Первое начало термодинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет»

Центр дистанционного образования

Контрольная работа

по дисциплине: «Физика»

на тему: «Первое начало термодинамики»

Екатеринбург 2015



Содержание

Введение

1. История возникновения «первого начала термодинамики»

2. Понятие «первого начала термодинамики»

3. Применение первого начала к различным тепловым процессам

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Люди способны непосредственно ощущать холод и тепло, и интуитивное представление о температуре как степени нагретости тел возникло задолго до того, как возникли соответствующие научные понятия. Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру -термометра. Считается, что первые термометры сделал Галилей в конце 16 века.

Термодинамика возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Первые паровые машины появились во второй половине 18 века и ознаменовали наступление промышленной революции. Учёные и инженеры стали искать способы увеличить их эффективность, и в 1824 году Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин. Термодинамика, как наука ведёт свое начало с этой работы, которая долгое время оставалась неизвестной современникам.

В 40-х годах 19 века Майер и Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. В 50-е годы Клаузиус и Кельвин систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры.

В конце 19 века феноменологическая термодинамика была развита в работах Гиббса, который создал метод термодинамических потенциалов, исследовал общие условия термодинамического равновесия, установил законы равновесия фаз и капиллярных явлений.

В 1906 году Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.

Аксиоматические основы термодинамики были в строгой форме впервые сформулированы в трудах Каратеодори в 1909 году



1. История возникновения «первого начала термодинамики»

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

2. Понятие «первого начала термодинамики»

Первое начало термодинамики - один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами:

Q = ДU + A.

Если оба способа задействованы одновременно, то можно записать

ДU=Q?A или Q=ДU+A.

Эта формула выражает первое начало термодинамики.

Количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой против внешних сил.

Если вместо работы A системы над внешними телами ввести работу внешних сил A ' (А = -A '), то первое начало термодинамики можно переписать так:

ДU=Q+A?.

Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме работы, произведенной над системой внешними силами, и количеству теплоты, переданному системе в процессе теплообмена.

Первое начало термодинамики является обобщением закона сохранения энергии для механических и тепловых процессов. Например, рассмотрим процесс торможения бруска на горизонтальной поверхности под действием силы трения. Скорость бруска уменьшается, механическая энергия «исчезает». Но при этом трущиеся поверхности (брусок и горизонтальная поверхность) нагреваются, т.е. механическая энергия превращается во внутреннюю.

При протекании термодинамического процесса тела обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами.

1-й способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел, либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем электромагнитных волн. При этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому.

Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты - Q, а способ - передача энергии в форме теплоты.

2-й способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, То есть передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой - L, а способ- передача энергии в форме работы.

Количество энергии, полученной телом в форме работы, называется работой, совершенной над телом, а отданную энергию - затраченной телом работой. энергия работа термодинамика энтропия карно.

Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. зависят от характера термодинамического процесса. В общем случае внутренней энергией называется совокупность всех видов энергий, заключенной в теле (или системе тел). Эту энергию можно представить как сумму отдельных видов энергий: кинетической энергии молекул (поступательного и вращательного движения молекул); колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии молекул.

В технической термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенциальная составляющие внутренней энергии. При этом знание абсолютных значений внутренней энергии не требуется. Поэтому внутренней энергией для идеальных газов называют кинетическую энергию движения молекул и энергию колебательных движений атомов в молекуле, а для реальных газов дополнительно включают потенциальную энергию молекул.

Внутренняя энергия (U) является функцией двух основных параметров состояния газа, т.е. U = f (P,T), U = f (v,T), U= f (P,v). Так как каждому состоянию рабочего тела (системы) соответствует вполне определенное значение параметров состояния, то для каждого состояния рабочего тела (например, газа) будет характерна своя однозначная, вполне определенная величина внутренней энергии U. То есть U является функцией состояния газа. И разность внутренних энергий для двух каких-либо состояний рабочего тела или системы тел не будет зависеть от пути перехода от первого состояния во второе. Первый закон термодинамики является основой термодинамической теории и имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов. Этот закон является законом сохранения и превращения энергии:

"энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах".

Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии термодинамической системы:

"теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение энергии системы и совершение работы". Уравнение первого закона термодинамики имеет следующий вид:

Q = (U2 - U1) + L, (1)

теплота термодинамика энергия начало

где Q - количество теплоты, подведенной (отведенной) к системе; L - работа, совершенная системой (над системой); (U2 - U1) - изменение внутренней энергии в данном процессе. Если подводится бесконечно малое количество теплоты, то

дQ=dU+дL (2).

Это запись первого начала в дифференциальной форме, в то время как формулу (1) называют записью первого начала в интегральной форме. В таком виде первое начало используется при анализе так называемых равновесных процессов, когда давление внутри термодинамической системы и во внешней среде одинаковы. Единственным видом работы в таком процессе является работа расширения

д L = P·dV. (3)

Она имеет ещё несколько названий: механическая работа, работа изменения объёма. Примечание: в формуле (3) используются два обозначения дифференциала: а) d и д. Первый считается полным, второй неполным. Первый используется только для обозначения бесконечно малых изменений функций состояния. К ним относятся внутренняя энергия, энтальпия, энтропия. Их значения определяются только состоянием системы, и не зависят от того, какие термодинамические процессы происходили при переходе системы из начального равновесного состояние в конечное, т.е U = U2 - U1= ?U. Неполный дифференциал используется для обозначения бесконечно малых значений величин (работы, теплоты), которые зависят от процесса перехода системы из одного состояния в другое. Например ?д L = ·dV; L= ·dV. Работу можно найти, если известна зависимость Р от V. А для этого надо знать, какой термодинамический процесс при этом совершила система. Если:

Q > 0 - теплота подводится к системе; Q < 0 - теплота отводится от системы;

L > 0 -работа совершается системой; L < 0 - работа совершается над системой.

Для единицы массы вещества уравнение первого закона термодинамики имеет вид:

q = Q /m = (u2- u1) + l (4)

Здесь l = L/m, удельное значение работы и u=U/m удельное значение внутренней энергии. Первый закон (начало) термодинамики указывает, что тепло Q, полученное термодинамической системой извне, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы против сил внешнего давления (механической работ, работы изменения объёма). Двигатель, постоянно производящий работу и не потребляющий никакой энергии, называется «вечным двигателем I-го рода».

Из этого можно высказать следующее определение первого закона термодинамики:

"вечный двигатель первого рода невозможен".

3. Применение первого начала к различным тепловым процессам

Изохорный процесс

Объем не изменяется: V = const. Следовательно, ДV = 0 и А = -A ' = 0, т.е. никакой механической работа не совершается. Первое начало термодинамики будет иметь вид:

Q=ДU.

При изохорном процессе вся энергия, сообщаемая газу путем теплообмена, расходуется целиком на увеличение его внутренней энергии.

Изотермический процесс

Температура газа не изменяется: Ф = const. Следовательно, ДT = 0 и ДU = 0. Первое начало термодинамики будет имеет вид:

Q=A.

При изотермическом процессе вся энергия, сообщаемая газу путем теплообмена, идет на совершение газом работы.

Изобарный процесс

Давление не изменяется: p = const. При расширении газ совершает работу Б = p?ДV и нагревается, т.е. изменяется его внутренняя энергия.

Первое начало термодинамики будет имеет вид:

Q=A+ДU.

При изобарном процессе количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой против внешних сил.

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс - это процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой, т.е. Q = 0.

Такие процессы происходят при хорошей теплоизоляции системы либо при быстрых процессах, когда теплообмен практически не успевает произойти. Первое начало термодинамики будет имеет вид:

ДU+A=0 или A=?ДU.

Если А > 0 (ДV > 0 газ расширяется), то ДU < 0 (газ охлаждается), т.е.

при адиабатном расширении газ совершает работу и сам охлаждается.

Охлаждение воздуха при адиабатном расширении вызывает, например, образование облаков.

Если А < 0 (ДV < 0 газ сжимается), то ДU > 0 (газ нагревается), т.е.

при адиабатном сжатии над газом совершается работа и газ нагревается.

Это используется, например, в дизельных двигателях, где при резком сжатии воздуха температура повышается настолько, что воспламеняются пары топлива в двигателе.

Адиабатное изменение состояния газа можно выразить графически. График этого процесса называют адиабатой. При одних и тех же начальных условиях (p₀, V₀) при адиабатном расширении давление газа уменьшается быстрее, чем при изотермическом (рис. 1), так как падение давления вызвано не только увеличением объема (как при изотермическом расширении), но и понижением температуры. Поэтому адиабата идет ниже изотермы и газ при адиабатном расширении совершает меньшую работу, чем при изотермическом расширении.

Рис. 1

Из первого начала термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затраты энергии извне.

Действительно, если к системе не подводится энергия (Q = 0), то A = -ДU и работа может быть совершена только за счет убыли внутренней энергии системы. После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

Уравнение теплового баланса

Если система замкнута (работа внешних сил A ' = 0) и теплоизолирована (Q = 0), то первое начало термодинамики будет иметь вид:

ДU=0.

Если в такой системе имеются тела с различной температурой, то между ними будет происходить теплообмен: тела, у которых температура выше, будут отдавать энергию и охлаждаться, а тела с меньшей температурой будут получать энергию и нагреваться. Это будет происходить до тех пор, пока температуры у всех тел не станут одинаковыми, т.е. наступит состояние термодинамического равновесия. При этом

Q1+Q2+…+Qn=0.

Первый закон термодинамики для замкнутой и адиабатически изолированной системы называют уравнением теплового баланса:

в замкнутой системе тел алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующими в теплообмене, равна нулю.

При этом применяют следующее правило знаков:

количество теплоты, полученное телом, считают положительным, отданное -- отрицательным.

Теплоемкость газов.

Удельная теплоемкость вещества

c=Qm?ДT.

Рассмотрим, как изменяется эта величина в различных тепловых процессах.

При изотермическом расширении газа ему передается некоторое количество теплоты Q > 0, а ДФ = 0. Следовательно, удельная теплоемкость газа при изотермическом процессе

cT=Qm?ДT>?.

При адиабатном сжатии (расширении) газ не получает теплоты и не передает ее окружающим телам (Q = 0), а температура газа изменяется (ДФ ? 0). Следовательно, удельная теплоемкость газа при адиабатном процессе

cQ=Qm?ДT=0.

При изобарном процессе количество теплоты (из первого начала термодинамики) равно

Q=ДU+A.

Тогда теплоемкость газа при постоянном давлении

cp=ДU+AДT.

При изохорном процессе

Q=ДU

и теплоемкость газа при постоянном объеме равна

cV=ДUДT.

Из-за малости величины коэффициента объемного расширения твердых и жидких тел работой, совершаемой ими при нагревании при постоянном давлении, можно пренебречь и считать, что теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении практически совпадают. Поэтому теплоемкость твердых и жидких тел при заданной температуре может считаться вполне определенной величиной.



Заключение

Перед первым началом термодинамики было сформулировано нулевое начало (всего около 50 лет назад). По существу оно представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Температура - одно из самых глубоких понятий термодинамики. Температура играет столь же важную роль в термодинамике, как, например процессы. Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие; оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона (17 век) понятию силы - на первый взгляд более конкретному и «осязаемому» и к тому же успешно « математезированному» Ньютоном.

Итак, первое начало термодинамики устанавливает внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий.



Список использованной литературы

1) Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино, 2011. С. 129-133,152-161.

2). Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В.Лавриненко, Л.Г. Маркович. Мн.: Нар. асвета, 2002. С. 125, 128-132.

3). Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 кл.

4). Шахмаев Н.М. Физика 10 кл.

5). Свитков Л.П. Термодинамика и молекулярная физика.

6). Билимович Б.Ф. Тепловые явления в технике.

7). http://files.school-collection.edu.ru.

8). ru.wikipedia.org.

9). http://mash-xxl.info.

10). http://ido.tsu.ru.

Размещено на Allbest.ru

...