Перший закон (початок) термодинаміки.

Закон збереження енергії: енергія замкненої системи ніколи не зникає і не створюється із нічого. Вона лише перетворюється з одного виду в інший або передається від одного тіла до іншого, не змінюючись кількісно.

Отже, згідно з першим початком (законом) термодинаміки підведена до системи кількість теплоти Q частково йде на збільшення внутрішньої енергії ΔU і частково – на виконання цією системою роботи А:

Q = ΔU + А

 

Перший закон термодинаміки носить загальний характер і може застосовуватися до усіх без винятку явищ природи.

 

Задача 62. Яку кількість теплоти треба витратити, щоб з 0,5 кг льоду за температури 0 °С отримати воду з тією самою температурою? Питома теплота плавлення льоду 330 кДж/(кг·К).

 

Д. З. 1. §§ 57 – 59.

2. §§ 5.9, 5.10, 6.1 – 6.4, 6.7, 6.9.

Задачі 5.12, 4.32.

 

 

Заняття 18. Робота газу у термодинамічному процесі..

Робота газу.

Стиснутий газ може виконувати роботу. Уявіть собі циліндр з рухомим поршнем (рис. 28). Доки тиск газу всередині циліндру і оточуючого зовнішнього повітря однаковий, поршень нерухомий. Нехай при цьому температура газу і оточуючого середовища дорівнює Т₁, а тиск дорівнює р₁. Будемо повільно нагрівати газ у циліндрі до температури Т₂. Газ при цьому починає ізобарно розширюватися (зовнішній тиск р залишається незмінним), і поршень зміститься із положення 1 у положення 2 на відстань ℓ.

Тоді робота газу:

А = F∙ℓ = p∙S∙ℓ = p∙ (V₂ – V₁)

Таким чином, робота газу при ізобарному нагріванні:

А = pΔV = p (V₂ – V₁)

Із наведеного на рис. 28 графіку видно, що робота газу при ізобарномунагріванні чисельно дорівнює площі прямокутника висотою р і основою V₂ – V₁.

При ізобарному стисканні газу роботу над ним виконують зовнішні сили, збільшуючи його потенціальну енергію. Графічно ця робота виражається тією самою площею.

При ізотермічному розширенні газу (Т = const) за незмінної маси газу добуток тиску газу р на його об’єм V є величина стала. Тобто, рV = const.

Графік ізотермічного процесу у системі координат рV (рис. 29) являє собою рівнобічну гіперболу, а робота газу дорівнює площі, обмеженій цим графіком (ізотермою), віссю V і ординатами, що відповідають тискам р₁ і р₂ у початковому і кінцевому станах газу.

При ізохорному процесі об’єм газу не змінюється V = const, Δ V = 0, змінюються його тиск і температура. Оскільки об’єм газу не змінюється, то робота газу А = 0. Тобто при ізохорному нагріванні газу уся надана йому теплота повністю витрачається на збільшення його внутрішньої енергії: Q = ΔU.

 

Адіабатний процес.

Термодинаміка вивчає ще один процес, який широко застосовується на практиці – адіабатний процес.

Процес у будь-якій системі, що відбувається без обміну теплом з оточуючим середовищем, називається адіабатним.

Оскільки в адіабатному процесі Q = 0, то перший закон термодинаміки для нього має вигляд:

А = ΔU.

Тобто, при адіабатному розширенні газ виконує роботу лише за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії. При адіабатному стисканні газу його внутрішня енергія зростає.

 

Задача 63. Яку роботу виконує газ, що розширюється ізобарно за тиску 2·10⁵ Па від об’єму 1,6 до об’єму 2,5 л?

 

Задача 64. Знайти зміну внутрішньої енергії для 1 г азоту (N₂) при нагріванні його на 160 К. Питома теплоємність азоту 1 кДж/(кг·К).

 

Задача 65*. Об’єм, що займає 1,45 кг повітря за 0 °С дорівнює 0,5 м³. Після передачі певної кількості тепла воно ізобарно розширилося до 0,6 м³. Знайти виконану роботу, кількість поглинутої теплоти, зміну температури та внутрішньої енергії. Молярна маса повітря 29 г/моль. Питома теплоємність повітря 1 кДж/(кг·К).

 

 

Д.З. 1. § 60.

2. §§ 6.11, 6.12, 6.5; 8.6, 12.5.

Задачі № 4.6, 5.12.

Заняття 19. Теплові машини.

1. Теплові машини. Холодильна машина.

Тепловою машиною називають пристрій для перетворення внутрішньої енергії палива в механічну.

Теплота у теплових машинах отримується здебільшого за рахунок згоряння органічного палива (вугілля, нафтопродуктів, деревини тощо), завдяки теплообміну передається газу. Газ розширюється, виконуючи при цьому роботу проти зовнішніх сил і надаючи руху механізму.

Теплові двигуни діляться на двигуни внутрішнього згоряння, парові і газові турбіни, реактивні двигуни.

У двигунах внутрішнього згоряння, які складаються з одного чи декількох циліндрів, рідке паливо чи газ разом з повітрям подається у циліндри і запалюється. Продукти згоряння, що мають високу температуру і високий тиск тиснуть на поршень, який знаходиться у циліндрі. Поршень при цьому рухається. За допомогою кривошипно-шатунного механізму поступальний рух поршня перетворюється в обертальний рух колінчастого валу, на якому знаходиться масивний маховик. Інерція обертання маховика повертає поршень у початкове положення.

У парових чи газових турбінах пара чи газ, що має високу температуру і високий тиск тиснуть на лопатки турбіни і примушують її обертатися.

Будь-яка теплова машина (рис. 30) складається з нагрівача і робочого тіла. Робоче тіло отримує від нагрівача теплоту Q₁, частина якої перетворюється в роботу А, а інша частина Q₂ передається навколишньому середовищу (холодильнику).

 

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплової машини:

 

 

Максимальне значення ККД ідеальної теплової машини:

 

 

де Т₁ – температура робочого тіла, Т₂ – температура навколишнього середовища.

Холодильна машина – це пристрій для охолодження тіл за рахунок примусової передачі тепла від холодніших тіл до гарячіших завдяки виконанню роботи. Прикладом є домашній холодильник, холодильні установки промислового призначення тощо.

Робочу систему холодильної машини заповнюють рідиною, яка легко випаровується (фреони, аміак та ін.), її називають холодоагентом. За допомогою компресора газоподібний холодоагент стискується. При цьому його температура зростає і стає вищою за температуру оточуючого середовища. У зовнішньому теплообміннику (радіаторі) холодоагент охолоджується практично до температури оточуючого середовища, віддаючи йому при цьому теплоту. Потім стиснутий і охолоджений газоподібний холодоагент проходить через вузький отвір (діафрагму). Швидкість його молекул, а отже і їх кінетична енергія, зростає за рахунок потенціальної енергії. При цьому газ скраплюється, охолоджуючись до температури близько – 30 ° С. Рідкий холодоагент проходить через внутрішній теплообмінник у морозильній камері. Відбираючи тепло від внутрішнього об’єму холодильника він нагрівається і випаровується. Потім холодоагент знову надходить до компресора і цикл повторюється.

Існують холодильники (наприклад абсорбційні), у яких використовуються інші процеси.

Загальним для усіх типів холодильників є те, що для отримання холоду необхідно виконувати роботу.

 

1. Необоротність теплових процесів.

Без виконання роботи не можна відбирати теплоту від холодніших тіл до гарячіших. Теплота сама по собі переходить завжди від гарячих тіл до холодних. А це означає, що теплові процеси є необоротними.

Необоротність теплових процесів полягає у тому, що, по-перше, неможливо всю кількість теплоти, отриманої від якогось тіла, перетворити в еквівалентну йому роботу і, по-друге, процес, єдиним результатом якого є передача теплоти від холоднішого тіла до гарячішого, є неможливим (ІІ закон термодинаміки).

Якщо уся робота може перетворюватися в теплоту (А = Q), то зворотний процес є неможливим у повному обсязі (Q ≠ A; Q > A).

 

Задача 66. Визначити максимальний ККД парової турбіни, якщо температура пари, що надходить в турбіну, дорівнює 250 °С, а температура холодильника 30 °С.

 

Д.З. §§ 61.

 

 

ДОДАТКИ

 

Таблиця 1. Фізичні сталі

 

Величина	Позначення	Значення
Стала Авогадро	NA	6,02∙10 ^–23 моль^-1
Стала Больцмана	K	1,38∙10 ^–23 Дж/К
Універсальна газова стала	R	8,31 Дж / (моль∙К)
Електрична стала	ε0	8,85·10^-12 Ф/м
Заряд електрона	Е	1,6·10^-19 Кл
Маса електрона	mе	9,11·10^-31 кг
Магнітна стала	μ0	4π·10^-7 Гн/м

 

 

Таблиця 2. Питома теплоємність деяких речовин

 

Речовина	с, Дж/(кг·К)		Речовина	с, Дж/(кг·К)
Т в е р д і т і л а
Алюміній			Олово
Залізо, сталь			Парафін
Золото			Платина
Латунь			Свинець
Лід			Срібло
Мідь			Скло
Р і д и н и
Вода			Масло машинне
Гліцерин			Ртуть
Гас			Спирт етиловий
Г а з и (з а с т а л о г о т и с к у)
Азот			Повітря (μ=29 г/моль)
Водень
Водяна пара			Гелій
Вуглекислий газ			Кисень

 

Таблиця 3. Температура кипіння та питома теплота пароутворення

і конденсації деяких рідин (за нормального тиску)

 

Речовина	tк, ºС	r, Дж/кг		Речовина	tк, ºС	r, Дж/кг
Аміак	– 33,4	1,37·10 ^6		Спирт		8,57·10 ^5
Вода		2,26·10 ^6		Ртуть		2,85·10 ^5
Скипидар		2,94·10 ^5		Ефір		3,5·10 ^5

 

Таблиця 4. Поверхневий натяг деяких рідин

(за 20 ºС)

 

Речовина	σ, Н/м		Речовина	σ, Н/м
Вода	0,072		Ефір етиловий	0,017
Гліцерин	0,059		Масло касторове	0,033
Гас	0,024		Мильний розчин, 1 %	0,04
Ртуть	0,47		Скипидар	0,027
Спирт етиловий	0,022		Бензин	0,029

Таблиця 5. Температура плавлення та питома теплота

Плавлення твердих тіл

 

Речовина	Tпл, ºС	λ, Дж/кг		Речовина	Tпл, ºС	λ, Дж/кг
Алюміній		3,8·10 ^5		Ртуть	– 39	1,25·10 ^4
Вольфрам		2,6·10 ^4		Свинець		2,5·10 ^4
Залізо		2,7·10 ^5		Срібло		8,8·10 ^4
Латунь		–		Сталь		2,1·10 ^5
Мідь		1,8·10 ^5		Цинк		1,18·10 ^5
Олово		5,8·10 ^4		Чавун білий		1,3·10 ^5
Припій м’який	135-200	–		Чавун сірий		9,7·10 ^4

 

 

Таблиця 6. Психрометрична таблиця

 

Показання сухого термометра, °С

Різниця показань сухого і вологого термометрів, °С

Відносна вологість, %

 

Таблиця 7. Тиск і густина насичуючої водяної пари

Температура, °С	Тиск, Па	Густина, г/м^3		Температура, °С	Тиск, Па	Густина, г/м^3
– 20		0,9				10,0
– 10		2,1				10,7
– 5		3,2				11,4
– 1		4,5				12,1
		4,8				12,8
		5,2				13,6
		5,6				14,5
		6,0				15,4
		6,4				16,3
		6,8				17,3
		7,3				23,0
		7,8				30,3
		8,3				83,0
		8,8				293,0
		9,4				598,0

 

МНОЖНИКИ ТА ПРИСТАВКИ ДЛЯ УТВОРЕННЯ КРАТНИХ

І ЧАСТКОВИХ ОДИНИЦЬ ТА ЇХ НАЙМЕНУВАННЯ

Множник	Приставка
Найменування	позначення
українське	міжнародне
10^12	Тера	Т	Т
10^9	Гіга	Г	G
10^6	мега	М	M
10^3	кіло	к	k
10^-2	санти	с	c
10^-3	мілі	м	m
10^-6	мікро	мк	μ
10^-9	нано	н	n
10^-12	піко	п	p

 

ЛАТИНСЬКА АБЕТКА

 

A a	а	N n	ен
B b	бе	O o	о
C c	це	P p	пе
D d	де	Q q	ку
E e	е	R r	ер
F f	еф	S s	ес
G g	ге (же)	T t	те
H h	ха (аш)	U u	у
I і	і	V v	ве
J j	йот (жі)	W w	дубль-ве
K k	ка	X x	ікс
L l	ель	Y y	ігрек
M m	ем	Z z	зет

ГРЕЦЬКА АБЕТКА

 

A α	альфа	Ν ν	ні (ню)
Β β	бета	Ξ ξ	ксі
Γ γ	гама	Ο ο	омікрон
Δ δ	дельта	Π π	пі
Ε ε	епсілон	Ρ ρ	ро
Ζ ζ	дзета	Σ σ	сігма
Η η	ета	Τ τ	тау
Θ θ	тета	Ύ υ	іпсилон
Ι ι	йота	Φ φ	фі
Κ κ	капа	Χ χ	хі
Λ λ	лямбда	Ψ ψ	псі
Μ μ	мі (мю)	Ω ω	омега

 

ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ

 

 

1. Фізика: підр. для 10 кл. загальноосв. навч. закл.: (рівень стандарту)/В.Д. Сиротюк, В.І.Баштовий. – К.: Освіта, 2010.
2. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданова. Физика для средних специальных заведений – М.: Наука, 1984.
3. Сборник задач и вопросов по физике для средних специальных заведений / Под ред. Р.А. Гладковой – М.: Наука, 1988.