Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Закон термического равновесия

Поиск

Для одноатомных газов кинетическая энергия есть энергия поступательного движения. Из классической механики известно, что энергия поступательного движения частицы определяется её скоростью и массой.

, (4.1)

где m – усредненная масса и u – средняя скорость движения атомов.

Из статистической физики следует, что средняя кинетическая энергия частицы, обладающей только поступательным движением, прямо пропорциональна свойству системы – температуре Т.

, (4.2)

где k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Совместное решение уравнений (4.1) и (4.2) приводит к выражению абсолютной температуры как величины, прямо пропорциональной средней кинетической энергии микрочастиц системы

. (4.3)

Для таких объектов, как атомы, например атомы инертных (благородных) газов, температура определяется энергией поступательного движения. В случае многоатомных молекул кинетическая энергия включает энергию различных видов движения. Представим модель трехатомной молекулы в виде шариков, связанных пружинками. Для такой молекулы характерна энергия поступательного, колебательного движения атомов в молекуле, а также вращательного и деформационного движения (рис. 33).

Е кин. = Е пост. + Е колеб. + Е вращ. + Е деформ.

 

Рис. 33. Формы движения трехатомной молекулы

 

Для системы, состоящей из громадного числа микрочастиц разной массы и совершающих разнообразные движения, а не только поступательное движение, температура системы является отражением всех форм движения частиц и абсолютная температура системы Т определяется средней кинетической энергией микрочастиц.

Рассмотрим построение термометрической шкалы на примере расширения – сжатия газа. Для идеального газа характерны два свойства: 1) объем молекул газа, много меньше объема, занятого всем газом; 2) радиус взаимодействия двух молекул значительно меньше среднего расстояния между ними.

Идеальных газов как таковых не существует, но можно взять инертный газ или молекулярный азот. Они с успехом выполняют функцию идеального газа.

Заполним газом сосуд постоянного объема (V = const). Измерим давление газа (р 2) в сосуде при температуре кипящей воды (Т 2) и давление газа (р 1) при температуре таящего льда (Т 1). При постоянном атмосферном давлении

(р = 1 атм) эксперимент всегда дает одно и то же отношение давлений газа в кипящей воде и плавящемся льду:

.

Сделаем первое допущение, примем, что отношение давлений прямо пропорционально отношению температур

,

тогда . (4.4)

Введем второе допущение, примем, что разность температур Т 1 и Т 2 равна 100

Т 2Т 1 = 100. (4.5)

Совместное решение уравнений (4.4) и (4.5) позволяет установить численное значение температуры кипения воды и плавления льда по так называемой абсолютной шкале температур. Температура кипения воды Т 2 = 373.15 К, а температура плавления льда Т 1 = 273.15 К. Абсолютная шкала температур всегда положительна. Она введена английским физиком У. Томсоном (лордом Кельвином).

Закон термического равновесия утверждает, что две системы, находящиеся в термическом равновесии с третьей системой, состоят в термическом равновесии друг с другом (рис. 34).

 

 
 

 


Рис. 34. Термическое равновесие между телами. Если Т 1 = Т 3 и Т 2 = Т 3, то Т 1 = Т 2

 

Первый закон термодинамики

Любая система обладает энергией. Энергияесть качественная и количественная характеристика движения и взаимодействия объектов материального мира.

Твердые тела, жидкости и газы проявляют разнообразные свойства, зависящие от природы атомов и молекул, составляющих эти тела. Они способны обмениваться энергией с окружающей средой, изменять агрегатное состояние в результате фазовых переходов или химический состав в результате реакций, проявлять (или не проявлять) ионную и электронную проводимость, разную степень теплопроводности, теплоемкости и бесчисленное число других физико-химических свойств. Процесс изменения физико-химического состояния вещества подчиняется фундаментальному закону сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно; она лишь превращается из одних видов в другие в строго эквивалентных количествах. Закон есть результат многовековых наблюдений, подтверждается экспериментальными данными и не имеет исключений.

Первый закон термодинамики есть частный случай закона сохранения энергии. Он применим к тепловым процессам, в которых обмен системы энергией с окружающей средой осуществляется в форме теплоты Q и работы А.

Рассмотрим систему, представляющую собой идеальный газ в цилиндре под поршнем (рис. 35). Внешним источником энергии для такой системы выступает нагреватель. Пусть нагреватель передает идеальному газу некоторое количество энергии в форме теплоты Q [Дж]. В результате такого воздействия увеличивается внутренняя энергия системы D U (поднимается температура газа) и совершается работа А перемещения груза на некоторую высоту. В соответствии с законом сохранения энергии получаем:

Q = D U + А (4.6)

Уравнение (4.6) является аналитическим выражением первого закона термодинамики: энергия, полученная (отданная) системой в форме теплоты, равна алгебраической сумме изменения её внутренней энергии и совершенной ею (над ней) работы.

Рис. 35. Изменение энергетического состояния системы (газ в цилиндре под поршнем) при нагревании

 

Формулировка первого закона указывает, что движение энергии возможно в любых направлениях и к системе, и от неё. На рис. 36 демонстрируются принятые в термодинамике знаки для работы, теплоты и внутренней энергии.

 

Пример. При сгорании 10 л бензина в автомобильном двигателе выделилось энергии в форме теплоты Q (горение) = 460×103 кДж. На нагревание окружающей среды (раскаленные выхлопные газы) затрачено энергии в форме теплоты Q (окр. среда) = 345×103 кДж. Часть энергии сгоревшего бензина израсходована на увеличение внутренней энергии D U = 10×103 кДж (нагревание двигателя). Вычислить количество бензина, израсходованное на движение автомобиля. И определить коэффициент полезного действия машины, работающей на бензине.

 

Решение

Согласно первому закону термодинамики

Q = D U + А

460×103 + (-345×103)= 10×103 + А

А = 105×103 кДж.

Коэффициент полезного действия h равен:

h .

Из 10 л бензина на движение автомобиля расходуется V = 10×0,228 = 2.28 л, а 7.72 л израсходованы на нагревание окружающей среды, включая нагревание двигателя, который при остывании также нагревает воздух.

 

В термодинамике принята следующая система знаков для оценки направления процессов обмена энергией системы с окружающей средой (рис. 36).

 
 

 


Рис. 36. Модель возможных маршрутов обмена энергией системы с окружающей средой в форме теплоты и работы

 

Эндотермический [ др.-греч endon внутри, qermh тепло] процесс – есть процесс, происходящий с поглощением системой энергии в форме теплоты (Q) из окружающей среды. Численное значение (Q) берется со знаком плюс, например, (Q) = + 100 кДж.

Экзотермический [др.-греч. exw снаружи, вне] процесс – есть процесс, происходящий с выделением системой энергии в форме теплоты (Q) в окружающую среду. Численное значение берется со знаком минус, например,

(Q) = - 100 кДж.

Для работы знаки выбираются иначе. Если система совершает работу, она считается положительной. Например, автомобиль (система) везет пассажиров. Но если приходится пассажирам толкать машину, у которой заглох двигатель, то эта работа считается отрицательной.

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-12-10; просмотров: 269; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.191.178.145 (0.007 с.)