Alapvető termodinamikai fogalmak belső energia, munka, hő
A termodinamika első törvénye
A belső energia a fizikai rendszer energiája, a belső állapotától függően. A belső energia magában foglalja a rendszer összes mikroszemcséjének (molekulák, atomok, ionok stb.) Kaotikus (termikus) mozgásának energiáját és ezen részecskék kölcsönhatását. A rendszer mozgásának kinetikus energiája és a potenciális energia a külső erőterekben nem lép be a belső energiaba. A termodinamikában és alkalmazásaiban nem a belső energia értéke érdekes, hanem annak változása, amikor a rendszer állapota megváltozik. A belső energia a rendszer állapotának függvénye.
A termodinamikai rendszer külső testeken végzett munkája az ilyen testek állapotának megváltoztatását jelenti, és a rendszer külső szervek által a térfogat változásakor átutalt energiamennyiség határozza meg.
A termodinamika munkája nem teljes különbség (nem az állam függvénye, hanem az utatól függ), és jelöltük.
A gáz által elfoglalt mennyiség megváltoztatása érdekében munkát kell végezni. Képzeljünk el egy gázt egy hengeres térfogatú, dugattyúval lezárt gázzal, amelynek mozgása megváltoztatja a gáz térfogatát (14.1. Ábra).
A gáznyomás által a térdugattyúra kifejtett erő egyenlő. A dugattyú mozgatása során alkalmazott munka megegyezik azzal, hogy a gáz térfogatának változása (14.1. Ábra)
A hő (a hőmennyiség) a rendszer által hőcserélés alatt kapott vagy felszabadított energia mennyisége. Az elemi hőmennyiség általában nem különbözik az állam paramétereinek bármely funkciójától. A rendszerre átvitt hő mennyisége, valamint a munka attól függ, hogy a rendszer hogyan halad a kezdeti állapotról a véglegesre. (A belsõ energiától eltérõen, amelyre vonatkozóan, de lehetetlen megmondani, hogy mennyi munkát tartalmaz a test, "ez a függvény" folyamat dinamikus).
Első törvény (az elején) termodinamika hőmennyiséget közölni a rendszer megy a növekedés a belső energia a rendszer és hogy a rendszer működik, a külső szervekkel.
ahol a szervezetnek jelentett hőmennyiség;
és a belső energia kezdeti és végső értékeit;
a rendszer külső szervek által végzett munkája.
Differenciált formában az 1. kezdet:
a szervezet számára átadott hő elemi mennyisége;
a belső energia változása;
testmozgás (például a gáz kibővítésével végzett munka).
A termodinamika első törvényének alkalmazása az ideális gáz izoprocesszusaira
(Izoprocesszusok a (görög) - egyenlő). Néhány állandó paraméteren (izoterm, izobár, izokorikus) előforduló folyamatok.
A test hőteljesítménye olyan mennyiség, amely megegyezik a testhez adott hőmennyiség és a megfelelő hőmérséklet-növekedés arányával.
A test dimenziós hőteljesítménye.
Hasonló meghatározásokat ismertetnek 1 mol (moláris hő kapacitással)
), és egy anyagtömegre számítva.
Tekintsük a gáz állandó térfogatú fűtését. A termodinamika első törvénye szerint:
, mert , akkor.
definíció szerint, de a folyamat c:
a gáz fajlagos hője állandó térfogatban.
Az izotermikus folyamat ideális folyamat. mert A gáz állandó hőmérsékletű térfogatnövelése csak végtelenül lassan alakulhat ki. Véges mértékű terjeszkedés esetén hőmérséklet-gradiensek jelennek meg.
4. Adiabatikus (adiabatikus) folyamat
Ez egy folyamat, amely a környező testekkel való hőcsere nélkül zajlik le. Vegyük fontolóra, hogy milyen feltételek mellett valósulhat meg az adiabatikus folyamat, vagy megközelítheti azt.
1. Adiabatikus héj szükséges. amelynek hõvezetõképessége nulla. Egy ilyen héj közelítése a Dewar hajó.
2. 2. eset - a folyamatok nagyon gyorsan haladnak. A hőnek nincs ideje elterjedni, és egy ideig lehet feltételezni.
3. A nagyon nagy mennyiségű gázban zajló folyamatok. például a légkörben (a ciklonok, anticiklonok régiója). A hőmérséklet kiegyenlítéséhez a hőátadásnak szomszédos, hevített levegőrétegekből kell állnia, ami gyakran sok időt vesz igénybe.
Az adiabatikus folyamathoz a termodinamika első törvénye:
Gázkiemelés esetén (a hőmérséklet csökken). Ha van gázcsomagolás, akkor (a hőmérséklet emelkedik). A gáz paramétereit az adiabatikus folyamatban levő egyenletből származtatjuk. Vegyük figyelembe, hogy az ideális gáz, akkor
Az egyenlet mindkét oldalát megosztjuk:
Integráljuk ezt az egyenletet:
Mivel az adiabat diagramja meredekebb, mint az izoterma. Számítsuk ki az adiabatikus folyamat alatt végzett munkát:
Ez azoknak a folyamatoknak a neve, amelyek egyenleteinek formája van
ahol n egy tetszőleges szám, mind pozitív, mind negatív, és egyenlő nullával. A megfelelő görbét polytrope-nak nevezik. Különösen a folyamatok adiabatikusak, izotermikusak, izobárikusak és izokorikusak.
Kérdések az önkontrollhoz
Hogyan különböznek a molekuláris kinetikától a rendszerek tulajdonságainak vizsgálatára szolgáló termodinamikai módszer?
Az energiarendszer melyik részét nevezik belsőnek?
Hogyan határozható meg a munka a termodinamikában?
Mi az úgynevezett hőmennyiség?
Az A, Q, U mennyiségek közül melyik a termodinamikai rendszer állapotának függvénye? Miért?
Formálja a termodinamika első törvényét.
Írja le a termodinamika első törvényét az ideális gáz minden ismert izoprocesszusára vonatkozóan.
Mi a test hőteljesítménye? Mi a különbség a fajlagos és a moláris hő kapacitás között?
Mekkora az egyes izoprocesszorok hőteljesítménye? Miért hő kapacitás?
Kapjon kifejezést minden munkához. Mi az a folyamat, amiért nem dolgozunk?
Milyen folyamatot neveznek adiabatikusnak? Hogyan valósítható meg az adiabatushoz közeli folyamat?
Végezzük el a Poisson-egyenlet származtatását az adiabatikus folyamathoz.
A termodinamika második törvénye
terv
Megfordítható és visszafordíthatatlan folyamatok. Körfolyamat (ciklus). Az egyensúlyi állapotok és folyamatok.
A Carnot ciklus és hatékonysága az ideális gáz számára. A termikus mozgás maximális hatékonysága.
Hőmotorok és hűtőgépek.
Az entrópia. A növekvő entrópia törvénye.
Statisztikai súly (termodinamikai valószínűség). A termodinamika második törvénye és statisztikai értelmezése.
1. Megfordítható és visszafordíthatatlan folyamatok
Hagyja, hogy egy elszigetelt rendszerben lévő folyamat eredményeként a test az A állapotból a B állapotba menjen, majd visszatérjen az A kezdeti állapotba. A folyamatot visszafordíthatónak nevezik. ha lehetséges, hogy az inverz átmenetet B-ről A-ra végezzük ugyanazon köztes állapotok között, mint a közvetlen folyamatban. így nincs változás a testben és a környező testekben. Ha a fordított folyamat lehetetlen, vagy amikor a folyamatot a környező testekben és a testben megváltoztatják, a folyamat visszafordíthatatlan.
Példák a visszafordíthatatlan folyamatokra. A súrlódással járó bármely folyamat visszafordíthatatlan (a súrlódás során felszabaduló hő nem gyűjthető össze egy másik test munkája nélkül, és újra munkába áll). Minden folyamat, amelyet a fűtött testről kevésbé melegített hőátadás kísér, visszafordíthatatlan (például hővezetés). A visszafordíthatatlan folyamatok közé tartozik a diffúzió, viszkózus áramlás. Minden visszafordíthatatlan folyamat egyáltalán nem.
Az egyensúly - ezek olyan folyamatok, amelyek az egyensúlyi állapotok sorozata. Az egyensúlyi állapot olyan állapot, amelyben külső hatások nélkül a szervezet olyan hosszú ideig tart, amennyire a kívánt. (. Szigorúan véve, az egyensúlyi folyamat csak akkor lehet végtelenül lassú Bármilyen valós folyamatok a természetben előforduló véges sebességgel és kíséri energiaelnyelő folyamatok Váltvaforgató -. Idealizációt amikor visszafordíthatatlan folyamatokat figyelmen kívül hagyható.).
Körfolyamat (ciklus). Ha az A állapotból a B állapotba tartozó test áthalad néhány közbenső állapoton, de visszatér az A kezdeti állapotba más köztes állapotokon keresztül, akkor körkörös folyamat zajlik le. vagy ciklus.
A körfolyamat visszafordítható. ha minden része visszafordítható. Ha a ciklus bármely része visszafordíthatatlan, akkor az egész folyamat visszafordíthatatlan.
Van egy közvetlen ciklus, vagy egy ciklus a hőmotor és a fordított ciklus. vagy egy hűtőgép ciklusa (a 3. kérdésben).
A ciklusonként végzett munka megegyezik a test által a bővítés során kapott hőmennyiség és a tömörítés során felszabaduló hőmennyiség közötti különbséggel. A koordinátákon végzett munka megegyezik a ciklus területével (15.1. Ábra):
2. A Carnot ciklus és hatékonysága az ideális gáz számára
(Sadi Carnot (1796 - 1832) - francia fizikus).
A Carnot ciklus a következő. Először is, a rendszer hőmérséklettel érintkezik a fűtéssel. Ezután fokozatosan lassan csökkenti a külső nyomást, az 1-2. Ezzel egyidejűleg a fűtéstől hő érkezik, és a külső nyomás ellen működik.
A munkaciklus két egyensúlyi izoterm és két egyensúlyi adiabátból áll (15.2. Ábra). A gépben, feltételezve, nincs súrlódás, hővezetés stb. Veszteség. Két hőtároló van csatlakoztatva a géphez. Az egyiket a hõmérséklet egy fûtõnek nevezik. Egy másik alacsony hőmérsékletű hűtőszekrény (vagy hűtőborda). A tározók annyira nagyok, hogy a hővisszatérés vagy átvétel nem változtatja meg a hőmérsékletüket.
Ezután a rendszert adiabatikusan elkülönítjük és a 2-es adiabat mentén kiterjesztjük, míg hőmérséklete el nem éri a hűtőszekrény hőmérsékletét. Adiabatikus terjeszkedéssel a rendszer a külsõ nyomás ellen is mûködik. A 3. állapotban a rendszert hozzuk hőérintke hűtővel és folyamatos nyomásnövekedés izoterm tömöríteni, hogy az állam a 4. Ebben az esetben az elvégzett munka a rendszer (vagyis maga a rendszer nem negatív munka), és ez ad egy bizonyos mennyiségű hőt hűtőszekrény. A 4 állapot úgy van megválasztva, hogy az adiabatikus 4 - 1 rendszer visszaállítható eredeti állapotába. Ehhez a rendszernek készen kell lennie (a rendszer negatív munkát eredményez). Carnot körfolyamatának eredményeként a rendszer belső energiája nem változik. ezért a munka
Számítsa ki egy ideális hőmotor hatékonyságát. dolgozik a Carnot ciklusban. Ez az érték megegyezik a megmunkált hő mennyiségének arányával. a fűtőtestből érkező hőmennyiséghez.
A ciklusonkénti hasznos munka megegyezik a ciklus egyes részeinek összes munkájának összegével:
Izotermikus terjeszkedés:
A ciklus adiabatikus részei nem befolyásolják a teljes eredményt, mert A munkájuk egyenlő és ellentétes a jelben, ezért.
Mivel a gáz államok ismertetett 2. és 3. pontban hazugság ugyanazon adiabatikus, a gáz kapcsolódó paraméterek Poisson egyenletet:
Hasonlóképpen a 4. és az 1. pont esetében:
Ezeket az egyenleteket a következőképpen osztjuk el:
, akkor az (1) -ből megkapjuk
Vagyis a Carnot ciklus hatékonyságát csak a fűtés és a hűtőszekrény hőmérséklete határozza meg.
Carnot-tétel (bizonyítás nélkül): Hatékonyság váltvaforgató üzemelő gépekkel ugyanazon hőmérsékleten a fűtő és hűtő azonos, és határozza meg csak a fűtőelem és a hűvösebb hőmérséklet.
Megjegyzés: A tényleges hõmotor hatékonysága mindig alacsonyabb. mint egy ideális hõmotor hatékonysága (egy igazi gépben vannak olyan hõveszteségek, amelyeket nem veszik figyelembe az ideális gép figyelembe vételével).
3. A hőmotor és a hűtő működésének elve
Minden hőmotor 3 fő részből áll. munkatestet, fűtőtestet és hűtőszekrényt.
A munkaterület bizonyos mennyiségű hőt kap a fűtőtesttől. Sűrített állapotban a gáz bizonyos mennyiségű hőt szállít a hűtőszekrénybe. A kapott munka. a motor ciklusonként végrehajtva:
(egyenlőtlenség - a valódi gépeket jellemzi, egyenlő az ideális gépekhez).
(Megjegyzés: a tényleges hő motorok általában működnek úgynevezett nyitott hurok, ha a gáz expanziója után lemerült szerződött egy új darab, de ez nem befolyásolja jelentősen a termodinamika a folyamat zárt ciklusban kitágul és összehúzódik, ugyanaz a darab .....).
Hűtőgép. A Carnot-ciklus reverzibilis, ezért fordított irányban hajtható végre. (4-3-2-1-4 (15.3 ábra)) A hőt a hűtő kamrából abszorbeálják.
A fűtő egy bizonyos mennyiségű hőt kap a munkaeszközről. A külső erők végezték a munkát
A ciklus eredményeként a hideg testről a szervezetre hőt viszünk fel magasabb hőmérsékletre.
Tulajdonképpen munkafolyadékot a hűtőrendszer jellemzően alacsony forráspontú folyadékok párokat - .. Ammónia, freon, stb A gépet az energia
elektromos hálózat. Ennek az energianak köszönhetően a "hőátadás" folyamata a hűtő kamrából a fűtött testekre (a környezetre) kerül sor.
A hűtőegység hatékonyságát a hűtési együttható alapján becsüljük meg:
Hőszivattyú. Ez a folyamatosan működő gép, amely annak köszönhető, hogy a költségek munka (villamos) hőt von el a forrás alacsony hőmérsékleten (általában a környezeti hőmérséklet közelében), valamint továbbítja a hőforrás a magasabb hőmérsékleten a hőmennyiség egyenlő a hőmennyiséget megválaszthatjuk alacsony hőmérsékletű forrás és fordított Company :.