Занятие №5. «Законы термодинамики. Тепловое расширение и сжатие газа»

Раздел 1. «Термодинамика»

Тема 1.2 «Основные законы термодинамики. Теплопередача»

Занятие №5. «Законы термодинамики. Тепловое расширение и сжатие газа»

Первый закон термодинамики является частным случаем за­кона сохранения энергии. Он имеет следующую формулировку. Если к телу подвести некоторое количество теплоты Q, то она пойдет на изменение внутренней энергии Δ U тела и на соверше­ние работы А:

Для 1кг массы данное уравнение имеет вид

где Q=Mq, Δ U= M Δ u; А = Ма; M — масса тела; q — удель­ное количество теплоты;Δ u —изменение удельной внутренней энер­гии, a —удельная работа.

Первый закон термодинамики не позволяет решить вопрос о возможности осуществления того или иного процесса, о направ­лении его развития и о глубине его протекания. Например, пре­вращение работы в теплоту происходит всегда полностью. Это са­мопроизвольный процесс. Превращение теплоты в работу воз­можно лишь при определенных условиях и притом всегда не полностью, а только частично. Переход теплоты от более нагрето­го тела к менее нагретому осуществляется при всех условиях са­мопроизвольно, а от менее нагретого к более нагретому требует затраты работы для его осуществления.

Второй закон термодинамики устанавливает:

– возможен процесс или нет;

– в каком направлении он будет протекать;

– когда система достигнет термодинамического равновесия;

– при каких условиях от системы можно получить максималь­ную работу.

Второй закон термодинамики имеет много формулировок:

1) для превращения теплоты в механическую работу необхо­димо иметь источник теплоты и холодильник с температурой Т ₂меньше температуры источника Т ₁, т. е. необходим температур­ный перепад (движущая сила), и желательно, чтобы Т ₁> Т ₂;

2) вся теплота, подведенная к двигателю, не может быть пол­ностью превращена в работу. Часть этой теплоты переходит к внешним телам, имеющим более низкую температуру;

3) теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу без затраты внешней работы.

Тепловое расширение и сжатие газа. Рассмотрим газ массой М и объемом V, заключенный в эла­стичную оболочку с поверхностью F (рис. 1).

Рис. 1. К пояснению процесса расширения

Если газу сооб­щить некоторое количество теплоты Q,то он будет расширяться, совершая при этом работу против внешнего давления р, оказы­ваемого на него средой. Газ действует на каждый элемент оболоч­ки Δ F силой, равной р Δ F и, перемещая её по нормали к поверх­ности на расстояние Δ п, совершает элементарную работу:

Общую работу, совершенную в течение бесконечно малого процесса, можно получить, просуммировав все элементарные ра­боты по всей поверхности F оболочки

Из выражения () следует, что элементарная работа Δ А и изменение объема Δ V в результате расширения всегда имеют одинаковые знаки:

если Δ V> 0,то иΔ А > 0, т. е. при расширении тела работа по­ложительна, при этом тело само совершает работу;

если Δ V < 0, то и Δ А < 0, т. е. при сжатии тела работа отрица­тельна; это означает, что не тело совершает работу, а на его сжа­тие затрачивается работа извне.

Вопросы и задания:

1. Как формулируется первый закон термодинамики? Напишите все формулы с их пояснением и расшифровкой всех составляющих.

2. Что не позволяет решить первый закон термодинамики?Дайте развернутый ответ.

3. Что устанавливает второй закон термодинамики.

4. Как формулируется второй закон термодинамики?

5. Нарисуйте рисунок и опишите как происходит тепловое расширение и сжатие газа и поясните как приданных процессах совершается работа.