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.