Работа

Состояния и процессы

Когда система находится в равновесии при заданном наборе условий, говорят, что она находится в определенном термодинамическом состоянии . Состояние системы можно описать рядом величин состояния, которые не зависят от процесса, посредством которого система достигла своего состояния. Их называют интенсивными переменными или экстенсивными переменными в зависимости от того, как они меняются при изменении размера системы. Свойства системы можно описать уравнением состояния, которое определяет взаимосвязь между этими переменными. Состояние можно рассматривать как мгновенное количественное описание системы с заданным числом переменных, которые остаются постоянными.

Термодинамический процесс может быть определен как энергетическая эволюция термодинамической системы , исходя из начального состояния в конечное состояние. Его можно описать технологическими величинами . Обычно каждый термодинамический процесс отличается от других по энергетическому характеру в зависимости от того, какие параметры, такие как температура, давление или объем и т. Д., Остаются фиксированными; Кроме того, полезно сгруппировать эти процессы в пары, в которых каждая постоянная переменная является одним из членов сопряженной пары.

Несколько обычно изучаемых термодинамических процессов:

  • Адиабатический процесс : происходит без потери или увеличения энергии за счет тепла.
  • Изентальпический процесс : происходит при постоянной энтальпии
  • Изэнтропический процесс : обратимый адиабатический процесс, происходит при постоянной энтропии.
  • Изобарический процесс : происходит при постоянном давлении
  • Изохорный процесс : происходит при постоянном объеме (также называется изометрическим / изоволюметрическим)
  • Изотермический процесс : происходит при постоянной температуре
  • Стационарный процесс : происходит без изменения внутренней энергии

дальнейшее чтение

  • Гольдштейн, Мартин и Инге Ф. (1993). . Издательство Гарвардского университета. ISBN 978-0-674-75325-9. OCLC   . Нетехническое введение, хорошее по историческим и интерпретационным вопросам.
  • Гиббс Дж. В. (1928). Собрание сочинений Дж. Уилларда Гиббса Термодинамика . Нью-Йорк: Longmans, Green and Co.Vol. 1. С. 55–349.
  • Гуггенхайм Э.А. (1933). Современная термодинамика по методам Уилларда Гиббса . Лондон: Methuen & co. ООО
  • Денби К. (1981). Принципы химического равновесия: с приложениями в химии и химической инженерии . Лондон: Издательство Кембриджского университета.
  • Стулл Д.Р., Вестрам-младший, Э. Ф. и Синке, GC (1969). Химическая термодинамика органических соединений . Лондон: John Wiley and Sons, Inc.
  • Базаров И.П. (2010). Термодинамика: Учебник . Санкт-Петербург: Издательство «Лань». п. 384. ISBN 978-5-8114-1003-3.5-е изд. (на русском)
  • Бавенди Мунги Г., Алберти Роберт А. и Силби Роберт Дж. (2004). Физическая химия . J. Wiley & Sons, Incorporated.
  • Олберти Роберт А. (2003). Термодинамика биохимических реакций . Wiley-Interscience.
  • Олберти Роберт А. (2006). Биохимическая термодинамика: приложения Mathematica . Методы биохимического анализа . 48 . John Wiley & Sons, Inc., стр. 1–458. ISBN 978-0-471-75798-6. PMID   .
  • Дилл Кен А., Бромберг Сарина (2011). Молекулярные движущие силы: статистическая термодинамика в биологии, химии, физике и нанонауке . Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-4430-8.
  • М. Скотт Шелл (2015). Термодинамика и статистическая механика: комплексный подход . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1107656789.
  • Дуглас Э. Баррик (2018). Биомолекулярная термодинамика: от теории к приложениям . CRC Press. ISBN 978-1-4398-0019-5.

Следующие заголовки носят более технический характер:

  • Бежан, Адриан (2016). Передовая инженерная термодинамика (4-е изд.). Вайли. ISBN 978-1-119-05209-8.
  • Ценгель, Юнус А., и Болес, Майкл А. (2002). . Макгроу Хилл. ISBN 978-0-07-238332-4. OCLC   .
  • Даннинг-Дэвис, Джереми (1997). Краткая термодинамика: принципы и приложения . Издательство Хорвуд. ISBN 978-1-8985-6315-0. OCLC   .
  • Кремер, Герберт и Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика . Компания WH Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2. OCLC   .

Формула теплоемкости и главная формула КПД в термодинамике

Когда теплообмен проявляется передачей телу определенного количества теплоты, его энергия, как и температура, меняются.

То количество теплоты, обозначаемое \(Q\), которое понадобится для того, чтобы 1 кг определенного вещества нагреется на 1 К, носит определение теплоемкости вещества и обозначается с.

Математическое выражение относительно переданного количества теплоты выглядит формулой:

\(Q=cm(t_2-t_1)=cm\Delta t\)

Измеряется величина в Дж/(кг∙К).

При t2〉t1, количество теплоты со знаком плюс, следовательно, вещество нагревается. Если наоборот, то Q — со знаком минус, и вещество остывает.

В физике, характеризуя свойства вещества, говорят о его теплоемкости. Это имеет значение, например, при выборе стройматериалов или сырья для изготовления нагревательных приборов. Теплоемкость равна произведению массы на удельную теплоемкость данного тела:

\(C=cm\)

Учитывая, что в величине теплоемкости уже отражена масса, то сокращенная формула для определения \(Q\) выглядит так:

 \(Q=C(t_2-t_1)\)

С другой стороны, то количество теплоты, которое отдает источник, можно высчитать по формуле: 

\(Q=Pt.\)

В выражении буквой \(P\) обозначается мощность нагревателя, а \(t\) — время их контакта.

Конструкция, состоящая из нагревателя, тела-реципиента теплоты и охладителя, носит название тепловой машины. В качестве примера рассматривается двигатель внутреннего сгорания. Как и любой механизм, она имеет такую характеристику, как КПД — коэффициент полезного действия. Для его расчета применяется формула:

\(\eta=(Q_н-Q_x)/Q_н\)

Первое начало термодинамики

Согласно первому закону термодинамики, \(Q\) (количество внутренней теплоты), которое получил газ извне, расходуется на совершение работы \(А\) и изменение внутренней энергии \(U\). Формула закона: \(Q=\Delta U+A\).

На практике газ может быть нагрет либо охлажден. Однако в данном случае рассматривается изотермический процесс, в котором один из характеризующих параметров остается неизменным.

Если процесс изотермичен, в химии включается закон Бойля-Мариота. В нем говорится, что давление газа соотносится к изначальному объему, при стабильной температуре, обратно пропорционально.

\(Q=A\)

Когда процесс происходит при неизменном объеме, говорят об изохорности. Здесь вступает в действие закон Шарля. В обозначенных условиях то тепло, которое поступило к газу, расходуется на изменение внутренней энергии. Другими словами, \(P\) пропорционально \(T\).

\(Q=\Delta U\)

Протекание процессов в идеальном газе при неизменном давлении носит характер изобарного. Здесь действует закон Гей-Люссака, который выражается уравнением:

\(Q=\Delta U=p\Delta V\)

Полная формулировка закона гласит: полученное тепло при изобарном процессе расходуется на совершение работы газом, а также изменяет его внутреннюю энергию.

Часть процессов происходят изолированно от внешней среды. Газ не получает дополнительной энергии. Такая ситуация носит название адиабатной и математически записывается: \(Q=0\). Работа \(А\) в таком случае выражается: \(A=-\Delta U.\)

Основные формулы термодинамики

Особенностью термодинамики является то, что ее постулаты не касаются взаимодействия отдельных единиц (атомов, молекул), как в молекулярной физике. Предметом изучения предстают общие взаимопревращения энергии, образование теплоты, теплопередача и совершение работы.

Исходя из этого, выделяют основные формулы термодинамики, к которым относятся:

  1. Уравнение Менделеева-Клайперона: \(PV=(m/M)*RT\). Его смысл — в изменениях трех входящих величин, которые направлены на характеристику состояния идеального газа.
  2. Количество вещества, обозначаемое буквой \(ν\). \(\nu=N/NA=m/\mu\)

    Величина, выражающая, сколько одинаковых структурных компонентов (единиц) находится в веществе.

  3. Закон Дальтона: давление смеси газов на стенку сосуда равно сумме давлений каждого входящего в смесь элемента: \(p=p1+p2+…pn.\)
  4. Главное уравнение МКТ (молекулярно-кинетической теории): \(p=2n/3<\varepsilon>n=N/V\). Выражает математическое соотношение таких параметров, как давление газа и микропараметров: массы молекул, их скорости движения, концентрации.
  5. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа. Для обозначения применяется \(E_k\),  выражается через формулу: \(E_k=E_{моля}/NA=3/2\ast RT/NA\). Ее мерой является абсолютная температура идеального газа, поскольку потенциальная энергия (вследствие взаимодействия молекул друг с другом) равна нулю. Зная, что R/NA=k, получается формула: \(E_k=3/2\ast kT\).
  6. Давление идеального газа прямо пропорционально концентрации и его температуре: \(P=nkT.\)
  7. Скорость молекул определяется по формулам:\(V=\surd(2kT/m_o)=\surd(2RT/\mu)\) — наиболее вероятная;\(<V>=\surd(8kT/\pi m_o)=\surd(8RT/\pi\mu)\) — среднеарифметическая;\(<Vкв>\surd(3kT/m_o)=\surd(3RT/\mu)\) — средняя квадратичная.
  8. Сумма кинетических энергий всех молекул определяет внутреннюю энергию всего идеального газа. Математически выражение выглядит так: \(U=i/2\ast(m/\mu)\ast RT.\)
  9. Формула для определения работы, которую совершает идеальный газ при расширении:\( A=P(V_2-V_1).\)
  10. Формула первого закона термодинамики: \(Q=\Delta U+A.\)
  11. Для определения удельной теплоемкости вещества применяется математическое выражение: \(С=\Delta Q/mdT.\)
  12. Кроме удельной теплоемкости, существует понятие молярной теплоемкости. Для ее определения применяется формула: \(C=c\mu\). Для изохорного процесса правильная формула принимает вид: \(C_v=1/2\ast R\), для изобарного: \(C_p=((i+2)/2)\ast R\).

ФИЗИКА

§ 4.8. Внутренняя энергия идеального газа

При изучении тепловых явлений наряду с механической энергией тел вводится новый вид энергии — внутренняя энергия. Вычислить внутреннюю энергию идеального газа не составляет большого труда.

Наиболее прост по своим свойствам одноатомный газ, т. е. газ, состоящий из отдельных атомов, а не молекул. Одноатомными являются инертные газы — гелий, неон, аргон и др. Можно получить одноатомный (атомарный) водород, кислород и т. д. Однако такие газы будут неустойчивыми, так как при столкновениях атомов образуются молекулы Н2, O2 и др.

Молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, кроме моментов непосредственного столкновения. Поэтому их средняя потенциальная энергия очень мала и вся энергия представляет собой кинетическую энергию хаотического движения молекул. Это, конечно, справедливо, если сосуд с газом покоится, т. е. газ как целое не движется (его центр масс находится в покое). В этом случае упорядоченное движение отсутствует и механическая энергия газа равна нулю. Газ обладает энергией, которую называют внутренней.

Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой т нужно умножить среднюю энергию одного атома, выражаемую формулой (4.5.5), на число атомов. Это число равно произведению количества вещества v = на постоянную Авогадро NA.

Умножая выражение (4.5.5) на v = NA получим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа:

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. От объема газа она не зависит. Внутренняя энергия газа представляет собой среднюю кинетическую энергию всех его атомов.

Если центр масс газа движется со скоростью v, то полная энергия газа равна сумме механической (кинетической) энергии и внутренней энергии U:

Внутренняя энергия молекулярных газов

Внутренняя энергия одноатомного газа (4.8.1)— это по существу средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул. В отличие от атомов молекулы, лишенные сферической симметрии, могут еще вращаться. Поэтому наряду с кинетической энергией поступательного движения молекулы обладают и кинетической энергией вращательного движения.

В классической молекулярно-кинетической теории атомы и молекулы рассматриваются как очень маленькие абсолютно твердые тела. Любое тело в классической механике характеризуется определенным числом степеней свободы f — числом независимых переменных (координат), однозначно определяющих положение тела в пространстве. Соответственно число независимых движений, которые тело может совершать, также равно f. Атом можно рассматривать как однородный шарик с числом степеней свободы f = 3 (рис. 4.16, а). Атом может совершать только поступательное движение по трем независимым взаимно перпендикулярным направлениям. Двухатомная молекула обладает осевой симметрией (рис. 4.16, б) и имеет пять степеней свободы.

Рис. 4.16

Три степени свободы соответствуют ее поступательному движению и две — вращательному вокруг двух осей, перпендикулярных друг другу и оси симметрии (линии, соединяющей центры атомов в молекуле). Многоатомная молекула, подобно твердому телу произвольной формы, характеризуется шестью степенями сво§оды (рис. 4.16, в); наряду с поступательным движением молекула может совершать вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей.

От числа степеней свободы молекул зависит внутренняя энергия газа. Вследствие полной беспорядочности теплового движения ни один из видов движения молекулы не имеет преимущества перед другим. На каждую степень свободы, соответствующую поступательному или вращательному движению молекул, приходится одна и та же средняя кинетическая энергия. В этом состоит теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы (она строго доказывается в статистической механике).

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна kT. Поступательному движению соответствуют три степени свободы. Следовательно, средняя кинетическая энергия 0, приходящаяся на одну степень свободы, равна

Если эту величину умножить на число степеней свободы и число молекул газа массой m, то получится внутренняя энергия произвольного идеального газа:

Эта формула отличается от формулы (4.8.1) для одноатомного газа заменой множителя 3 на множитель f.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна абсолютной температуре и не зависит от объема газа.

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1

Текст слайда:

Цель: Вывести формулу для определения работы расширяющегося газа при постоянном давлении, познакомить учащихся с геометрической интерпретацией работы для изобарного процесса и в случае когда давление не постоянно.

Работа в термодинамике

Слайд 2

Текст слайда:

Фронтальный опрос.

Что изучает термодинамика?Что называется внутренней энергией? Может ли тело обладать внутренней энергией, но не иметь механической энергии? Может ли тело обладать механической энергией, но не иметь внутренней энергии?Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю.

Слайд 3

Текст слайда:

4. Приведите примеры превращения внутренней энергии в механическую.5. Каким образом можно рассчитать внутреннюю энергию одноатомного идеального газа?6. От каких физических величин зависит внутренняя энергия одноатомного идеального газа?7. Зависит ли внутренняя энергия одноатомного идеального газа от объёма?8. От каких физических величин зависит внутренняя энергия реального газа?.

Слайд 4

Текст слайда:

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Историческая справка.Беседа по вопросам.Проблемный экспериментВывод формулы для работы газа.Особенности использования формулы при решении задач.Геометрическое истолкование работы.

Слайд 5

Текст слайда:

Анализ вопросов

Начальное состояние газа характеризуется параметрами Р1 и V1. При каком расширении- изотермическом или изобарном до объёма V2 газ совершит большую работу?Чему равна работа при изохорном процессе?1 Моль газа переводится из состояния А в состояние В двумя способами АСВ и АДВ. В каком из этих случаев совершается большая работа?

Р,10^5 Па

V,м^3

A

C

B

Д

1

3

5

20

Слайд 6

Текст слайда:

РЕШИТЕ ЗАДАЧИ.

1) Какую работу совершил газ, количество вещества которого ν при изобарном расширении на ΔT

2) В двух цилиндрах под подвижным поршнем находится водород и кислород. Сравните работу, которые совершат эти газы при изобарном нагревании, если их массы, а так же начальные и конечные температуры равны.

Слайд 7

Текст слайда:

ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ.

Решение: А`= Р * ΔV (1)Р*V1 = m/M*RT1 (2)Р*V2 = m/M*RT2 (3)Вычитаем уравнение (2) и (3):Р*V2- Р*V1 = m/M*RT2 — m/M*RT1Р* ΔV = m/M*R* ΔT

Решение: А1` = Р * ΔV = = m/M1*R* ΔT (1) А2` = m/M2*R* ΔT (2)Делим уравнение (1) на(2)А1`/ А2` = M2/M1=16

Слайд 8

Текст слайда:

Итог урока.

Параграф 78Упр. 15 (2)

спасибо за внимание

Упр. 15 (2)

Слайд 9

Текст слайда:

М. В. Ломоносов, проведя стройные рассуждения и простые опыты, пришёл к выводу, что «причина теплоты состоит во внутреннем… движении частиц связанной материи… Весьма известно, что тепло возбуждается движением: руки от взаимного трения согреваются, дерево загорается, искры вылетают при ударе камней о сталь, железо нагревается при ковании его частиц сильными ударами.Б. Румфорд, работая на заводе по изготовлению пушек, заметил, что сверло сильно нагревается. (1798г). Например, он помещал металлический цилиндр массой 50кг в ящик с водой и, сверля цилиндр пустым сверлом, доводил воду до кипения за два с половиной часа.Дэви в 1799 году осуществил интересный опыт. Два куска льда при трении одного о другой, начали таять и превращаться в воду.

Слайд 10

Текст слайда:

Вопросы.

Почему от вращающегося точильного камня летят искры, если прижать к нему кусок стали?Как надо опускаться по гимнастическому канату, чтобы не поранить руки? Почему?Почему метеориты, влетающие с большой скоростью в атмосферу земли, обычно сгорают, не долетая достигнув её поверхности?Как объяснить кажущееся исчезновение кинетической энергии вагона, движущегося по инерции, при его остановки?Почему в процессе вбивания гвоздя в дерево, шляпка гвоздя не нагревается, если же гвоздь вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы гвоздь нагрелся.

Слайд 11

Текст слайда:

Воздушное огниво

Почему произошло воспламенение паров эфира при их резком сжатии?

Слайд 12

Текст слайда:

Формула работы.

Проще вычислить работу газа над поршнем А`.Модуль силы, действующей на поршень со стороны газа F` = p*S.При расширении поршень смещается в направлении силы на Δh = h2-h1Работа газа равна А`= F` Δh =pS(h2-h1) = p(Sh2-Sh1).А`= р(V2-V1), так какV1= Sh1, V2=Sh2

S

Слайд 13

Текст слайда:

При расширении газа А` > 0 А При сжатии газа А` 0. А` = -A

Слайд 14

Текст слайда:

Геометрическое истолкование работы.
Открытая физика

Для изобарного процесса работа выражается площадью заштрихованного прямоугольника.Для изохорного процесса А` = 0, так как не происходит изменение объёма газа. Для изотермического процесса работа газа равна площади криволинейной трапеции под изотермой.

ΔV=0

Работа газа

Слайд 15

Текст слайда:

Объяснение опыта.

Лекция № 10 Внутренняя энергия и работа газа.

Наряду с механической энергией, любое тело (или система) обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия – энергия покоя. Она складывается из теплового хаотического движения молекул, составляющих тело, потенциальной энергии их взаимного расположения, кинетической и потенциальной энергии электронов в атомах, нуклонов в ядрах и так далее.

В термодинамике важно знать не абсолютное значение внутренней энергии, а её изменение

В термодинамических процессах изменяется только кинетическая энергия движущихся молекул (тепловой энергии недостаточно, чтобы изменить строение атома, а тем более ядра). Следовательно, фактически под внутренней энергией в термодинамике подразумевают энергию теплового хаотического движения молекул.

Известно, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы (одноатомного газа) равна:

Е = 3/2*k*T

Определим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа массой m. Для этого среднюю энергию одного атома надо умножить на число атомов. В 1 моль содержится Na атомов, в газе массой m содержится ν = m/M  моль, поэтому внутренняя энергия идеального одноатомного газа

U = m/M*Na*3/2*k*T или U = 3/2*m/M*R*T,

так как k*Na = R,

где Na – постоянная Авагадро (число молекул (атомов) в 1-ом моле газа); k- постоянная Больцмана, k = R/Na; R – газовая постоянная; Т – термодинамическая температура; М – масса 1-го моля газа ( М = mмоль *Na).

Таким образом, внутренняя энергия зависит только от температуры. Внутренняя энергия U является функцией состояния системы, независимо от предыстории.

Понятно, что в общем случае термодинамическая система может обладать как внутренней, так и механической энергией, и разные системы могут обмениваться этими видами энергии.

Обмен механической энергией характеризуется совершенной работой А, а обмен внутренней энергией – количеством переданного тепла Q.

Например, зимой вы бросили в снег горячий камень. За счёт запаса потенциальной энергии совершена механическая работа по смятию снега, а за счёт запаса внутренней энергии снег был растоплен. Если же камень был холодный, т.е. температура камня равна температуре среды, то будет совершена только работа, но не будет обмена внутренней энергией.

Итак, работа и теплота не есть особые формы энергии. Нельзя говорить о запасе теплоты или работы. Это мера переданной другой системе механической или внутренней энергии. Вот о запасе этих энергий можно говорить. Кроме того, механическая энергия может переходить в тепловую энергию и обратно. Например, если стучать молотком по наковальне, то через некоторое время молоток и наковальня нагреются (это пример диссипации энергии). Диссипа́ция энергии (лат. dissipatio — рассеяние) — переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т. п.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте — в теплоту

Можно привести ещё массу примеров превращения одной формы энергии в другую.

Опыт показывает, что во всех случаях, превращение механической энергии в тепловую и обратно совершается всегда в строго эквивалентных количествах. В этом и состоит суть первого начала термодинамики, следующего из закона сохранения энергии.

   Q = ΔU + A

– это и есть первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии в термодинамике.

Теоретическая формулировка

Элементарные частицы тела, обладая кинетической энергией, находятся в постоянном хаотическом движении. А также молекулы и атомы взаимодействуют между собой посредством электрических сил отталкивания и притяжения, что свидетельствует о наличии потенциальной энергии. Кроме того, энергией обладают электроны в атомах. Таким образом, тело наполнено силой, слагаемые которой имеют различную природу.

Компоненты внутренней энергии объекта, не подверженному внешнему воздействию:

  • кинетическое движение частиц;
  • потенциальное межмолекулярное взаимодействие;
  • электронные силы;
  • внутриядерная энергия.

При теоретическом изучении процессов термодинамики используется понятие «идеальный газ»

Упрощённая модель газообразного тела, в отличие от реального газа, предполагает отсутствие гравитационного и электромагнитного взаимодействия между атомами вещества, а также не берётся во внимание энергия ядра. При этом движение молекул, которые представляются материальными точками, не имеющими объёма, ограничивается упругим соударением.

Теория термодинамики предлагает следующую формулировку: «В идеальном газе внутренняя энергия определяется суммарной кинетической энергией теплового движения составляющих его молекул». В Международной системе единиц СИ за единицу измерения энергии принят Джоуль.

В термодинамике главным свойством энергии является функция состояния системы в конкретный момент времени. Поэтому изменение энергии зависит от первоначальных и конечных параметров газового тела и происходит при совершении механической работы или путём теплопередачи. Если работа совершается самим газовым объектом, то внутренняя энергия уменьшается. В случае внешнего физического воздействия энергетический потенциал газового тела увеличивается.

Теплопередачей считается переход внутренней энергии без механического воздействия на газовую среду. Иногда этот процесс называют теплообменом. Существуют следующие разновидности явления:

  • Теплопроводность.
  • Конвекция.
  • Тепловое излучение.

Теплопроводность веществ

При нахождении тела в области повышенной температуры, например, под пламенем горелки или в горячей воде, атомы начинают совершать интенсивные колебательные движения. Тем самым увеличивается кинетическая энергия соседних частиц и происходит постепенная передача теплоты от участка к участку. Таким образом, теплопроводностью называется перенос энергии от тёплых фрагментов объекта к холодным посредством теплового движения частиц среды.

Явление конвекции

Если в газообразную среду поместить горячий предмет, то нагретая субстанция устремится вверх. Освободившееся пространство заполнит газ с меньшей температурой. Аналогичное явление наблюдается в жидкостях.

Конвекцией называется перемещение внутренней энергии в процессе циркуляции газовых или жидкостных потоков, приводящей к перемешиванию вещества. За счёт конвекции, например, происходит обогрев помещений с помощью отопительных приборов. Перемещение воздушных масс в атмосфере также основано на принципах конвекции.

Тепловое излучение

Как известно, атомы состоят из заряженных положительно протонов, вокруг которых вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Хаотическое движение элементарных частиц порождает электрические поля. Принято считать, что тепловое излучение является проявлением электромагнитных волн, которые возникают в результате теплового колебания атомов.

Примеры решения задач на работу в термодинамике

Задача №1. Работа расширения

Условие

При адиабатическом расширении 1 кг воздуха его объем увеличился в 10 раз. Найти работу расширения, если начальное давление 1 атм, а начальная температура 15 °С.

Решение

Зная молярную массу воздуха (29 г/моль), начальный объем можно найти из уравнения Клапейрона-Менделеева:

Не забываем переводить все физические величины из условия в систему СИ.

Из условия находим конечный объем:

Работа равна: 

Ответ: 751 кДж.

Задача №2. Работа в цикле Карно

Условие

Температура нагревателя идеальной тепловой машины составляет 227 °С, а охладителя — 27 °С. За один рабочий цикл тепловая машина получает количество теплоты, равное 100Дж. Какую работу совершает рабочее тело идеальной тепловой машины за один цикл?

Решение

Из формулы для КПД можно выразить искомую работу:

Ответ: 40 Дж.

Задача №3. Работа при выдувании мыльного пузыря

Условие

Определить работу, которую необходимо совершить, чтобы выдуть мыльный пузырь диаметром 10 см.

Решение

Работа, которую нужно совершить, чтобы, выдувая мыльный пузырь, увеличить площадь поверхности мыльной пленки на дельта S, равна:

Здесь сигма – коэффициент поверхностного натяжения для мыльного раствора (берется из таблицы). S – общая площадь двух сферических поверхностей пленки мыльного пузыря (внешней и внутренней). S нулевое – площадь этих поверхностей до выдувания пузыря (этой величиной можно пренебречь).

Ответ: 2,5 мДж.

Задача №4. Графическое представление работы

Условие

Газ расширяется от объёма V1 до объёма V2 один раз изотермически, другой изобарно и третий адиабатно. При каком процессе газ совершает большую работу и при каком газу передаётся большее количество теплоты?


 Решение

Работа численно равна площади криволинейной трапеции. Из рисунка очевидно, что работа при изобарном процессе будет максимальной, при адиабатном минимальной, т. е. 

Ответ: см. выше.

Задача №5. Работа газа

Условие

Газ совершает круговой процесс, состоящий из нескольких этапов. Сначала газ изохорно охлаждается до температуры, при которой его давление равно P2 = 105 Па. Затем он изобарно охлаждается до состояния, из которого возвращается в начальное состояние таким образом, что его давление изменяется с изменением объема по закону Р = αV (α — постоянная величина). Начальные объем и давление газа известны: V1 = 2 м3, Р1 = 4·105 Па. Нарисовать график данного кругового процесса на РV-диаграмме и найти работу, совершенную газом.

Решение

Сначала выполним рисунок:

Точки состояния газа 1 и 3 лежат на прямой, проходящей через центр координат:

C учетом этого, получаем:

Работа газа в данном случае равна площади треугольника 123:

Подставим найденное ранее значение для V3, преобразуем и подставим значения из условия:

Ответ: 2,25*10^5 Дж.

Внутренняя энергия. Формулы

Внутренняя энергия считается важнейшим понятием термодинамики. Макроскопические тела (системы) имеют внутреннюю энергию, состящую из энергии каждой молекулы. Исходя из молекулярно-кинетической теории, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии атомов и молекул, а также потенциальной энергии их взаимодействия.

Например, внутренняя энергия идеального газа равняется сумме кинетических энергий частиц газа, которые находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении. После подтверждений большим количеством экспериментов, был получен закон Джоуля:

Определение 3

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Применение молекулярно-кинетической теории говорит о том, что выражение для определения внутренней энергии 1 моля одноатомного газа, с поступательными движениями молекул записывается как:

U=32NАkT=32RT.

Зависимость от расстояния между молекулами у потенциальной энергии очевидна, поэтому внутренняя U и температура Т обусловлены изменениями V:

U=U(T, V).

Определение 4

Определение внутренней энергии U производится с помощью наличия макроскопических параметров, характеризующих состояние тела. Изменение внутренней энергии происходит по причине действия на тело внешних сил, совершающих работу. Внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Пример 1

Когда газ в цилиндре сжимается под поршнем, то внешние силы совершают положительную работу A’. Силы давления газа на поршень также совершают работу, но равную A=-A’. При изменении объема газа на величину ∆V, говорят, что он совершает работу pS∆x=p∆V, где p – давление газа, S – площадь поршня, ∆x – его перемещение. Подробно показано в примере на рисунке 1.

Наличие знака перед работой говорит о работе газа в разных состояниях: положительная при расширении и отрицательная при сжатии. Переход из начального в конечное состояние работы газа может быть описан с помощью формулы:

A=∑pidVi или в пределе при ∆Vi→:

A=∫V1V2pdV.

Рисунок 1. Работа газа при расширении.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Вопросы на тему «Работа в термодинамике»

Вопрос 1. Что такое работа в термодинамике?

Ответ. Работа – одна из форм обмена энергией термодинамической системы с окружающими телами. Работа, как и энергия, измеряется в Джоулях.

Вопрос 2. Сформулируйте первое начало термодинамики.

Ответ. Первое начало термодинамики гласит: 

У первого начала термодинамики исторически есть несколько формулировок. Одна из них: невозможно построить вечный двигатель первого рода.

Вопрос 3. При каком из изопроцессов работа газа равна нулю?

Ответ. При изохорном процессе объем системы остается неизменным. Следовательно, газ в данном процессе не совершает работу.

Вопрос 4. Как, совершая работу, можно изменить внутреннюю энергию?

Ответ. Если работа совершается над телом (системой), то его внутренняя энергия увеличивается, если же тело само совершает работу, это ведет к уменьшению его внутренней энергии.

Вопрос 5. Как определить работу газа геометрически?

Ответ. Величина работы газа равна площади фигуры под графиком на диаграмме pV

Вступление

Описание любой термодинамической системы использует четыре закона термодинамики, которые образуют аксиоматическую основу. Первый закон определяет, что энергия может передаваться между физическими системами в виде тепла , работы и с переносом материи. Второй закон определяет существование величины, называемой энтропией , которая описывает термодинамически направление, в котором система может развиваться, и количественно определяет состояние порядка системы, и которое может использоваться для количественной оценки полезной работы, которая может быть извлечена из системы. .

В термодинамике изучаются и классифицируются взаимодействия между большими ансамблями объектов. Центральное место в нем занимают концепции термодинамической системы и ее окружения . Система состоит из частиц, средние движения которых определяют ее свойства, а эти свойства, в свою очередь, связаны друг с другом посредством уравнений состояния . Свойства можно комбинировать для выражения внутренней энергии и термодинамических потенциалов , которые полезны для определения условий равновесия и самопроизвольных процессов .

С помощью этих инструментов термодинамика может использоваться для описания того, как системы реагируют на изменения в окружающей их среде. Это может быть применено к широкому кругу вопросов в науке и технике , таких как двигатели , фазовые переходы , химические реакции , явления переноса и даже черные дыры . Результаты термодинамики важны для других областей физики, а также для химии , химической инженерии , инженерии коррозии , аэрокосмической техники , машиностроения , клеточной биологии , биомедицинской инженерии , материаловедения и экономики , и многих других.

В этой статье основное внимание уделяется классической термодинамике, которая в первую очередь изучает системы в термодинамическом равновесии. Неравновесная термодинамика часто рассматривается как продолжение классической трактовки, но статистическая механика внесла много успехов в эту область.. В thermodynamicists представитель первоначальных восьми основателей школы термодинамики

В школах с наиболее длительный эффект в создании современных версий термодинамики берлинская школа, в частности , как установлено в Клаузиус «s 1865 учебник механической теории теплоты , Венской школы, с статистической механики на Людвига Больцмана , и Школа Гиббса в Йельском университете, американский инженер Уиллард Гиббс , 1876 год « О равновесии гетерогенных веществ», положивший начало химической термодинамике .


В thermodynamicists представитель первоначальных восьми основателей школы термодинамики. В школах с наиболее длительный эффект в создании современных версий термодинамики берлинская школа, в частности , как установлено в Клаузиус «s 1865 учебник механической теории теплоты , Венской школы, с статистической механики на Людвига Больцмана , и Школа Гиббса в Йельском университете, американский инженер Уиллард Гиббс , 1876 год « О равновесии гетерогенных веществ», положивший начало химической термодинамике .