Лекция №6 Основы термодинамики_

1. Лекция №6 Основы термодинамики

2.

Термодинамика – раздел физики,
изучающий возможности использования
внутренней энергии тел для совершения
механической работы.

3.

Термодинамика
изучает
процессы,
происходящие
в
так
называемых
термодинамических системах.
Термодинамической системой называется
совокупность материальных тел,
взаимодействующих, как между собой, так и
с окружающей средой.

4.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ
Совокупность физических величин, характеризующих
свойства термодинамической системы.
V - объём
Р - давление
T - температура
U - внутренняя энергия

5. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

АВТОР
СУТЬ ВВЕДЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
Д. Фаренгейт (1685-1736)
В 1710 – 1714 годах предложил шкалу и термометр:
0° - температура смеси воды, льда и поваренной соли,
32° - температура смеси воды и льда, 212° температура кипения воды, 96° - температура тела
человека.
А. Цельсий (1701 – 1744),
В 1742 году предложил стоградусную шкалу температур:
0° - температура таяния льда, 100° - температура
кипение воды
голливудский физик, мастерстеклодув
шведский физик и астроном.
Ж. Понселе (1788 – 1867),
французский физик и инженер.
В 1826 году ввел понятие работы и единицы её
измерения.
С. Карно (1796 – 1832),
французский физик и инженер.
Ввел представление об идеальной тепловой машине, а в
1824 году фактически дал формулировку второго начала
термодинамики, связал тепло с движение частиц тела.
Б. Клапейрон (1799 –
1864), французский физик и
В 1834 году вывел уравнение состояния идеального
газа, обобщенное в дальнейшем Д. И. Менделеевым.
инженер.

6. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

АВТОР
СУТЬ ВВЕДЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
Р. Майер (1818 – 1878),
В 1842 году одним из первых сформулировал закон
сохранения и превращения энергии.
Дж. Джоуль (1818 – 1889),
В 1843 году первый вычислил механический
эквивалент теплоты и пришел к закону сохранения
энергии.
немецкий врач и
естествоиспытатель.
английский физик
Г. Гельмгольц (1821 – 1894), В 1847 году дополнив идеи Майера и опыты Джоуля,
немецкий физик и
естествоиспытатель
сформулировал и математически обосновал закон
сохранения и превращения энергии.
Р. Клаузиус (1822 – 1888),
немецкий физик-теоретик.
В 1850 году сформулировал второе начало
термодинамики, а в 1854 г. дал математическую
формулировку первого начала.
У. Томсон (Кельвин) (1824 – 1907),
В 1848 году ввел понятие абсолютной температуры,
в 1851 году сформулировал второе начало
термодинамики.
английский физик.

7. Внутренняя энергия

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]

8. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

3 m
U
RT
2M

9. Внутренняя энергия идеального двухатомного газа

5 m
U
RT
2M

10. 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)

11. Изменение внутренней энергии тела ΔU

Совершение
работы А
Теплообмен Q
теплопроводность
над
телом
самим
телом
ΔU
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
A 0
P
Изобарное расширение
V
V1
V2

15. При изотермическом процессе (Т=const):

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

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 ]

18. 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

19. 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'

20.

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

21.

Сади Карно
нагреватель
Рабочее
тело
холодильник
Aполезн . Q1 Q 2
Qзатрач .
Q1
T1 T 2
идеал.
T1

22.

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

23.

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

24.

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

25.

Формулировка
У.Кельвина
В циклически действующей
тепловой машине невозможен
процесс,
единственным
результатом которого было
бы
преобразование
в
механическую работу всего
количества
теплоты,
полученного от единственного
теплового резервуара.
Формулировка
Р.Клаузиуса
Невозможен
процесс,
единственным результатом
которого была бы передача
энергии путем теплообмена
от
тела
с
низкой
температурой к телу с более
высокой температурой.

26.

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

27. ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Первого рода
Второго рода
Будучи раз пущен
в ход, совершал
бы работу
неограниченно
долгое время, не
заимствуя
энергию извне
Целиком
превращал бы в
работу теплоту,
извлекаемою из
окружающих тел
НЕВОЗМОЖНЫ
Противоречит закону
сохранения и
превращения энергии
Противоречит
второму началу
термодинамики

28.

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

29.

Спасибо за
внимание!