Основы термодинамики

1. Основы термодинамики

2. Цели занятия:

1. Сформировать основные понятия
термодинамики
2. Сформулировать первый закон
термодинамики
3. Рассмотреть принцип действия тепловых
двигателей и их КПД
4. Выявить отрицательное воздействие
тепловых двигателей на окружающую
среду и наметить пути решения этой
проблемы

3.

Термодинамика – теория тепловых
процессов, в которой не учитывается
молекулярное строение тел.
Физика - Российская электронная школа

4. 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]

5. 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)

6. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

3m
U
RT
2M

7. Внутренняя энергия идеального двухатомного газа

5m
U
RT
2M

8.

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.

9. 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)

10. Изменение внутренней энергии тела ΔU

Совершение
работы А
Теплообмен Q
теплопроводность
над
телом
самим
телом
ΔU
ΔU
излучение
конвекция

11. Работа в термодинамике

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

12.

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):

• 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):

•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.

18. Количество теплоты – часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче

Процесс
Нагревание или
охлаждение
Кипение или
конденсация
формула
Q cm T
С – удельная теплоёмкость
вещества [ Дж/кг 0К], m –
масса [кг], ΔT – изменение
температуры [ 0K].
– удельная теплота
Q rm rпарообразования
[ Дж/кг ]
Плавление или
кристаллизация
Q m λ- удельная теплота плавления
Сгорание
топлива
– удельная теплота сгорания
Q qm qтоплива
[ Дж/кг ]
вещества [ Дж/кг ]

19.

20.

21.

22. 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

23. 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'

24.

25.

Тепловые двигатели –
устройства, превращающие
внутреннюю энергию топлива
в механическую.
Виды тепловых двигателей

26.

Принцип действия тепловых двигателей
Т1 – температура
нагревателя
Т2 – температура
холодильника
Q1 – количество
теплоты,
полученное от
нагревателя
Q2 – количество
теплоты, отданное
холодильнику

27.

Коэффициент полезного
действия (КПД) теплового
двигателя –
отношение работы А’, совершаемой двигателем, к
количеству теплоты, полученному от
нагревателя:
А
Q1

28.

где
А Q1 Q2 -работа, совершаемая
двигателем
тогда
Q1 Q2
1
При
Q1
1
Q2
Q1
КПД всегда меньше единицы, так
как у всех двигателей некоторое
количество теплоты
передаётся холодильнику
Т1 Т 2 0 двигатель не может работать

29.

Максимальное значение КПД
тепловых двигателей (цикл Карно):
T1 T2
max
T1

30.

Отрицательные последствия
использования тепловых
двигателей:
•Потепление климата
•Загрязнение атмосферы
•Уменьшение кислорода в
атмосфере
Решение проблемы:
•Вместо горючего использовать
сжиженный газ.
•Бензин заменить водородом.
•Электромобили.
•Дизели.
•На тепловых электростанциях
использовать скрубберы, в
которых сера связывается с
известью.
•Сжигание угля в кипящем слое.
КПД тепловых двигателей
Двигатель
КПД, %
Паровая
машина
1
Паровоз
8
20 - 30
Карбюраторный двигатель
Газовая
турбина
36
Паровая
турбина
35 - 46
Ракетный
двигатель на
жидком топливе
47