Количество теплоты первое начало термодинамики. Первое начало термодинамики -объяснение этого закона и практические примеры. Изменение энергии системы
Для систем, в к-рых существ, значение имеют тепловые процессы (поглощение или
выделение тепла). Согласно первому началу термодинамики , термодинамич. система (напр., пар в тепловой
машине) может совершать работу только за счет своей внутр. энергии или к.-л.
внеш. источника энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования
вечного двигателя первого рода, к-рый совершал бы работу, не черпая энергию
из нек-рого источника.
П
ервое начало термодинамики вводит представление
о внутренней энергии системы как ф-ции состояния. При сообщении системе
нек-рого кол-ва теплоты Q происходит изменение внутр. энергии системы
DU и система совершает работу А:
DU = Q + А.
П
ервое начало термодинамики утверждает, что
каждое состояние системы характеризуется определенным значением внутр. энергии
U, независимо от того, каким путем приведена система в данное состояние.
В отличие от значений U значения A и Q зависят от процесса,
приведшего к изменению состояния системы. Если начальное и конечное состояния
a
и b бесконечно близки (переходы между такими состояниями наз.
инфи-нитезимальными процессами), первое начало термодинамики записывается в виде:
Это означает, что бесконечно
малое изменение внутр. энергии dU является полным дифференциалом ф-ции
состояния,
т.е. интеграл
= U b
- U a , тогда как бесконечно малые кол-ва теплоты
и работы
не являются дифференц. величинами, т.е. интегралы от этих бесконечно малых величин
зависят от выбранного пути перехода между состояниями а и b (иногда
их наз. неполными дифференциалами).
Из общего кол-ва работы,
производимой системой объема У, можно выделить работу обратимого изотермич.
расширения под действием внеш. давления p e , равную p e V,
и все остальные виды работы, каждый из к-рых можно представить произведением
нек-рой обобщенной силы ,
действующей на систему со стороны окружающей среды , на обобщенную координату
x i , изменяющуюся под воздействием соответствующей обобщенной
силы. Для инфинитези-мального процесса
П
ервое начало термодинамики позволяет рассчитать
макс. работу, получаемую при изотермич. расширении идеального газа , изотермич.
испарении жидкости при пост. давлении , устанавливать законы адиабатич. расширения
газов и др. Первое начало термодинамики является основой термохимии , рассматривающей системы,
в к-рых теплота поглощается или выделяется в результате хим. р-ций, фазовых
превращ. или растворения (разбавления р-ров).
Если система обменивается
со средой не только энергией, но и в-вом (см. Открытая система), изменение
внутр. энергии системы при переходе из начального состояния в конечное включает
помимо работы А и теплоты Q еще и т. наз. энергию массы Z. Бесконечно
малое кол-во энергии массы в инфинитезимальном процессе определяется хим. потенциалами
m
k каждого из компонентов системы :
=
, где dN k - бесконечно малое изменение числа молей k-гo
компонента в результате обмена со средой.
В случае квазистатич. процесса,
при к-ром система в каждый момент времени находится в равновесии с окружающей
средой , первое начало термодинамики в общем виде имеет след. мат. выражение:
где p и m k равны соответствующим значениям для
Изменение состояния любого тела или системы тел, вообще говоря, сопровождается работой, произведенной этой системой, или работой, совершаемой над ней внешними силами. Эта работа может быть выражена через параметры, определяющие состояние системы.
Если, как мы уже знаем, состояние тела определяется двумя из трех параметров то в общем случае изменение любого из них должно сопровождаться внешней работой.
Так, например, изменение температуры газа, т. е. его нагревание или охлаждение, может быть осуществлено в результате затраты механической работы извне (нагревание) или за счет работы, произведенной против внешних сил (охлаждение).
Эта механическая работа совершается при сжатии газа внешней силой, когда газ нагревается, или при расширении газа, когда он сам производит работу, охлаждаясь при этом. Изменение объема газа может быть произведено и без изменения его температуры (см. ниже), тогда соответственно требуется меньшая работа.
Но, как было указано, состояние газа (или других тел) можно изменить, сообщив ему или, наоборот, отняв от него некоторое количество теплоты, т. е. приведя его в «контакт» с более нагретым или более холодным телом.
Какая работа будет совершена при этом способе изменения состояния? Ответ на этот вопрос дает закон сохранения энергии. Если газу (или другому телу) сообщено некоторое количество теплоты то при этом, вообще говоря, совершается работа и изменяется его внутренняя энергия на
Закон сохранения энергии гласит: работа, совершаемая системой, равна разности между количеством теплоты, Сообщаемой системе, и изменением ее внутренней энергии:
Это уравнение выражает важнейший закон природы, закон сохранения энергии применительно к механической и тепловой энергии. Этот закон получил название первого начала термодинамики.
Работа при изменении объема газа. Нетрудно вычислить работу, связанную с расширением или сжатием газа, т. е. с изменением его объема. Представим себе, что газ находится в цилиндре, который закрыт подвижным поршнем, имеющим площадь 5 (рис. 31). Пусть под действием приложенной внешней силы поршень опустился на расстояние сжав при этом газ. Газ будет сжиматься до тех пор, пока сила не уравновесится силой, действующей на поршень со стороны газа и равной где давление газа. Работа затраченная на перемещение поршня на расстояние равна, очевидно, Но есть не что иное, как изменение объема газа при сжатии, т. е.
Наоборот, при расширении газа, т. е. при увеличении объема на газ сам совершает работу против внешних сил, равную
Изменение объема газа сопровождается работой, равной произведению давления, под которым находится газ, на изменение его объема.
Формула (23.2) верна не только для газа, но и для любых тел. Если при изменении состояния тела внешняя работа совершается только за счет изменения объема, то первое начало термодинамики можно написать в виде:
Возможны случаи, когда изменение состояния тел сопровождается изменением электрических, магнитных или других параметров, тогда к правой части уравнения следует добавить
соответствующие слагаемые: электрическую, магнитную и другие виды энергии. Мы ограничимся здесь рассмотрением изменения только параметров и
Можно вычислить внешнюю работу и в том случае, когда изменение параметров состояния не бесконечно мало.
Если тело переходит из состояния в состояние 2, то связанная с этим работа А определяется путем интегрирования уравнения (23.2):
Этот днтеграл можно определить графически. Действительно, состояние тела, как было указано, характеризуется точкой на кривой Поэтому, если зависимость построена графически, например, если эта зависимость выражается кривой на рис, 32, то
равен заштрихованной площади под этой кривой.
Если переход из состояния в состояние 2 происходит так, что изменение давления с объемом изображается кривой то связанная с этим переходом работа будет другой.
Внешняя работа, произведенная телом (или над ним) при изменении его объема, зависит от последовательности состояний, которую проходит тело от начального в конечное состояние.
Что касается внутренней энергии то она зависит только от состояния тела и ее изменение не зависит от промежуточных состояний, в которых тело пребывало.
Поэтому уравнение (23.3) может быть переписано в виде:
где значения внутренней энергии тела в состояниях 1 и 2 соответственно.
В частном случае, если тело в результате всех изменений состояния вернулось в исходное состояние, т. е. то в этом случае говорят, что процесс изменения состояния - круговой, или циклический. Графически такой процесс изображается замкнутой кривой (рис. 33), и работа, при этом совершаемая (или затраченная), определяется заштрихованной площадью.
Очевидно, если работа
за цикл положительна, т. е. само тело совершило работу против внешних сил, то это означает, что оно получило извне равное количество теплоты Если же эта работа А за цикл отрицательна, т. е. над телом была совершена работа внешними силами, то при этом выделилось равное ей количество теплоты
Таким образом, при циклическом процессе
Читателя не должен смущать необычный вид кривой на рис. 32 и 33, когда на некоторых ее участках давление возрастает при увеличении объема. «Обычная» зависимость, при которой давление обратно пропорционально объему газа, наблюдается только при постоянной температуре, т. е. при изотермическом процессе. Рассматриваемый же нами процесс изменения объема газа относится к случаю, когда газу сообщается или от него отнимается некоторое количество теплоты и над ним совершается (или он сам совершает) работа, и на разных стадиях изменения объема температура газа разная.
Ничего нет удивительного в том, что одновременно с расширением (поднятием поршня) газ может за счет источника тепла настолько повысить свою температуру, что его давление, несмотря на увеличение объема, повысится (и наоборот, при сжатии газ может отдать тепло более холодному телу, и его давление понизится).
Этим объясняется и то обстоятельство, что при переходе из одного и того же начального состояния в одно и то же конечное состояние но через различные промежуточные состояния работа получается разной и, следовательно, при круговом процессе она не равна нулю. Именно на этом основана работа всех тепловых машин (двигателей).
Едва ли нужно подчеркивать, что никакая положительная работа не может быть произведена телом, если в течение всего кругового процесса температура тела неизменна (т. е. если процесс изотермический). В газе, очевидно, такой изотермический круговой процесс вообще невозможен, так как, если изменение давления с объемом происходит вдоль изотермы, то вернуться в исходное состояние можно только вдоль той же изотермы; но такой процесс нельзя назвать круговым в упомянутом выше смысле.
Квазистатическиё процессы. При выводе уравнения (23.2) для работы газа, связанной с изменением его объема, молчаливо предполагалось, что в течение всего процесса изменения объема давление
в каждый момент времени одинаково во всех точках газа. В противном случае значение давления было бы совершенно неопределенно. Между тем обеспечить такое постоянство давления во всем объеме газа (как, впрочем, и любого тела) в процессе его расширения или сжатия вовсе не так просто.
Если расширение или сжатие газа происходит быстро, то давления в разных его частях не успевают выравниваться. Под действием разности давлений возникают течения газа с различными скоростями в разных точках, в частности "и вихревые течения. Эти движения требуют для своего создания некоторой работы. Кроме того, разные части газа могут при этом иметь разные температуры и плотности.
Словом, при быстром изменении объема газ не находится в состоянии равновесия. Для того чтобы в процессе изменения своего объема (или другой величины, характеризующей состояние) газ находился в равновесии, необходимо, чтобы этот процесс протекал весьма медленно, в пределе - бесконечно медленно. В этом случае все отклонения от равновесия будут успевать исчезать, газ будет проходить через ряд состояний равновесия, переходящих одно в другое.
Такие процессы называются квазистатическими, потому что при этом в каждый данный момент состояние газа мало отличается от статического состояния, при котором параметры состояния одинаковы во всем объеме. Ясно, что только квазистатические процессы можно графически представить в виде кривых, подобных, например, приведенным на рис. 32 или рис. 4 (стр. 33). Неквазистатический процесс изобразить нельзя. Уравнением (23.2) и следствиями из него можно пользоваться только для квазистатических процессов. (Подробнее об этом см. гл. VI.)
Если процесс изменения объема, т. е. сжатие или расширение газа, происходит неквазнстатически, то совершенная при сжатии или расширении работа будет меньше, чем при процессе квазистатическом. Это можно понять из следующих соображений. Представим себе, что газ в сосуде с поршнем (см. рис. 31) находится сначала в равновесии; это значит, что давление газа внутри сосуда равно внешнему давлению. Пусть под действием тех или иных причин газ стал расширяться (неквазнстатически), т. е. поршень стал перемещаться вверх. Значит, внешнее давление стало меньше равновесного давления следовательно, внешняя работа
Соответственно при неквазистатическом сжатии газа внешнее давление больше равновесного и поэтому работа (на этот раз она отрицательная)
И только при квазистатическом процессе внешнее давление бесконечно мало отличается от равновесного и, следовательно, работа, произведенная в этом случае, наибольшая.
Более того, газ может расширяться, вовсе не совершив никакой внешней работы. Такой случай можно осуществить, соединив друг с другом два сосуда, из которых один наполнен газом, а другой пустой. Тогда газ перетечет из первого сосуда во второй и займет, следовательно, больший объем. Но при этом никакой работы (внешней) не будет совершено (ибо нет никаких внешних сил, против которых эта работа могла совершаться). Это так называемый процесс расширения в пустоту (см. стр. 125). И действительно, в течение всего этого процесса газ не находится в равновесии (как бы медленно он ни протекал).
Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений.
Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.
Любой равновесный процесс является обратимым. Обратимость равновесного процесса, происходящего в системе, следует из того, что ее любое промежуточное состояние есть состояние термодинамического равновесия; независимо от того идет ли процесс в прямом или в обратном направлении. Реальные процессы сопровождаются рассеянием энергии (из-за трения, теплопроводности и т.д.), которая нами не рассматривается. Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов. Их рассмотрение важно по 2-м причинам: 1) многие процессы в природе и технике практически обратимы; 2) обратимые процессы являются наиболее экономичными; имеют максимальный термический коэффициент полезного действия, что позволяет указать пути повышения КПД реальных тепловых двигателей.
Работа газа при изменении его объема.
Работа совершается только тогда, когда изменяется объем.
Найдем в общем виде внешнюю работу, совершаемую газом при изменении его объема. Рассмотрим, например, газ, находящийся под поршнем в цилиндрическом сосуде. Если газ, расширяясь, передвигает поршень на бесконечно малое расстояние dl, то производит над ним работу
A=Fdl=pSdl=pdV, где S-площадь поршня, Sdl=dV-изменение объема системы. Таким образом, A= pdV.(1)
Полную работу А, совершаемую газом при изменении его объема от V1 до V2, найдем интегрированием формулы (1): A= pdV(от V1 до V2).(2)
Результат интегрирования определяется характером зависимости между давлением и объемом газа. Найденное для работы выражение (2) справедливо при любых изменениях объема твердых, жидких и газообразных тел.
П
Полная
работа газа будет равна площади фигуры,
ограниченной осью абсцисс, кривой и
значениями V1,V2.
Графически можно изображать только равновесные процессы – процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний. Они протекают так, что изменение термодинамических параметров за конечный промежуток времени бесконечно мало. Все реальные процессы неравновесны (они протекают с конечной скоростью), но в ряде случаев их неравновесностью можно пренебречь (чем медленнее процесс протекает, тем он ближе к равновесному).
Первое начало термодинамики.
Существует 2 способа обмена энергией между телами:
передача энергии через перенос тепла (посредством теплопередачи);
через совершение работы.
Таким образом, можно говорить о 2-х формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения, и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии; применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики:
∆U=Q-A или Q=∆U+A.(1)
Т.е, теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил. Это выражение в дифференциальной форме будет иметь вид Q=dU+A(2) , где dU- бесконечно малое изменение внутренней энергии системы, A- элементарная работа, Q – бесконечно малое количество теплоты.
Из формулы (1) следует, что в СИ количество теплоты выражается в тех же единицах, что работа и энергия, т.е. в джоулях(Дж).
Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии ∆U=0. Тогда, согласно 1-му началу термодинамики, A=Q,
Т.е вечный двигатель первого рода – периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия, - невозможен (одна из формулировок 1-го начала термодинамики).
Применение 1-го начала термодинамики к изопроцессам и к адиабатическому процессу.
Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выделяются изопроцессы, при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным.
Изохорный процесс (V = const )
При таком процессе газ не совершает работы над внешними телами, т.е A=pdV=0.
Тогда, из 1-го начала термодинамики следует, что вся теплота, переданная телу, идет на увеличение его внутренней энергии: Q=dU. Зная, что dU m =C v dT.
Тогда для произвольной массы газа получим Q= dU=m\M* C v dT.
Изобарный процесс (p = const ).
При этом процессе работа газа при увеличении объема от V1 до V2 равна A= pdV(от V1 до V2)=p(V2-V1) и определяется площадью фигуры, ограниченной осью абсцисс, кривой p=f(V) и значениями V1,V2. Если вспомнить ур-е Менделеева-Клапейрона для выбранных нами 2-х состояний, то
pV 1 =m\M*RT 1 , pV 2 =m\M*RT 2 , откуда V 1 - V 2 = m\M*R\p(T 2 - T 1). Тогда выражение для работы изобарного расширения примет вид A= m\M*R(T 2 - T 1)(1.1).
При изобарном процессе при сообщении газу массой m количества теплоты
Q=m\M*C p dT его внутренняя энергия возрастает на величину dU=m\M*C v dT. При этом газ совершает работу, определяемую выражением (1.1).
Изотермический процесс (T = const ).
Этот процесс описывается законом Бойля-Мариотта: pV=const.
Найдем работу изотермического расширения газа: A= pdV(от V1 до V2)= m/M*RTln(V2/V1)=m/M*RTln(p1/p2).
Т.к при Т=const внутренняя энергия идеального газа не изменяется: dU=m/M* C v dT=0, то из 1-го начала термодинамики (Q=dU+A) следует, что для изотермического процесса Q=A, т.е все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил: Q=A=m/M*RTln(p1/p2)=m/M*RTln(V2
Следовательно, чтобы при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения.
Внутренняя энергия может изменяться за счет в основном двух различных процессов: совершения над телом работы А и сообщения ему количества тепла Q. Совершение работы сопровождается перемещением внешних тел, воздействующих на систему. Так, например, при вдвигании поршня, закрывающего сосуд с газом, поршень, перемещаясь, совершает над газом работу Л. По третьему закону. Ньютона газ при этом совершает над поршнем работу
Сообщение газу тепла не связано с перемещением внешних тел и, следовательно, не связано с совершением над газом макроскопической (т. е. относящейся ко всей совокупности молекул, из которых состоит тело) работы. В этом случае изменение внутренней энергии обусловлено тем, что отдельные молекулы более нагретого тела совершают работу над отдельными молекулами тела, нагретого меньше. Передача энергии происходит при этом также через излучение. Совокупность микроскопических (т. е. захватывающих не все тело, а отдельные его молекулы) процессов, приводящих к передаче энергии от тела к телу, носит название теплопередачи.
Подобно тому как количество энергии, переданное одним телом другому, определяется работой А, совершаемой друг над другом телами, количество энергии, переданное от тела к телу путем теплопередачи, определяется количеством тепла Q, отданного одним телом другому. Таким образом, приращение внутренней энергии системы должно быть равно сумме совершенной над системой работы А и количества сообщенного системе тепла
Здесь - начальное и конечное значения внутренней энергии системы. Обычно вместо работы А, совершаемой внешними телами над системой, рассматривают работу А (равную -А), совершаемую системой над внешними телами. Подставив -А вместо А и разрешив уравнение (83.1) относительно Q, получим:
Уравнение (83.2) выражает закон сохранения энергии и представляет собой содержание первого закона (начала) термодинамики. Словами его можно выразить следующим образом: количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.
Сказанное отнюдь не означает, что всегда при сообщении тепла внутренняя энергия системы возрастает. Может случиться, что, несмотря на сообщение системе тепла, ее энергия не растет, а убывает . В этом случае согласно (83.2) , т. е. система совершает работу как за счет получаемого тепла Q, так и за счет запаса внутренней энергии, убыль которой равна . Нужно также иметь в виду, что величины Q и А в (83.2) являются алгебраическими означает, что система в действительности не получает тепло, а отдает).
Из (83.2) следует, что количество тепла Q можно измерять в тех же единицах, что и работу или энергию. В СИ единицей количества тепла служит джоуль.
Для измерения количества тепла применяется также особая единица, называемая калорией. Одна калория равна количеству тепла, необходимому для нагревания 1 г воды от 19,5 до 20,5 °С. Тысяча калорий называется большой калорией или килокалорией.
Опытным путем установлено, что одна калория эквивалентна 4,18 Дж. Следовательно, один джоуль эквивалентен 0,24 кал. Величина называется механическим эквивалентом тепла.
Если величины, входящие в (83.2), выражены в разных единицах, то некоторые из этих величии нужно умножить на соответствующий эквивалент. Так, например, выражая Q в калориях, a U и А в джоулях, соотношение (83.2) нужно записать в виде
В дальнейшем мы будем всегда предполагать, что Q, А и U выражены в одинаковых единицах, и писать уравнение первого начала термодинамики в виде (83.2).
При вычислении совершенной системой работы или полученного системой тепла обычно приходится разбивать рассматриваемый процесс на ряд элементарных процессов, каждый из которых соответствует весьма малому (в пределе - бесконечно малому) изменению параметров системы. Уравнение (83.2) для элементарного процесса имеет вид
где - элементарное количество тепла, - элементарная работа и - приращение внутренней энергии системы в ходе данного элементарного процесса.
Весьма важно иметь в виду, что и нельзя рассматривать как приращения величин Q и А.
Соответствующее элементарному процессу А какой-либо величины можно рассматривать как приращение этой величины только в том случае, если соответствующая переходу из одного состояния в другое, не зависит от пути, по которому совершается переход, т. е. если величина f является функцией состояния. В отношении функции состояния можно говорить о ее «запасе» в каждом из состояний. Например, можно говорить о запасе внутренней энергии, которым обладает система в различных состояниях.
Как мы увидим в дальнейшем, величина совершенной системой работы и количество полученного системой тепла зависят от пути перехода системы из одного состояния в другое. Следовательно, ни Q, ни А не являются функциями состояния, в силу чего нельзя говорить о запасе тепла или работы, которым обладает система в различных состояниях.
Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии, один из всеобщих законов природы (наряду с законами сохранения импульса, заряда и симметрии):
Энергия неуничтожаема и несотворяема; она может только переходить из одной формы в другую в эквивалентных соотношениях.
Первое начало термодинамики представляет собой постулат - оно не должна быть доказано логическим путем или выведено из каких-либо более общих положений. Истинность этого постулата подтверждается тем, что ни одно из его следствий не находится в противоречии с опытом. Приведем еще некоторые формулировки первого начала термодинамики:
Полная энергия изолированной системы постоянна;
Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).
Первое начало термодинамики устанавливает соотношение между теплотой Q, работой А и изменением внутренней энергии системы ∆U:
Изменение внутренней энергии системы равно количеству сообщенной системе теплоты минус количество работы, совершенной системой против внешних сил.
∆U = Q-A (1.1)
dU = δQ-δA (1.2)
Уравнение (1.1) является математической записью 1-го начала термодинамики для конечного, уравнение (1.2) - для бесконечно малого изменения состояния системы.
Внутренняя энергия является функцией состояния; это означает, что изменение внутренней энергии ∆U не зависит от пути перехода системы из состояния 1 в состояние 2 и равно разности величин внутренней энергии U 2 и U 1 в этих состояниях:
∆U = U 2 -U 1 (1.3)
Следует отметить, что определить абсолютное значение внутренней энергии системы невозможно; термодинамику интересует лишь изменение внутренней энергии в ходе какого-либо процесса.
Рассмотрим приложение первого начала термодинамики для определения работы, совершаемой системой при различных термодинамических процессах (мы будем рассматривать простейший случай - работу расширения идеального газа).
Изохорный процесс (V = const; ∆V = 0).
Поскольку работа расширения равна произведению давления и изменения объёма, для изохорного процесса получаем:
Изотермический процесс (Т = const).
Из уравнения состояния одного моля идеального газа получаем:
δА = PdV = RT(I.7)
Проинтегрировав выражение (I.6) от V 1 до V 2 , получим
A=RT= RTln= RTln(1.8)
Изобарный процесс (Р = const).
Q p = ∆U + P∆V (1.12)
В уравнении (1.12) сгруппируем переменные с одинаковыми индексами. Получаем:
Q p = U 2 -U 1 +P(V 2 -V 1) = (U 2 + PV 2)-(U 1 +PV 1) (1.13)
Введем новую функцию состояния системы - энтальпию Н, тождественно равную сумме внутренней энергии и произведения давления на объём: Н = U + PV. Тогда выражение (1.13) преобразуется к следующему виду:
Q p = H 2 -H 1 = ∆H (1.14)
Т.о., тепловой эффект изобарного процесса равен изменению энтальпии системы.
Адиабатический процесс (Q = 0, δQ = 0).
При адиабатическом процессе работа расширения совершается за счёт уменьшения внутренней энергии газа:
A = -dU=C v dT (1.15)
В случае если Сv не зависит от температуры (что справедливо для многих реальных газов), работа͵ произведённая газом при его адиабатическом расширении, прямо пропорциональна разности температур:
A = -C V ∆T (1.16)
Задача №1. Найти изменение внутренней энергии при испарении 20 г этанола при температуре его кипения. Удельная теплота парообразования этилового спирта при этой температуре составляет 858,95 Дж/г, удельный объём пара – 607 см 3 /г (объемом жидкости пренебречь).
Решение:
1. Вычислим теплоту испарения 20 г этанола: Q=q уд ·m=858,95Дж/г·20г = 17179Дж.
2. Вычислим работу по изменению объёма 20 г спирта при переходе его из жидкого состояния в парообразное: A= P∆V,
где Р – давление паров спирта͵ равно атмосферному, 101325 Па (т.к. всякая жидкость кипит, когда давление ее паров равно атмосферному).
∆V=V 2 -V 1 =V ж -V п, т.к. V ж << V п, то объмом жидкости можно пренебречь и тогда V п =V уд ·m. Cледовательно, А=Р·V уд ·m. А=-101325Па·607·10 -6 м 3 /г·20г=-1230 Дж
3. Вычислим изменение внутренней энергии:
∆U=17179Дж – 1230 Дж = 15949 Дж.
Поскольку ∆U>0, то следовательно при испарении этанола происходит увеличение внутренней энергии спирта.
Первое начало термодинамики - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Первое начало термодинамики" 2017, 2018.
Свойства тел при их механическом и тепловом взаимодействия друг с другом достаточно хорошо могут быть описаны на основе молекулярно - кинетической теории. Согласно этой теории все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул или ионов, которые находятся в... .
Внутренняя энергия может изменятся в основном за счёт двух процессов: за счёт работы, совершаемой над системой, и за счёт сообщения системе некоторого количества теплоты. Например, работа изменяется при движении поршня, когда внешние силы совершают работу над газом,... .
. (2)
Здесь под понимается работа, совершаемая телом. Бесконечно малое изменение коли-чества тепла, также как и, не всегда является полным дифференциалом. Согласно определению внутренняя энергия есть однозначная функция состояния термодинами-ческой системы....
Тепловые процессы можно разделить на два основных типа – квазистатические (квази-равновесные) и неравновесные. Квазистатические процессы состоят из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия. Для описания такого процесса можно пользоваться... .
Тема 1.Основы молекулярной физики и термодинамики. Резюме. Все указанные процессы можно рассматривать как частные случаи общего более сложного процесса, при котором давление и объем связаны уравнением. (10) При n = 0 уравнение описывает изобару, при n = 1 –... .
Равновесные процессы в идеальном газе. Теплоемкость идеального газа. 4. Виды равновесных процессов.Определение 1. Внутренней энергией объектаназывают часть его полной энергии за вычетом кинетической энергии движения объекта, как... .
