Вычисление работы в термодинамике. Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Адиабатный процесс
Если бесконечно малое расширение системы за счет подвода к ней теплоты, происходит во внешней среде, находящейся повсюду под одним и тем же давлением Р, то увеличение объема системы V на бесконечно малую величину dV сопровождается работой:
которую совершает система над окружающей средой и называемой работой изменения объема (механическая работа ).
При изменении объема тела от значения объема до значения работа, совершаемая системой, будет равняться:
Из формулы (*) следует, что и всегда имеют одинаковые знаки:
Если , то и , т.е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;
Если же , то и , т. е. при сжатии работа тела отрицательна: это означает, что не тело совершает работу, а на его сжатие затрачивается работа извне.
Теперь, рассмотрим работу, которая производится системой над каким- либо внешним объектом. Пусть рассматриваемое тело представляет собой газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Поршень сверху нагружен грузом.
 |
В результате подвода теплоты к газу произошло его расширение от объема до объема . При этом поршень с грузом переместился с высоты на высоту .
В результате расширения телом совершена работа:
а потенциальная энергия груза увеличилась на величину:
Разность между работой расширения и приращением потенциальной энергии представляет собой полезную внешнюю работу (располагаемую или техническую работу) которая произведена телом над внешним объектом:
В термодинамике широко используют -диаграмму. Поскольку состояние термодинамической системы определяется двумя параметрами, то на -диаграмме оно изображается точкой. На рисунке точка 1 соответствует начальному состоянию системы, точка 2 -конечному, а линия 1-2 соответствует процессу расширения рабочего тела от до .
Механическая работа графически изображается на плоскости площадью, заключенной между кривой процесса и осью объемов.
 |
Располагаемая работа графически изображается на плоскости площадью, заключенной между кривой процесса и осью давлений.
Работа зависит от характера термодинамического процесса.
Первый закон термодинамики .
Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения и превращения энергии.
Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии термодинамической системы.
Формулировка первого закона термодинамики :
Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение энергии системы и совершение механической работы.
Для 1кг вещества уравнение первого закона термодинамики имеет вид:
Первый закон термодинамики может быть записан также в другой форме.
Учитывая то, что энтальпия равна:
а ее изменение:
Выразим из выражения изменение внутренней энергии:
и подставим ее в уравнение первого закона термодинамики
До сих пор мы рассматривали только системы, вещество в которых не перемещалось в пространстве. Однако следует отметить, что первый закон термодинамики имеет общий характер и справедлив для любых термодинамических систем- и неподвижных и движущихся.
Предположим, что рабочее тело подается в тепломеханический агрегат (например, лопатки турбины). Рабочее тело совершает техническую работу, например, приводя в движение ротор турбины, а затем удаляется через выхлопной патрубок.
Запишем первый закон термодинамики для неподвижной системы:
Работа расширения совершается рабочим телом на поверхностях, ограничивающих выделенный движущийся объем, т. е. на стенках агрегата. Часть стенок агрегата неподвижна, и работа расширения на них равна нулю. Другая часть стенок специально делается подвижной (рабочие лопатки в турбине), и рабочее тело совершает на них техническую работу .
При входе рабочего в агрегат и выходе его из агрегата затрачивается так называемая работа вытеснения :
Часть работы расширения () затрачивается на увеличение кинетической энергии рабочего тела в потоке, равное .
Таким образом:
Подставив данное выражение механической работы в уравнение первого закона термодинамики, получим:
Поскольку энтальпия равна:
Окончательный вид первого закона термодинамики для движущегося потока будет иметь вид:
Теплота, подведенная к потоку рабочего тела, расходуется на увеличение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увеличение кинетической энергии потока.
Второй закон термодинамики .
Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту. Работа может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения, однако теплоту полностью превратить в работу в периодически повторяющемся (непрерывном) процессе нельзя.
Первый закон термодинамики “позволяет” создать тепловой двигатель полностью превращающий подведенную теплоту в работу L, т.е.:
Второй закон накладывает более жесткие ограничения и утверждает, что работа должна быть меньше подведенной теплоты () на величину отведенной теплоты , т.е.:
 |
Вечный двигатель можно осуществить, если теплоту передать от холодного источника к горячему. Но для этого теплота самопроизвольно должна перейти от холодного тела к горячему, что невозможно.
Теплота сама собой может переходить только от более нагретых тел к холодным. Переход теплоты от холодных тел к нагретым сам собой не происходит. Для этого нужно затратить дополнительную энергию.
Таким образом, для полного анализа явления и процессов необходимо иметь кроме первого закона термодинамики еще дополнительную закономерность. Этим законом является второй закон термодинамики . Он устанавливает, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком направлении протекает процесс, когда достигается термодинамическое равновесие и при каких условиях можно получить максимальную работу. Одна из формулировок второго закона термодинамики :
Для существования теплового двигателя необходимы 2 источника -горячий источник и холодный источник (окружающая среда).
Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся.
Еще один отличный день для практических занятий по физике. Сегодня мы соберем вместе формулы, которые чаще всего используются при решении задач в термодинамике и молекулярной физике.
Итак, поехали. Попытаемся изложить законы и формулы термодинамики кратко.
Идеальный газ
Идеальный газ – это идеализация, как и материальная точка. Молекулы такого газа являются материальными точками, а соударения молекул – абсолютно упругие. Взаимодействием же молекул на расстоянии пренебрегаем. В задачах по термодинамике реальные газы часто принимаются за идеальные. Так гораздо легче жить, и не нужно иметь дела с массой новых членов в уравнениях.
Итак, что происходит с молекулами идеального газа? Да, они движутся! И резонно спросить, с какой скоростью? Конечно, помимо скорости молекул нас интересует еще и общее состояние нашего газа. Какое давление P он оказывает на стенки сосуда, какой объем V занимает, какая у него температура T.
Для того, чтобы узнать все это, есть уравнение состояния идеального газа, или уравнение Клапейрона-Менделеева
Здесь m – масса газа, M – его молекулярная масса (находим по таблице Менделеева), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,3144598(48) Дж/(моль*кг).
Универсальная газовая потоянная может быть выражена через другие константы (постоянная Больцмана и число Авогадро )
Масс у , в свою очередь, можно вычислить, как произведение плотности и объема .
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)
Как мы уже говорили, молекулы газа движутся, причем, чем выше температура – тем быстрее. Существует связь между давлением газа и средней кинетической энергией E его частиц. Эта связь называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории и имеет вид:
Здесь n – концентрация молекул (отношение их количества к объему), E – средняя кинетическая энергия. Найти их, а также среднюю квадратичную скорость молекул можно, соответственно, по формулам:
Подставим энергию в первое уравнение, и получим еще один вид основного уравнения МКТ
Первое начало термодинамики. Формулы для изопроцессов
Напомним Вам, что первый закон термодинамики гласит: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа U и на совершение газом работы A. Формула первого закона термодинамики записывается так:
Как известно, с газом что-то происходит, мы можем сжать его, можем нагреть. В данном случае нас интересуют такие процессы, которые протекают при одном постоянном параметре. Рассмотрим, как выглядит первое начало термодинамики в каждом из них.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .
Изотермический процесс протекает при постоянной температуре. Тут работает закон Бойля-Мариотта: в изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объёму. В изотермическом процессе:
протекает при поcтоянном объеме. Для этого процесса характерен закон Шарля: При постоянном объеме давление прямо пропорционально температуре. В изохорном процессе все тепло, подведенное к газу, идет на изменение его внутренней энергии.
идет при постоянном давлении. Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении газа его объём прямо пропорционален температуре. При изобарном процессе тепло идет как на изменение внутренней энергии, так и на совершение газом работы.
. Адиабатный процесс – это такой процесс, который проходит без теплообмена с окружающей средой. Это значит, что формула первого закона термодинамики для адиабатного процесса выглядит так:
Внутренняя энергия одноатомного и двухатомного идеального газа
Теплоемкость
Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, которое необходимо для нагревания одного килограмма вещества на один градус Цельсия.
Помимо удельной теплоемкости, есть молярная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один градус) при постоянном объеме, и молярная теплоемкость при постоянном давлении. В формулах ниже, i – число степеней свободы молекул газа. Для одноатомного газа i=3, для двухатомного – 5.
Тепловые машины. Формула КПД в термодинамике
Тепловая машина , в простейшем случае, состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Нагреватель сообщает тепло рабочему телу, оно совершает работу, затем охлаждается холодильником, и все повторяется вно вь. Типичным примером тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания.
Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по формуле
Вот мы и собрали основные формулы термодинамики, которые пригодятся в решении задач. Конечно, это не все все формулы из темы термодинамика, но их знание действительно может сослужить хорошую службу. А если возникнут вопросы – помните о студенческом сервисе , специалисты которого готовы в любой момент прийти на выручку.
РАБОТА (в термодинамике) РАБОТА (в термодинамике)
РАБО́ТА, в термодинамике:
1) одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы (физического тела) с окружающими телами;
2) количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах, зависит от вида процесса; работа системы положительна, если она отдает энергию, и отрицательна, если получает.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Смотреть что такое "РАБОТА (в термодинамике)" в других словарях:
работа (в термодинамике) - работа Энергия, передаваемая одним телом другому, не связанная с переносом теплоты и (или) вещества. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 103. Термодинамика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.] Тематики… … Справочник технического переводчика
1) одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы (физического тела) с окружающими телами; 2) количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах, зависит от вида процесса; работа системы… … Энциклопедический словарь
Силы, мера действия силы, зависящая от численной величины и направления силы и от перемещения точки её приложения. Если сила F численно и по направлению постоянна, а перемещение М0М1 прямолинейно (рис. 1), то P. A = F s cosa, где s=M0M1, a угол… … Физическая энциклопедия
- (в термодинамике), 1) одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы (физические тела) с окружающими телами; 2) количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах; зависит от вида процесса.… … Современная энциклопедия
В термодинамике:..1) одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы (физического тела) с окружающими телами;..2) количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах, зависит от вида процесса;… … Большой Энциклопедический словарь
Силы, мера действия силы, зависящая от численной величины и направления силы и от перемещения точки её приложения. Если сила F численно и по направлению постоянна, а перемещение M0M1 прямолинейно (рис. 1), то P. A = F․s․cosα, где s = M0M1 … Большая советская энциклопедия
РАБОТА - (1) скалярная физ. величина, характеризующая преобразование (см.) из одной формы в др., происходящее в рассматриваемом физ. процессе. Единица работы в СИ (см.). Р. всех внутренних и внешних сил, действующих на механическую систему, равна… … Большая политехническая энциклопедия
1) величина, характеризующая преобразование энергии из одной формы в другую, происходящее в рассматриваемом физ. процессе. Напр., Р. всех внеш. и внутр. сил, действующих на механич. систему, равна изменению кинетической энергии системы.… … Большой энциклопедический политехнический словарь
В термодинамике, 1) одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамич. системы (физ. тела) с окружающими телами; 2) количеств. характеристика преобразования энергии в физ. процессах, зависит от вида процесса; Р. системы положительна,… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Работа Размерность L2MT−2 Единицы измерения СИ Дж СГС … Википедия
Книги
- Комплект таблиц. Физика. Термодинамика (6 таблиц) , . Учебный альбом из 6 листов. Внутренняя энергия. Работа газа в термодинамике. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики. Адиабатный процесс. Цикл Карно. Арт. 2-090-661. 6…
- Основы моделирования молекулярной динамики , Галимзянов Б.Н.. В настоящем учебном пособии представлен базовый материал, необходимый для овладения знаниями и первичными навыками по компьютерному моделированию молекулярной динамики. Пособие включает в…
Наука, изучающая тепловые явления - это термодинамика. Физика рассматривает ее как один из своих разделов, который позволяет сделать определенные выводы, основываясь на представлении вещества в виде молекулярной системы.
Термодинамика, определения которой строятся на фундаменте фактов, полученных опытным путем, не использует накопленные знания о внутреннем Однако в некоторых случаях данная наука пользуется молекулярно-кинетическими моделями, чтобы наглядно проиллюстрировать свои заключения.
Опора термодинамики - общие закономерности процессов, происходящих при изменении а также свойства макроскопической системы, которая рассматривается в состоянии баланса. Наиболее значимым явлением, происходящим в комплексе веществ, является выравнивание температурных характеристик всех его частей.
Наиболее важным термодинамическим понятием служит которой обладает любое тело. Она заключена в самом элементе. Молекулярно-кинетической трактовкой внутренней энергии является величина, представляющая собой сумму кинетической активности молекул и атомов, а также потенциала их взаимодействия между собой. Отсюда вытекает закон, открытый Джоулем. Его подтверждением явились множественные эксперименты. Они обосновали тот факт, что, в частности, обладает внутренней энергией, складывающейся из кинетической активности всех его частиц, которые находятся в хаотичном и беспорядочном движении под воздействием тепла.
Работа в термодинамике изменяет активность тела. Воздействие сил, влияющих на внутреннюю энергию системы, может иметь как положительное, так и отрицательное значение. В тех случаях, когда, например, газообразное вещество подвергается процессу сжатия, который производится в цилиндрической емкости под давлением поршня, силы, действующие на него, совершают некую работу, характеризующуюся положительной величиной. Одновременно происходят противоположные явления. Газ совершает над воздействующим на него поршнем отрицательную работу той же величины. Действия, производимые веществом, находятся в прямой зависимости от площади имеющегося поршня, его перемещения, а также давления тела. Работа в термодинамике, которая совершается газом, является положительной при его расширении, а при сжатии - отрицательной. Величина этого действия находится в прямой зависимости от пути, по которому был совершен переход вещества из начального положения в конечное.
Работа в термодинамике твердых и жидких тел отличается тем, что они весьма незначительно изменяют объем. В связи с этим воздействием сил зачастую пренебрегают. Однако результатом совершения над веществом работы может явиться изменение его внутренней активности. Например, при сверлении металлических деталей происходит повышение их температуры. Этот факт и является свидетельством роста внутренней энергии. При этом данный процесс является необратимым, так как его невозможно провести в противоположном направлении.
Работа в термодинамике относится к основным ее Ее измерение производится в Джоулях. Величина данного показателя находится в прямой зависимости от того пути, по которому система переходит из начального состояния в конечное. Это действие не относится к функциям состояния тела. Оно является функцией самого процесса.
Работа в термодинамике, определение которой производится по имеющимся формулам, является разностью между количеством подведенного и отведенного тепла в периоде замкнутого цикла. Величина данного показателя зависит от вида процесса. Если система отдает свою энергию, то это означает, что совершается положительнее действие, а если получает - отрицательное.
Работа в механике и термодинамике. В механике работа определяется как произведение модулей силы и перемещения, умноженное на косинус угла между ними. Работа совершрется при действии силы на движущееся тело и равна изменению кинетической энергии тела.
В термодинамике движение тела как целого не рассматривается и речь идет о перемещении частей макроскопического тела друг относительно друга. В результате меняется объем
тела, а его скорость остается равной нулю. Следовательно, работа в термодинамике, определяемая так же, как и в механике, равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.
Изменение внутренней энергии при совершении работы. Почему при сжатии или расширении меняется внутренняя энергия тела? Почему, в частности, нагревается воздух при накачивании велосипедной шины?
Причина изменения температуры в процессе сжатия газа состоит в следующем: при упругих соударениях молекул с движущимся поршнем их кинетическая энергия изменяется. При движении навстречу молекулам поршень передает им во время столкновений часть своей механической энергии, в результате чего газ нагревается. Поршень действует подобно футболисту, встречающему летящий мяч ударом ноги и сообщающему мячу скорость, значительно большую той, которой он обладал до удара.
Если газ, напротив, расширяется, то после столкновения с удаляющимся поршнем скорости молекул уменьшаются, в результате чего газ охлаждается. Так же действует футболист, для того чтобы уменьшить скорость летящего мяча или остановить его; нога футболиста движется от мяча, как бы уступая ему дорогу.
При сжатии или расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как при этом меняется среднее расстояние между молекулами.
Вычисление работы. Вычислим работу в зависимости от изменения объема на примере газа в цилиндре под поршнем (рис. 39). Проще всего вначале вычислить не работу силы действующей на газ со стороны внешнего тела (поршня), а работу, которую совершает сам газ, действуя на поршень с силой Согласно третьему закону Ньютона
Модуль силы, действующей со стороны газа на поршень, равен: где - давление газа, площадь поршня. Пусть газ расширяется и поршень смещается в направлении
силы малое расстояние Если перемещение мало, то давление газа можно считать постоянным.
Работа газа равна:
Эту работу можно выразить через изменение объема газа. Начальный объем а конечный Поэтому
где изменение объема газа.
При расширении газ совершает положительную работу, так как направление силы и направление перемещения поршня совпадают. В процессе расширения газ передает энергию окружающим телам.
Если газ сжимается, то формула (4.3) для работы газа остается справедливой. Но теперь и поэтому (рис. 40).
Работа А, совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы газа А только знаком: так как сила действующая на газ, направлена против снлы а перемещение остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил, действующих на газ, равна:
Знак минус указывает, что при сжатии газа, когда работа внешней силы положительна. Понятно, почему в этом случае при сжатии газа направления силы и перемещения совпадают. Совершая над газом положительную работу, внешние тела передают ему энергию. При расширении газа, наоборот, работа внешних тел отрицательна так как Теперь направления силы и перемещения противоположны.
Выражения (4.3) и (4.4) справедливы не только при сжатии или расширении газа в цилиндре, но и при малом изменении объема любой системы. Если процесс изобарный то эти формулы можно применять и для больших изменений объема.
Геометрическое истолкование работы. Работе А газа для случая постоянного давления можно дать простое геометрическое истолкование.
Построим график зависимости давления газа от объема (рис. 41). Здесь площадь прямоугольника ограниченная графиком осью V и отрезками
равными давлению газа, численно равна работе (4.3).
В общем случае при произвольном изменении объема газа давление не остается неизменным Например, при изотермическом процессе оно убывает обратно пропорционально объему (рис. 42). В этом случае для вычисления работы нужно разделить общее изменение объема на малые части, вычислить элементарные (малые) работы, а потом все их сложить. Работа газа по-прежнему будет численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости от V, осью V и отрезками равными давлениям в начальном и конечном состояниях.
1. От каких физических величин зависит внутренняя энергия тела?
2. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и обратно в технике и быту. 3. Чему равна внутренняя энергия идеального одноатомного газа? 4. Моль какого газа - водорода или гелия - имеет большую внутреннюю энергию при одинаковой температуре газов? 5. Почему газ при сжатии нагревается? 6. Чему равна работа, совершаемая внешними силами при сжатии и расширении тел?