Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

2.2 Применение первого начала термодинамики в решении задача теплофизики

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Термодинаммика (греч. иЭсмз -- «тепло», дэнбмйт -- «сила») -- раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах[1].

Законы термодинамики находят широкое применение во многих областях науки и техники. Любой процесс, где происходит обмен энергией или переход ее из одного состояния в другое подчиняется законам термодинамики. Поэтому, термодинамика является одним из важнейшим предметом обучения, необходимым для понимания и описания практически любого процесса, происходящего вокруг нас. Все это послужило основанием для выбора данной темы для работы

Целью данной работы является описание первого начала термодинамики, рассмотрение примеров использования его при решении задач теплофизики, а также приобретение навыков работы с литературой, обобщения литературных источников и практического материала по теме, способности грамотно излагать вопросы темы, делать выводы.

Актуальность работы обусловлена важностью изучения термодинамических законов для решения прикладных задач теплофизики.

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ И ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1 Этапы создания термодинамики как науки

Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру -- термометра. Термодинамика возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы.

Ниже представлены основные этапы развития термодинамики как науки:

1) 1710 год - работы Габриеля Фаренгейта в области термометрии, разработка термометра и барометра, изобретение температурной шкалы, названной позже в его честь;

2) 1760 год - Джозеф Блэк, отделил понятия температуры от количества теплоты, ввел понятия калория;

3) 1770 год - Джеймс Уатт изобрел первые тепловые машины;

4) 1824 год - Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин[2];

5) 1845-1855 года - становление термодинамики как науки благодаря работам Майера и Джоуля;

6) 1853 год - Маттиас Клаудиус - второе начало термодинамики;

7) 1903 год - Вальтером Нернст - третье начало термодинамики.

1.2 Предмет и методы термодинамики

Термодинамика - наука, изучающая тепловые свойства макроскопических объектов, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, а также квазистатические процессы перехода тела из одного равновесного состояния в другое[3].

Методы термодинамики:

1) Феноменологическая термодинамика: пренебрегается атомно-молекулярное строение вещества. рассматривается среда с непрерывно меняющимися от точки к точке свойствами;

2) Статистическая термодинамика - среда рассматривается как состоящая из большого количества дискретных атомов.[3]

1.3 Основные понятия термодинамики

Термодинамическая система (ТДС) - это совокупность макроскопических объектов, взаимодействующих как между собой, так и с окружающей средой. Различают изолированные ТДС, открытые ТДС, закрытые ТДС и адиабатные ТДС. Параметры состояния ТДС - макроскопические признаки, определяющие состояние системы и ее отношение к окружающей среде. Различают внутренние (температура, давление, внутренняя энергия) и внешние (объем, площадь поверхности, масса) параметры состояния. параметры состояния могут быть экстенсивными (зависящие от массы системы) и интенсивные (не зависящие напрямую от массы системы)[3]. Термодинамическое равновесие (ТДР) - состояние системы, при котором остаются неизменными во времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды[4].

Термодинамические процессы - переход термодинамической системы из одного состояния в другое. В термодинамике широко применяются идеализированные процессы, в которых система переходит из одного состояния термодинамического равновесия в другое, которые непрерывно следуют друг за другом. Такие процессы называются квазистатическими или квазиравновесными процессами[4].

ГЛАВА 2. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ТЕПЛОФИЗИКИ

2.1 Первое начало термодинамики

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

Определение: изменение внутренней энергии ТДС (dU) определяется количеством теплоты, подведенной к системе (dQ) за вычетом работы, совершаемой системой (dA): dU=dQ-dA [3]

,

Первое начало термодинамики непосредственно связано с законом сохранения энергии и утверждает, что в любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным. Отсюда следует закон эквивалентности различных форм энергии: разные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах. Первое начало можно выразить и в такой форме: вечный двигатель первого рода невозможен, т. е. невозможно построить машину, которая давала бы механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества молекулярной энергии; или внутренняя энергия является функцией состояния, т. е. ее изменение не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы.

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. теплота термодинамика энергия

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.

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.

2.2 Применение первого начала термодинамики в решении задача теплофизики

В качестве примера рассмотрим применение первого начала (закона) термодинамики при решении различных термодинамических процессов.

Изохорный процесс.

Зависимость давления от температуры р(Т) на термодинамической диаграмме изображается изохорой (см. рисунок. 1).

Рис.1 - Диаграмма изохорного процесса

Изохорный (изохорический) процесс -- термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме V.

Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.

При изохорном процессе объем газа не меняется (dV= 0), и, согласно первому началу термодинамики:

dU =dQ,

т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа (dА = рdV=0) газом не совершается.

Если газ нагревается, то dQ > 0 и dU > 0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа dQ < 0 и dU < 0, внутренняя энергия уменьшается.

Изотермически процесс.

Зависимость давления от объема р(V) на термодинамической диаграмме изображается изотермой (см. рисунок. 2).

.

Рис.2 - Диаграмма изотермического процесса

Изотермный (изотермический) процесс - это термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянной температуре Т.

Поскольку при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не меняется, (,), то все переданное газу количество теплоты, согласно первому началу термодинамики, идет на совершение работы:

,

При получении газом теплоты (dQ > 0) он совершает положительную работу (dA > 0). Если газ отдает тепло окружающей среде dQ < 0, то и dA < 0. В этом случае над газом совершается работа внешними силами. Для внешних сил работа положительна. Геометрически работа при изотермическом процессе определяется площадью под кривой p(V)(см. рисунок. 3).

Рис.3 - Определение работы в изотермическом процессе

Изобарический процесс.

Зависимость объема от температуры V(T) на термодинамической диаграмме изображается изобарой (см. рисунок. 4).

Изобарный (изобарический) процесс -- термодинамический процесс, происходящий в системе с постоянным давлением р.

Примером изобарного процесса является расширение газа в цилиндре со свободно ходящим нагруженным поршнем.

Рис.4 - Диаграмма изобарного процесса

При изобарном процессе, согласно первому началу термодинамики, передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии dU и на совершение им работы dA при постоянном давлении:

dQ = dU + dA

Работа идеального газа определяется по графику зависимости p(V) для изобарного процесса (dA = pdV) (см. рисунок. 5).

Рис.5 - Определение работы в изобарном процессе

Для идеального газа при изобарном процессе объем пропорционален температуре, в реальных газах часть теплоты расходуется на изменение средней энергии взаимодействия частиц.

Адиабатический процесс.

Адиабатический процесс (адиабатный процесс) -- это термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой (dQ = 0).

Адиабатическая изоляция системы приближенно достигается в сосудах Дьюара, в так называемых адиабатных оболочках. На адиабатически изолированную систему не оказывает влияния изменение температуры окружающих тел. Ее внутренняя энергия U может меняться только за счет работы, совершаемой внешними телами над системой, или самой системой.

Согласно первому началу термодинамики (dU = d Q - dА), в адиабатной системе

dU = - dA,

где dA -- работа внешних сил.

При адиабатном расширении газа dА < 0. Следовательно,

,

что означает уменьшение температуры при адиабатном расширении.

Адиабатное сжатие приводит к повышению температуры газа, т. к. в результате упругих соударений молекул газа с поршнем их средняя кинетическая энергия возрастает, в отличие от расширения, когда она уменьшается (в первом случае скорости молекул газа увеличиваются, во втором -- уменьшаются).

Резкое нагревание воздуха при адиабатическом сжатии используется в двигателях Дизеля[5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были представлены краткие сведения о становлении термодинамики как науки, раскрыты основные понятия термодинамики, подробно раскрыто определение первого начала термодинамики и приведены примеры использования первого начала термодинамики для решения задач теплофизики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прохоров А. М. Большой энциклопедический словарь (2-е изд.) - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.

2. Тимирязев А.К. Второе начало термодинамики - М.: Государственное технико-теоретическое издательство, 1934.

3. Крутов В.И. Техническая термодинамика (3-е изд.) - М.: Высшая школа, 1991.

4. Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика (2-е изд) - М.: Едиториал УРСС, 2002.

5. Базаров И.П. Термодинамика. - М.: Высшая школа, 1991 г.

Размещено на Allbest.ru