| ГОСТы, СНиПы Карта сайта TehTab.ru Поиск по сайту TehTab.ru | Навигация по справочнику TehTab.ru: главная страница / / Техническая информация/ / Физический справочник/ / Тепловые величины, включая температуры кипения, плавления, пламени и т.д ……/ / Термодинамика. / / Первый закон термодинамики, внутренняя энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия.
| |||||
Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу. | ||||||
TehTab.ru Реклама, сотрудничество: [email protected] | Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями. | |||||
которые широко используются в описании тепловых систем (heat engines).
Сам по себе объект не обладает «теплом»; соответствующий термин для микроскопической энергии объекта — внутренняя энергия. Внутренняя энергия может увеличиваться путем переноса энергии к объекту от объекта, имеющего температуру выше — этот процесс называется нагревом.
В состоянии термодинамического равновесия энтальпия системы минимальна.
Первый закон термодинамики — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике
Оглавление:
- Темы кодификатора ЕГЭ: работа в термодинамике, первый закон термодинамики, адиабатный процесс.
- Работа газа в изобарном процессе
- Работа газа в произвольном процессе
- Адиабатный процесс
org/ListItem»>
Работа, совершаемая над газомАвтор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: работа в термодинамике, первый закон термодинамики, адиабатный процесс.
Начнём с обсуждения работы газа.
Газ, находящийся в сосуде под поршнем, действует на поршень с силой , где — давление газа, — площадь поршня. Если при этом поршень перемещается, то газ совершает работу.
При расширении газа эта работа будет положительной (сила давления газа и перемещение поршня направлены в одну сторону). При сжатии работа газа отрицательна (сила давления газа и перемещение поршня направлены в противоположные стороны).
Работа газа в изобарном процессе
Предположим, что газ расширяется при постоянном давлении . Тогда сила , с которой газ действует на поршень, также постоянна. Пусть поршень переместился на расстояние (рис. 1).
Рис. 1.
Работа газа равна:
Но — изменение объёма газа. Поэтому для работы газа при изобарном расширении мы получаем формулу:
(1)
Если и — начальный и конечный объём газа, то для работы газа имеем: . Изобразив данный процесс на -диаграмме, мы видим, что работа газа равна площади прямоугольника под графиком нашего процесса (рис. 2).
Рис. 2. Работа газа как площадь
Пусть теперь газ изобарно сжимается от объёма до объёма . С помощью аналогичных рассуждений приходим к формуле:
Но , и снова получается формула (1).
Работа газа опять-таки будет равна площади под графиком процесса на -диаграмме, но теперь со знаком минус.
Итак, формула выражает работу газа при постоянном давлении — как в процессе расширения газа, так и в процессе сжатия.
Работа газа в произвольном процессе
Геометрическая интерпретация работы газа (как площади под графиком процесса на -диаграмме) сохраняется и в общем случае неизобарного процесса.
Действительно, рассмотрим малое изменение объёма газа — настолько малое, что давление будет оставаться приблизительно постоянным. Газ совершит малую работу . Тогда работа газа во всём процессе найдётся суммированием этих малых работ:
Но данный интеграл как раз и является площадью криволинейной трапеции (рис. 3):
Рис. 3. Работа газа как площадь
Работа, совершаемая над газом
Наряду с работой , которую совершает газ по передвижению поршня, рассматривают также работу , которую поршень совершает над газом.
Если газ действует на поршень с силой , то по третьему закону Ньютона поршень действует на газ с силой , равной силе по модулю и противоположной по направлению: (рис.
4).
Рис. 4. Внешняя сила , действующая на газ
Следовательно, работа поршня равна по модулю и противоположна по знаку работе газа:
Так, в процессе расширения газ совершает положительную работу ; при этом работа, совершаемая над газом, отрицательна . Наоборот, при сжатии работа газа отрицательна , а работа, совершаемая поршнем над газом, положительна 0 \right )’ alt=’\left ( {A}’ > 0 \right )’ />.
Будьте внимательны: если в задаче просят найти работу, совершённую над газом, то имеется в виду работа .
Как мы знаем, существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела: теплопередача и совершение работы.
Опыт показывает, что эти способы независимы — в том смысле, что их результаты складываются. Если телу в процессе теплообмена передано количество теплоты , и если в то же время над телом совершена работа , то изменение внутренней энергии тела будет равно:
(2)
Нас больше всего интересует случай, когда тело является газом.
Тогда (где , как всегда, есть работа самого газа). Формула (2) принимает вид: , или
(3)
Соотношение (3) называется первым законом термодинамики. Смысл его прост: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа и на совершение газом работы.
Напомним, что величина может быть и отрицательной: в таком случае тепло отводится от газа. Но первый закон термодинамики остаётся справедливым в любом случае. Он является одним из фундаментальных физических законов и находит подтверждение в многочисленных явлениях и экспериментах.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
Напомним, что в изопроцессе остаётся неизменным значение некоторой величины, характеризующей состояние газа — температуры, объёма или давления. Для каждого вида изопроцессов запись первого закона термодинамики упрощается.
1. Изотермический процесс, .
Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры.
Если температура газа не меняется, то не меняется и внутренняя энергия: . Тогда формула (3) даёт:
Всё подведённое к газу тепло идёт на совершение газом работы.
2. Изохорный процесс, .
Если объём газа остаётся постоянным, то поршень не перемещается, и потому работа газа равна нулю: . Тогда первый закон термодинамики даёт:
Всё тепло, переданное газу, идёт на изменение его внутренней энергии.
3. Изобарный процесс, .
Подведённое к газу тепло идёт как на изменение внутренней энергии, так и на совершение работы (для которой справедлива формула (1)). Имеем:
Адиабатный процесс
Процесс называется адиабатным, если он идёт без теплообмена с окружающими телами.
Адиабатный процесс совершается газом, находящимся в теплоизолированном сосуде. Такой сосуд препятствует всем видам теплопередачи: теплопроводности, конвекции, излучению.
Пример теплоизолированного сосуда — термос.
Приблизительно адиабатным будет всякий процесс, протекающий достаточно быстро: в течение процесса теплообмен просто не успевает произойти.
При адиабатном процессе . Из первого закона термодинамики получаем: , или .
В процессе адиабатного расширения газ совершает положительную работу, поэтому (работа совершается за счёт убыли внутренней энергии). Следовательно, газ охлаждается. Если заставить газ совершить достаточно большую работу, охладить его можно весьма сильно. Именно на этом основаны методы сжижения газов.
Наоборот, в процессе адиабатного сжатия будет , поэтому : газ нагревается. Адиабатное нагревание воздуха используется в дизельных двигателях для воспламенения топлива.
Кривая, изображающая ход адиабатного процесса, называется адиабатой. Интересно сравнить ход адиабаты и изотермы на -диаграмме (рис. 5).
Рис. 5. Сравнительный ход изотермы и адиабаты
В обоих процессах давление убывает с увеличением объёма, но в адиабатном процессе убывание идёт быстрее.
Почему?
При изотермическом расширении давление падает потому, что уменьшается концентрация частиц газа, в результате чего удары частиц по стенкам сосуда становятся реже. Однако интенсивность этих ударов остаётся прежней: ведь температура газа не меняется — значит, не меняется и средняя кинетическая энергия его частиц.
А при адиабатном расширении, наряду с уменьшением концентрации частиц, падает также и температура газа. Удары частиц становятся не только более редкими, но и более слабыми. Вот почему адиабата убывает быстрее изотермы.
Благодарим за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Первый закон термодинамики» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в высшее учебное заведение или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.
Публикация обновлена: 04.01.2023
Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерить в опытах. Мелкомасштабные газовые взаимодействия описывается кинетической теорией газов. Есть три основных законы термодинамики, которые описаны на отдельных слайдах. Каждый Закон приводит к определению термодинамические свойства которые помогают нам понять и предсказать работу физического система. Приведем несколько простых примеров этих законов и свойства для различных физических систем, хотя нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки и потоки с высокой скоростью. К счастью, многие из классические примеры термодинамики включают газовую динамику. По нашим наблюдениям за проделанной работой,
или газом, мы нашли, что количество работ зависит не только
на начальное и конечное состояния газа
но также и в процессе или пути, который создает конечное состояние. E2 — E1 = Q — W Мы подчеркнули
слова «в» и «по» в определении. Тепло, отводимое от системы
в уравнении ставится отрицательный знак. Внутренняя энергия — это такая же форма энергии, как и потенциальная. энергия объекта на некоторой высоте над землей, или кинетическая энергия движущегося объекта. Точно так же потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с сохранением полной энергии системы, внутренняя энергия термодинамической системы может быть преобразуется либо в кинетическую, либо в потенциальную энергию. Нравится потенциал энергия, внутренняя энергия может запасаться в системе. Заметьте, однако, что тепло и работа не может быть сохранена или сохранена независимо, поскольку они зависят на процессе. Первый закон термодинамики допускает многие Возможные состояния системы существуют, но только определенные состояния обнаружено существование в природе. второй закон термодинамики помогает объяснить это наблюдение. Если система полностью изолирована от внешней среды,
возможно изменение состояния, при котором теплота не передается
система. Деятельность: Экскурсии с гидом
Навигация ..
|
Точно так же количество теплоты, переданное в или
от газа также зависит от начального и конечного состояний и
процесс , который производит конечное состояние. Многие наблюдения за реальным
газах показали, что разница теплового потока в газ
а работа, совершаемая газом, зависит только от начального и конечного
состояния газа и делает не зависит от процесса или пути
который производит конечное состояние. Это говорит о существовании
дополнительная переменная, называемая внутренней энергией газа,
которое зависит только от состояния газа, а не от какого-либо процесса.
Внутренняя энергия является переменной состояния, точно так же, как температура или
давление. Первый закон термодинамики определяет внутреннюю
энергия (E) равна разнице теплопередачи (Q) в система и выполненная работа (W) на система.
Аналогично работают
выполнено в системе присваивается отрицательный знак.
Ученые называют процесс, в котором не участвует тепло.
перевод как адиабатический процесс.
Реализация
первого закона термодинамики для газов вводится еще один
полезная переменная состояния, называемая энтальпией
который описан на отдельной странице.Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамикиПервый закон термодинамики — применение принципа сохранения энергии к теплу и термодинамическим процессам: В первом законе используются ключевые понятия внутренней энергии, тепла и работы системы. Он широко используется при обсуждении тепловых двигателей. Стандартной единицей для всех этих величин является джоуль, хотя иногда их выражают в калориях или БТЕ. Обычно в текстах по химии первый закон записывается как ΔU=Q+W. Это, конечно же, тот же закон — термодинамическое выражение принципа сохранения энергии. Просто W определяется как работа, выполненная на системе, а не работа, выполненная системой . В контексте физики общий сценарий заключается в добавлении тепла к объему газа и использовании расширения этого газа для выполнения работы, как при нажатии на поршень в двигателе внутреннего сгорания. В контексте химических реакций и процессов более распространенными могут быть ситуации, когда работа выполняется над системой, а не ею.
| Индекс Концепции тепловых двигателей | ||
| Назад |
Четыре величины, называемые «термодинамическими потенциалами», используются в химической термодинамике реакций и нециклических процессов. , где P и V — давление и объем, а U — внутренняя энергия. В этом случае энтальпия является точно измеримой переменной состояния, поскольку она определяется с помощью трех других точно определяемых переменных состояния. это несколько параллельно первому закону термодинамики для постоянного система давления Это полезная величина для отслеживания химических реакций. Если в результате экзотермической реакции в систему выделяется некоторая энергия, она должна проявляться в какой-то измеримой форме с точки зрения переменных состояния. Увеличение энтальпии H = U + PV может быть связано с увеличением внутренней энергии, которую можно измерить с помощью калориметрии, или с работой, совершаемой системой, или с их комбинацией. Внутреннюю энергию U можно рассматривать как энергию, необходимую для создания системы при отсутствии изменений температуры или объема.
| Индекс Концепции внутренней энергии | ||
| Назад |
Это внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия Гельмгольца и свободная энергия Гиббса. Энтальпия определяется как
Но если процесс изменяет объем, как в химической реакции, в результате которой образуется газообразный продукт, то необходимо совершить работу, чтобы вызвать изменение объема. Для процесса с постоянным давлением работа, которую необходимо выполнить для изменения объема ΔV, равна PΔV. Тогда термин PV можно интерпретировать как работу, которую вы должны выполнить, чтобы «освободить место» для системы, если вы предполагаете, что она стартовала с нулевого объема.