План уроку

1.Термодинаміка.Термодинамічна система

2.Внутрішня енергія. Способи її зміни

3.Теплопередача, її види

4.Кількість теплоти

5.Робота в термодинаміці

6.Питома теплоємність

7.Фазові перетворення

8.Розрахунок кількості теплоти при нагріванні і охолоджені тіл, а також при фазових перетвореннях

1.Термодинаміка.Термодинамічна система

Термодинáміка — розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову.

Термодинаміка вивчає процеси, які відбуваються в тілах, що перебувають у тепловій рівновазі з іншими тілами. Важливою характеристикою теплової рівноваги є температура. Рівняння стану пов'язує між собою такі характеристики тіл, як тиск, об'єм та температуру.

Термодинамічна система — сукупність макроскопічних систем, які можуть обмінюватися енергією між собою та з зовнішніми тілами. Термодинамічну систему, яка не бере участі в теплообміні з навколишніми тілами, називають теплоізольованою.

Теплоізольована термодинамічна система з плином часу завжди приходить в стан теплової рівноваги, з якої сама вийти не може. Це твердження розкриває зміст закону термодинамічної рівноваги.

2.Внутрішня енергія. Способи її зміни

Внутрішня енергія макроскопічного тіла (U) є сумою кінетичної енергії хаотичного руху молекул (атомів) і потенціальної енергії їх взаємодії.

Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу:

де m — маса газу; М — молярна маса газу; R — універсальна газова стала; N_A — стала Авогадро.

Способи зміни внутрішньої енергії:

1. Виконання роботи.

2. Теплообмін.

Види теплообміну — процесу передачі енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих:

— теплопровідність;

— конвекція;

— випромінювання

Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури і не залежить ні від його тиску, ні від об’єму.

3.Теплопередача, її види

Теплопередачею або теплообміном називається процес передавання енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи.

Існує три способи теплопередачі:

— теплопровідність;

— конвекція;

— випромінювання.

Теплопровідність — вид теплопередачі, за якої передавання внутрішньої енергії від одних тіл до інших відбувається при їх безпосередньому контакті й зумовлене взаємодією атомів і молекул.

Конвекція — вид теплопередачі, за якої внутрішня енергія від одних тіл до інших передається рухомими струменями рідини чи газу.

При випромінюванні теплообмін зумовлений передачею енергії світловим потоком (здебільшого інфрачервона ділянка шкали електромагнітних хвиль). Цей вид теплопередачі відрізняється від інших тим, що може здійснюватися в повному вакуумі.

4.Кількість теплоти

Кількість теплоти - енергія, яку одержує або втрачає тіло при теплопередачі. Кількість теплоти є однією з основних термодинамічних величин.

Кількість теплоти є функцією процесу, а не функцією стану, тобто кількість теплоти, отримане системою, залежить від способу, яким вона була приведена в поточний стан.

Одиниця виміру: Джоуль.

5.Робота в термодинаміці

Очевидно, робота газу (Аг) визначається наступним чином:

Якщо газ стиснути, то ΔV < 0 — робота газу негативна, якщо газ розширити, то ΔV > 0 — робота газу позитивна.

Робота зовнішніх сил, буде мати протилежний знак:

Таким чином, здійснюючи над газом позитивну роботу, зовнішні тіла передають йому певну енергію. При розширенні газу, навпаки, робота зовнішніх сил від’ємна.

При ізобарному процесі робота розширення газу може бути знайдена на діаграмі pV, як площа прямокутника: А = pΔV = p(V2 - V1).

Робота в термодинаміці залежить від послідовності станів, яку проходить тіло від початкового до кінцевого стану.

Універсальна газова постійна має сенс роботи, що здійснюється одним кіло-молем газу при ізобарній зміні температури на 1 К.

Таке тлумачення R відповідає раніше встановленому його найменуванню: R= 8,31 кДж/(кмоль·К).

6.Питома теплоємність

Пито́ма теплоє́мність (c) — кількість теплоти, яку необхідно надати одиниці маси, щоб нагріти її на 1°C, або ж кількість теплоти, що виділяється при охолодженні одиниці маси речовини:

де Q — кількість теплоти, отримана речовиною при нагріванні (або, що виділилася при охолодженні), m — маса речовини, що нагрівається (або охолоджується), ΔT — різниця кінцевої і початкової температур речовини.

Позначається здебільшого літерою c (для теплоємності тіла будь-якої маси зазвичай використовується велика літера C). В СІ питома теплоємність вимірюється у Дж/кг·К або Дж/кг·°C.

7.Фазові перетворення

Фазовий перехід (фазове перетворення) в термодинаміці - перехід речовини з однієї термодинамічної фази в іншу при зміні зовнішніх умов. З точки зору руху системи по фазової діаграмі при зміні її інтенсивних параметрів ( температури, тиску і т. п.), фазовий перехід відбувається, коли система перетинає лінію, що розділяє дві фази. Оскільки різні термодинамічні фази описуються різними рівняннями стану, завжди можна знайти величину, яка стрибкоподібно змінюється при фазовому переході.

Найбільш поширені приклади фазових переходів першого роду:

- плавлення і кристалізація ;

- випаровування і конденсація ;

- сублімація і десублімації.

Найбільш поширені приклади фазових переходів другого роду:

-проходження системи через критичну точку ;

-перехід парамагнетик - феромагнетик або парамагнетик- антиферомагнетик ( параметр порядку - намагніченість) ;

-перехід металів і сплавів в стан надпровідності ( параметр порядку - щільність надпровідного конденсату) ;

-перехід рідкого гелію в надплинний стан (п.п. - щільність надтекучої компоненти) ;

-перехід аморфних матеріалів в склоподібного стану.

Розв язати задачі

1. Для нагрівання деякої маси води від температури t1=20°С до температури кипіння t2=100°С електронагрівач працював протягом τ1 = 12 хв. Який час буде потрібно після цього, щоб обернути всю воду в пар? Теплоємністю посудини і втратами теплоти знехтувати.

2. У калориметр, що містить m_в=1,5кг води при температурі t_B =20°С, поклали m_л =1,0кг льоду, що має температуру t_л = -10°С. Яка температура Θ встановиться в калориметре?

3. У калориметре знаходиться вода масою m1= 400 г при температурі t1= 5°С. До неї долили ще m2 =200 г води з температурою t2=10°С і поклали m3= 400 г льоду з температурою t3 = -60°С. Яка температура 0 встановиться в калориметре? Як зміниться кількість льоду?

4. В посудину з водою при температурі t = 20°С помістили m_л=100 г льоду з температурою t_л= -8°С. Яка встановиться температура? Теплоємність посудини з водою 1,67 кДж/К.

Домашнє завдання

1. Законспектувати питання 8 : «Розрахунок кількості теплоти при нагріванні і охолоджені тіл, а також при фазових перетвореннях».
2. Розвязати задачі:

1. У калориметр помістили лід з початковою температурою t=10°С і нагрівач постійної потужності. Побудуйте графік зміни залежно від часу τ температури t в калориметре (від t₁ до t₂ = +10°C).

2. Калориметр містить лід масою m_л = 100 м при температурі t_л = 0°С. В калориметр впускають пар з температурою t_B = 100°С. Скільки води виявилося в калориметрі, коли весь лід розтанув? Температура утвореної води дорівнює 0°С.

3. Суміш, що складається з m_л = 5,0 кг льоду m_B=15 кг води при загальній температурі t₁ = 0°С, потрібно нагріти до температури Θ= 80°С, пропуская водяна пара з температурою t₂=100°С. Визначте необхідну масу пари m_p.

Тема уроку: Робота термодинамічного процесу. Перший закон термодинаміки