Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то DU=0 и A=Q, т.е. нельзя построить вечный двигатель, который совершал бы большую по величине работу, чем количество сообщенной ему извне энергии.
По форме обмена энергией можно выделить три вида систем:
1) изолированные (dQ=0, dA=0),
2) теплоизолированные (адиабатические) (dQ=0, dA¹0),
3) тепловые резервуары (dA=0, dQ¹0).
2.2. Работа газа при изменении его объема
Найдем работу, совершаемую газом при изменении его объема. Рассмотрим газ, находящийся под поршнем в цилиндрическом сосуде (рис. 17).
Если газ, расширяясь, передвигает поршень на расстояние dx, то он производит работу против сил внешнего давления ре
,
где S - площадь поршня, dV - изменение объема газа. Полная работа А12 , совершаемая газом при изменении его объема от V1 до V2
.
Если процесс расширения газа является равновесным, т.е. идущим без перепадов давлений и температур, то работа может быть вычислена через давление самого газа (ре=р). Графически работа газа равна площади под кривой процесса в диаграмме PV (рис.18). Если газ совершает круговой процесс (цикл), то работа будет равна площади цикла.
Работа газа при изопроцессах:
1. Изохорический
V=const, dV=0, A12=0.
2. Изотермический
T=const, .
3. Изобарический
P=const,
2.3. Теплоемкость
Теплоемкость тела или системы - скалярная физическая величина, характеризующая процесс теплообмена и равная количеству тела, полученному системой при изменении его температуры на один кельвин.
Теплоемкость можно отнести к одному молю или к единице
массы вещества. Соответствующие теплоемкости называются молярной Сm или удельной с. Единицами измерения
теплоемкостей являются: полной –Дж/К, молярной – Дж/(моль)×К, удельной - Дж/кг×К. Зная теплоемкости можно вычислить количество тепла,
полученное системой:
Q=CDT, Q=nCmDT, Q=cMDT.
Теплоемкость, как и количество тепла, зависит от вида теплового процесса. Различают теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме, если в процессе нагревания вещества поддерживаются постоянными соответственно давление и объем. Если газ нагревается при постоянном объеме, то работа внешних сил равна нулю и сообщенная газу извне теплота идет на увеличение его внутренней энергии
Используя первое начало термодинамики можно показать, что молярная теплоемкость газа при постоянном объеме CmV и молярная теплоемкость газа при постоянном давлении CmP связаны соотношением: . Это соотношение называется уравнением Майера.
При рассмотрении тепловых процессов важно знать характерное для каждого газа отношение CP к CV:
.
Из последних формул следует, что молярные теплоемкости не зависят от температуры в тех областях, где g = const.
2.4. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Изохорический процесс. (V = const). Газ не совершает работу, т.е. dA=0. Из первого начала термодинамики следует, что вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии:
.
Изобарический процесс (p = const). Теплота, сообщенная газу, идет на приращение внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами
.
Изотермический процесс (T = const). Внутренняя энергия газа не изменяется и все количество тепла, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил:
.
2.5. Адиабатический процесс
Адиабатическим называется процесс, при котором
отсутствует теплообмен
(dQ = 0)
между физической системой и окружающей средой. Близкими к адиабатическим
являются все быстропротекающие процессы. Из первого начала термодинамики для
адиабатического процесса следует, что , т.е. работа совершается за счет убыли
внутренней энергии системы. Используя первое начало термодинамини и соотношение
(44) можно получить уравнения адиабатического процесса
.
Вычислим работу, совершаемую газом в адиабатическом процессе. Если газ расширяется от объема V1 до V2, то его температура падает от T1 до T2 и работа расширения идеального газа
.
Это выражение для работы при адиабатическом процессе можно преобразовать к виду
.
2.6. Обратимые и необратимые процессы. Коэффициент полезного действия теплового двигателя.
К обратимым процессам относятся процессы, после проведения которых в прямом и обратном направлениях в окружающих систему телах не остается никаких изменений. Для обратимых процессов характерно следующее: если в ходе прямого процесса система получила количество тепла Q и совершила работу А, то в ходе обратного процесса система отдает количество тепла Q¢=-Q и над ней совершается работа А¢=-А. К обратимым процессам относятся все равновесные процессы. В случае необратимого процесса, после возвращения системы в исходное состояние, в окружающих систему телах остаются изменения (изменяются положения тел и их температуры). Все реальные процессы в большей или меньшей степени необратимы.
В процессе преобразования тепла в работу используется тепловой двигатель, работающий по какому либо круговому процессу (циклу). Коэффициент полезного действия такого двигателя (термический К.П.Д.) определяет долю тепла, превращаемую в работу.
,
где А - работа, совершенная двигателем за цикл, Q1- количество тепла, полученного двигателем, Q¢2- количество тепла, отданного двигателем в окружающую среду.
Работу теплового двигателя можно представить на диаграмме состояний в виде некоторого теплового кругового процесса (рис.19).
Общая работа А определяется площадью цикла 1а2в1. Если за цикл совершается А>0, то цикл называется прямым, и если А<0, – обратным.
Прямой цикл используется в тепловом двигателе, совершающем работу за счет получения извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой (рис.20).
Важной задачей термодинамики является изучение процессов преобразования тепла в работу и установления возможных границ повышения термического К.П.Д.
2.7. Второе начало термодинамики
Анализ выражения для К.П.Д. показывает, что максимальный К.П.Д. равный 1 возможен, если двигатель все получаемое количество тепла будет преобразовывать в работу. Все опытные факты свидетельствуют о невозможности создания такого двигателя (вечный двигатель второго рода) и это было сформулировано в виде второго начала термодинамики.
«Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара»
Вильям Томсон (лорд Кельвин).
«Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому»
Рудольф Клаузиус.
Второе начало термодинамики не только установило границы преобразования тепла в работу, но и позволило построить рациональную шкалу температур (термодинамическая шкала температур) и установить направление процессов, происходящих в теплоизолированных системах.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
