ЦИКЛ КАРНО. ЕНТРОПІЯ. РЕАЛЬНІ ГАЗИ

Закон збереження енергії в теплових процесах (перший закон термодинаміки). Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Адіабатний процес. Необоротність теплових процесів

Та 2 закони термодинаміки

Тема 35. Основи термодинаміки.

Література: [1], [3], [5], [7], [9], [10] – основна; [6], [8] – додаткова.

Спираючись на прецезійні досліди, проведені в середині ХІХ ст., англійський фізик Джоуль та німецький Майєр, і найповніше Гельмгольц, установили закономірність, згідно з якою кількість енергії в природі незмінна, вона лише переходить від одних тілдоінших або перетворюється з одного виду в інший. Це твердження називають законом збереження і перетворення енергії. Цей закон універсальний тазастосовний до всіх явищ природи.

Закон збереження енергії, поширений на теплові явища, називають першимзакономтермодинаміки.

У термодинаміці розглядаються тіла, положення центра тяжіння яких майже не змінюється. Механічна енергія таких тіл залишається незмінною. Змінюватися може лише внутрішня енергія U. Зміна U тіла може відбуватися за рахунок виконання роботи А або теплопередачі. У загальному випадку у разі переходу системи з одного стану в інший U змінюється одночасно як за рахунок виконання роботи, так і за рахунок теплопередачі. Саме для таких загальних випадків і застосовують перший закон термодинаміки: змінаUсистеми під час її переходу з одного стану в іншийдорівнює сумі роботи зовнішніх силA'і кількості теплоти, що передається системіQ:

DU = A' + Q.

Якщо система ізольована, робота над нею не виконується (A = 0) і вона не обмінюється теплотою з навколишніми тілами (Q = 0), отже, DU = 0.

Якщо врахувати, що A' = - A, то вираз першого закон термодинаміки набуде вигляду

Q = DU + A. (3.2.5)

Отже, кількість теплотиQ, що передається системі, витрачається на зміну її внутрішньої енергіїUі на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.

Внутрішня енергія змінюється внаслідок виконання роботи і шляхом теплообміну. В кожному стані система має певну внутрішню енергію U. Робота і кількість теплоти не містяться в тілі, а характеризують зміни його U.

За допомогою першого закону термодинаміки можна робити важливі висновки про характер процесів, що відбуваються. Розрізняють різні процеси, під час перебігу яких одна з фізичних величин залишається незмінною (ізопроцеси).

Якщо термодинамічною системою є ідеальний газ і його об'єм не змінюється, (ізохорний процес), то A' = 0, а зміна внутрішньої енергії, згідно (3.2.5) дорівнюватиме кількості теплоти:

DU = Q.

Ізотермічний процес. Якщо T = const внутрішня енергія системи не змінюється. Уся передана газу кількість теплоти витрачається на виконання роботи над зовнішніми тілами:

Q = A

Ізобарний процес. Кількість теплоти Q, передана газу за сталого тиску, витрачається на зміну його внутрішньої енергії і на виконання ним роботи над зовнішніми тілами:

Q = DU + A

Адіабатний процес - процес, що відбувається в теплоізольованій системі (немає обміну енергією із зовнішніми тілами). При цьому Q = 0 і змінити внутрішню енергію системи можна лише за рахунок виконання над нею роботи:

DU = A

Звичайно, неможливо оточити систему оболонкою, що абсолютно не пропускає тепло, але іноді можна вважати реальні процеси дуже близькими до адіабатних. Для цього вони мають здійснюватися так швидко, щоб за час процесу не відбулося теплообміну (наприклад, поширення звуку в повітрі), або якщо процеси відбуваються з величезними масами газу (наприклад, в атмосфері Землі).

З першого закону термодинаміки випливає неможливість побудови "вічного" двигуна першого роду, бо будь-яка система не може нескінченно довго виконувати роботу без передачі їй теплоти. Дійсно, коли Q = 0, то робота має виконуватись за рахунок внутрішньої енергії системи, яка є обмеженою.

Закон збереження і перетворення енергії стверджує, що кількість енергії за будь-яких її перетворень незмінна, але нічого в ньому не вказує на те, які енергетичні перетворення можливі. Однак багато процесів, цілком допустимих з точки зору закону збереження енергії, ніколи не відбуваються в дійсності. Наприклад, нагріте тіло, поступово охолоджуючись, передає свою енергію більш холодним тілам, які його оточують. Зворотний процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого самовільно відбуватися не може. Кількість таких прикладів можна навести безліч. Усі вони свідчать, що процеси в природі мають певну спрямованість. У зворотному напрямі вони самовільно відбуватися не можуть.

Усі процеси в природі необоротні. Напрям можливих енергетичних перетворень вказує другийзакон термодинаміки. Він підтверджує необоротність процесів в природі і був сформульований на основі дослідних фактів Клаузіусом: неможливо перевести теплоту від більш холодної системидобільш гарячої, якщо не відбувається інших одночасних змін в обох системах або тілах, які їх оточують.