
настоятельно
требовали
развития теории тепловых процессов.
Исторически
начало
развития
термодинамики связано с изучением КПД
тепловых машин.
Термодинамика имеет важное значение для
самых разных областей физики, биологии и
химии, машиностроения,
биомедицинской
инженерии, материаловедения и находит своё
применение
даже
в
таких
областях,
как экономика

5.

РЕМОНТ
Термодинамическая система
- это тело или группа
тел, находящихся во
взаимодействии и
реально или
мысленно
обособленных от
окружающей среды

6.

РЕМОНТ
Термодинамика изучает системы, состоящие
из очень большого числа частиц
Классификация систем
По степени однородности свойств системы
делят на гомогенные и гетерогенные
По степени взаимодействия с окружающей
средой:
• Открытые (идет обмен веществом и энергией)
• Закрытые (идет обмен тольео энергией)
• Изолированные (обмена нет)

7.

РЕМОНТ

8.

РЕМОНТ
Состояние системы определяется
термодинамическими параметрами
состояния системы: температурой Т,
давлением Р и объемом V

9.

РЕМОНТ
Важнейшее термодинамическое понятие внутренняя энергия системы U.
Внутренняя энергия - суммарная энергия
движения и взаимодействия всех частиц, из
которых состоит тело
Кинетическая энергия
молекул тела
Потенциальная энергия
молекул тела

10.

РЕМОНТ
Кинетическая энергия частиц
определяется их скоростью, а значит
- температурой системы.
Потенциальная - расстоянием
между частицами, а значит объемом.
Следовательно:
внутренняя энергия системы
зависит от объема и температуры

11.

РЕМОНТ
При переходе системы из одного
состояния в другое практический
интерес представляет изменение
внутренней энергии ∆U:
ΔU = U2 – U1

12.

РЕМОНТ
Способы изменения внутренней
энергии:
1. Совершение работы;
2. Теплопередача - процесс
перехода внутренней энергии от
одного тела к другому

13.

РЕМОНТ
Виды теплопередачи

14.

РЕМОНТ
1.Конвекция - передача теплоты
путем перемешивания холодных и
теплых слоев жидкости или газа

15.

РЕМОНТ
Теплопроводность
- передача теплоты от
более нагретой части
тела к менее нагретой.
Обусловлена
хаотическим
движением молекул
без переноса вещества

16.

РЕМОНТ
Излучение - перенос
энергии в виде
электромагнитных волн

17.

РЕМОНТ
Во что лучше всего завернуть кастрюлю, чтобы
сохранить ее содержимое горячим: газету, пуховое
одеяло, фольгу, полотенце?
Каким способом осуществляется теплопередача от
Солнца к Земле?
Почему для возникновения конвекции в жидкости
ее надо подогревать снизу?
Чтобы поверхность тела, например дирижабля, как
можно меньше нагревалась солнцем, ее покрывают
краской. Какую краску следует выбрать для этого:
чёрную, синюю, красную, серебристую?
Какой способ теплопередачи связан с перемещением
частиц?

18.

РЕМОНТ
Теплоемкость
- количество теплоты, отдаваемое (или
получаемое) при остывании (нагреве)
вещества на единицу температуры.
• Количество тепла Q , выделяемого или
поглощаемого телом, равно произведению
величин удельной теплоемкости (c), массы
(m) и разности температур ( t).
Q=сm t работа Энергия

19.

РЕМОНТ
Вода – вещество, имеющее самую высокую
теплоемкость, - способна поглощать огромное
количество тепла, сама при этом практически не
нагреваясь.
Удельная теплоемкость воды выше
теплоемкости песка в пять раз, и в десять раз –
железа.
Высокая теплоемкость воды позволяет
сглаживать колебания температуры на
поверхности Земли и регулировать тепловой
режим всей планеты

20.

РЕМОНТ
Законы термодинамики

21.

РЕМОНТ
Первое начало термодинамики- это
закон сохранения и превращения
энергии.
Сформулирован Ю. Л. Майером
(1842 г.)
Подтвержден экспериментально
Дж. Джоулем (1843 г.)

22.

РЕМОНТ
Количество теплоты, переданное
системе, идет на изменение ее внутренней
энергии и совершение системой работы над
внешними телами:
• Q = ΔU +A
• ΔU = Q -A

23.

РЕМОНТ
Следствия
1. Внутренняя энергия изолированной системы не
изменяется:
ΔU =0
2.
Невозможно создание вечного двигателя
первого рода - машины, которая была бы
способна совершать работу без потребления
энергии извне, только за счёт убыли внутренней
энергии: A= -∆U.

24.

РЕМОНТ
В 1775 году Парижская академия наук приняла решение не рассматривать заявки
на патентование вечного двигателя из-за очевидной невозможности их создания.

25.

РЕМОНТ
Первый закон термодинамики в
изопроцессах
1. Изотермический процесс ​(T=const, ΔU=0)​
Q=A
Физический смысл: Теплота Q, приобретенная
газом в процессе изотермического расширения,
превращается в работу, совершаемую над
внешними объектами. И наоборот, изотермическое
сжатие приводит к преобразованию работы
внешних сил, произведенной над газом, в
передающееся окружающим телам тепло.

26.

РЕМОНТ
2. Изобарный процесс (Р – const):
Q=ΔU+A
Физический смысл: подводимое к
газу тепло идет на увеличение его
внутренней
энергии
и
на
совершение
газом
работы.
Например, расширение газа при его
нагревании
в
цилиндре
с
подвижным поршнем

27.

РЕМОНТ
3. Изохорный процесс: (V=const)
Q=ΔU
Физический
смысл:
внутренняя
энергия газа увеличивается за счет
подводимого тепла.
Газ в закрытом сосуде нагревается.
Поскольку объем не изменяется, А=0

28.

РЕМОНТ
4. Адиабатный процесс: ​ (Q=0)​
A=− ΔU
Физический смысл: работа совершается газом за
счет уменьшения внутренней энергии
В реальных условиях возможно осуществить :
• Провести процесс так быстро, чтобы теплообмен
не успел произойти;
• Полностью изолировать систему
от факторов внешней среды.

29.

РЕМОНТ
Второй закон термодинамики
определяет направление процессов

30.

РЕМОНТ
Формулировка Р. Клаузиуса (1865 г):
Невозможен переход теплоты от
более холодного тела к более
горячему

31.

РЕМОНТ
В 1854 г Клаузиус ввел понятие энтропии S.
Энтропия - термодинамическая функция,
которая характеризует меру упорядоченности
системы
или
меру
беспорядка.
Второй закон термодинамики устанавливает, что
в закрытых системах самопроизвольно
могут совершаться только такие процессы, при
которых энтропия системы возрастает.

32.

РЕМОНТ
Энтропия возрастает при всех
процессах, вызываемых движением частиц:
испарение, плавление, растворение, диффузия,
расширение газа; возрастает при диссоциации
молекул.
При
упрочнении
связей
энтропия
уменьшается:
при
кристаллизации,
конденсации, сжижении газов.

33.

РЕМОНТ
Формулировка Кельвина:
невозможно
осуществить
такой
периодический процесс, единственным
результатом которого было бы получение
работы за счет теплоты, взятой от одного
источника.
Постулат Кельвина запрещает существование
теплового двигателя с КПД, равным единице.
Тепловой двигатель, целиком превращающий в работу
поступающее от нагревателя тепло, называется вечным
двигателем второго рода.

34.

РЕМОНТ
Тепловые двигатели - машины,
преобразующие внутреннюю энергию в
механическую работу
Тепловые
двигатели
Двигатели
внутреннего
сгорания
Карбюраторные
(внешнее
смесеобразование)
Паровые
двигатели
Дизельные
(внешнее
смесеобразование)
Турбины
Паровые
Газовые

35.

РЕМОНТ
КПД тепловых двигателей

36.

РЕМОНТ
Третий закон термодинамики
• При абсолютном нуле (0К – (-273,150С)
прекращается тепловое движение молекул (S=0)
Частицы образуют упорядоченную структуру
без всяких колебаний атомов кристаллической
решетки.
• Абсолютный нуль температуры недостижим
Самая низкая температура во Вселенной была
зарегистрирована в туманности Бумеранг и
равняется примерно -271 градусу Цельсия.

37.

РЕМОНТ
Нулевое начало термодинамики:
Два тела не передают друг другу
теплоту, если их температуры
равны

38.

СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ!