Основы термодинамики. Основные понятия термодинамики

1.

ОСНОВЫ
ТЕРМОДИНАМИКИ

2.

1. Основные понятия термодинамики
Термодинамика - наука, которая изучает передачу
энергии, закономерности превращения одних видов
энергии в другие.
Основные понятия:
Термодинамическая система это совокупность тел, которые
обмениваются энергией (в
форме работы или теплоты)
друг с другом или с
окружающей средой.

3.

Количество теплоты - это энергия, которую
получает или отдает система в процессе
теплообмена.
Удельная теплоемкость вещества - количество
теплоты,
которое
необходимо
для
нагревания единицы массы данного вещества на
1К.
Теплоемкость вещества - это количество теплоты,
которое необходимо для нагревания тела без
учета его массы на 1К.

4.

Внутренняя энергия – это совокупность
кинетических энергий всех его молекул и
потенциальных энергий их взаимодействия.
- Внутренняя
энергия
идеального
одноатомного газа:
3
U pV
2
- Внутренняя
энергия
двухатомного газа:
идеального
5
U pV
2

5.

Работа – это изменение внутренней энергии
тела.
- При сжатии газа:
A p V
- При расширении газа:
A p V

6.

Способы изменения внутренней энергии
тела:
1. Механический
способ
(совершение
работы) – при сжатии внутренняя энергия
газа увеличивается, при расширении –
уменьшается.
2. Теплообмен - это самопроизвольный
процесс
передачи
теплоты,
происходящий между телами с разной
температурой.

7.

Способы изменения энергии
Совершение работы
Теплопроводность
(передача тепла
непосредственно от
тела к телу)
Лучистый теплообмен (передача
тепла излучением)
Теплопередача
Конвекция
(передача тепла
волнами)

8.

2. Законы термодинамики
Первое начало термодинамики:
Изменение внутренней энергии системы при
переходе ее из одного состояния в другое
равно сумме работ внешних сил и количества
теплоты, переданного системе.
Закон сохранения внутренней энергии:
При любых процессах, происходящих в
изолированной системе, ее внутренняя
энергия остается постоянной.

9.

10.

Адиабатный и политропный процессы
Адиабатный - процесс, проходящий без
подвода теплоты, работа совершается
только за счет изменения внутренней
энергии газа.
Все реальные процессы, протекающие в
природе, являются политропными, так как
невозможно создать полную термическую
изоляцию.

11.

Второе начало термодинамики:
Теплота
в
природе
самопроизвольно
переходит
только от тел более нагретых к
менее нагретым.
Второй закон устанавливает
необратимость
реальных
термодинамических процессов.

12.

Обратимые и необратимые тепловые
процессы
Необратимыми являются процессы, при
которых механическая энергия переходит во
внутреннюю при наличии трения.
В отсутствие трения все механические
процессы протекали бы обратимо.
Таким
образом,
равновесные
обратимые процессы являются абстракцией
из-за существующих трения и теплообмена.

13.

пример
Газ находится в сосуде, закрытом
поршнем.
Выдвигаем
поршень.
Это
необратимый процесс, потому что его нельзя
вернуть в обратное состояние через те же
промежуточные состояния системы!
Чтобы расширить газ обратимым
образом,
нужно
выдвигать
поршень
бесконечно медленно. При этом давление
газа будет во всем объеме одинаковым.

14.

4. Тепловые двигатели. Охрана природы.
Тепловой двигатель - это двигатель, в котором
происходит превращение внутренней энергии
топлива, которое сгорает, в механическую работу.
Любой тепловой двигатель состоит из трех
основных частей:
- нагревателя,
- рабочего тела (газ, жидкость и др.),
- холодильника.

15.

Циклы работы теплового двигателя
Прямой цикл теплового
двигателя
Обратный цикл
холодильной машины

16.

КПД теплового двигателя
Прямой
цикл
Показатель
эффективности
холодильной машины

17.

Цикл Карно
Двигатель Карно — машина чисто
теоретическая, то есть идеальная, силы
трения между поршнем и цилиндром и
тепловые потери считаются равными нулю.
Механическая работа максимальна,
если рабочее тело выполняет цикл,
состоящий из двух изотерм и двух адиабат.
Этот цикл называют циклом Карно.

18.

участок 1-2: изотермически расширяется при
температуре
T1
участок 2-3: газ адиабатически расширяется,
температура снижается до температуры холодильника T2
участок
3-4:
газ
экзотермически
сжимается
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор,
пока
его
температура
не
повысится
до
T1.
Работа, которую выполняет
рабочее тело - площадь
полученной фигуры 1234.

19.

1 – цикл в бензиновом карбюраторном двигателе;
состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1).
2 - в дизельном двигателе; состоит из двух адиабат (1–
2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1).
В обоих случаях рабочим телом является смесь паров
бензина или дизельного топлива с воздухом.
Реальный
коэффициент
полезного действия
у карбюраторного
двигателя порядка
30%, у дизельного
двигателя
–
порядка 40 %.

20.

21.

кпд цикла Карно
Для теплового
двигателя
Для холодильной
машины

22.

В реальных тепловых двигателях нельзя
создать условия, при которых их рабочий цикл
был бы циклом Карно. Так как процессы в них
происходят быстрее, чем это необходимо для
изотермического процесса, и в то же время не
настолько
быстрые,
чтоб
быть
адиабатическими.

23.

Область применения тепловых двигателей

24.

Охрана природы
Методы защиты от загрязнения:
1. Прямые – очистка и улавливание
дымовых и вентиляционных газов,
переход на более экологическое
топливо.
2. Косвенные – снижение концентраций
вредных веществ в самом нижнем
слое атмосферы.