Работа равновесного процесса.

Состояние системы газа может быть равновесным или неравновесным. Равновесным считают состояние, при котором параметры газа (p, V, T) остаются неизменными сколь угодно долго, пока какие-либо внешние воздействия не выведут систему из этого состояния (предполагается отсутствие потоков, теплоты.). Примером равновесного состояния может служить система из воды и пара, помещенная в закрытый теплоизолированный сосуд.Каждое равновесное состояние системы можно изобразить в системе координат одной точкой, координаты которой указывают определенное

значение параметров системы.

Работа газа.

Газ, находящийся в сосуде, при повышенном давлении стремится расшириться, т. е. увеличить занимаемый им объем. Если несмотря на препятствующие внешние силы, газ увеличился в объеме, то при этом газу пришлось совершить работу по преодолению этих сил. Аналогично при сжатии газа, находящегося в сосуде, приходится совершать работу по преодолению давления газа. Чтобы определить работу сжатия или расширения газа, предположим,

что некоторое количество газа находится в цилиндре под поршнем,

скользящим без трения, к которому приложена внешняя сила Р.Если давление газа р, а площадь поперечного сечения поршня S, то сила давления равна рS, а совершаемая газом работа ∆L=р*S*∆h. Но произведение S∆h есть элементарное изменение объема ∆V, занимаемого газом. Таким образом: ∆L =р∆V. Работа по преодолению внешних сил зависит не только от начального и конечного состояний, но и от пути, по которому совершается процесс.Площадь, ограниченная кривой p = f1(V) и абсциссами V1и V2, не равна площади, ограниченной кривой p = f2(V) и теми же абсциссами. Не равны также и работы, совершаемые газом в этих процессах. В СИ единицей работы и энергии является джоуль (Дж).

Внутренняя энергия газа.

Молекулы газа обладают кинетической энергией хаотического движения и потенциальной энергией взаимодействия. Сумма внутренней кинетической и потенциальной энергий называется внутренней энергией газа U. В общем случае внутренняя энергия газа является функцией его состояния. При переходе газа из состояния 1 с параметрами (p1, V1, Т1) в состояние2 с параметрами (p2, V2, Т2) внутренняя энергия изменяется на ∆U =U1– U2, где U1и U2– соответственно внутренняя энергия газа в начальном и конечном состояниях. Изменение энергии ∆U не зависит от характера процесса, а зависит только значений энергии в начальном и конечном состояниях.

Сущность первого закона термодинамики.

Если к М кг газа, занимающего при температуре Т объем V м3, подвести при постоянном давлении некоторое количество теплоты dQ, то в результате этого температура газа повысится на dT, а объем – на dV. Повышение температуры связано с повышением средней кинетической энергии хаотического движения молекул dK. Увеличение же объема приводит к увеличению расстояния между молекулами, а следовательно, к изменению потенциальной энергии взаимодействия между ними dH.

Вместе с тем, увеличивая свой объем, газ совершает работу dL по

преодолению внешних сил. На основании закона сохранения энергии можно записать (при

отсутствии иных процессов в рабочем теле): dQ=dK+ dH+dL. Сумма dK + dH представляет собой изменение внутренней энергии системы молекул dU в результате подвода теплоты. Уравнение: dQ= dU+ рdV Представляет собой математическое выражение первого закона термодинамики: количество теплоты dQ, подводимое к системе газа,затрачивается на изменение ее внутренней энергии dU и совершение

внешней работы dL. Первый закон термодинамики имеет еще одну формулировку: энергии изолированной термодинамической системы остается неизменной

независимо от того, какие процессы в ней протекают.

Второй закон (начало) термодинамики.

Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии.

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому. Второе начало термодинамики запрещает (?) так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не

может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0.Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Формулировки второго закона термодинамики.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала

термодинамики:Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса). Постулат Томсона: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет

охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона). нельзя построить периодически действующую машину, все действия которой сводились бы только к производству механической работы и охлаждению одного источника теплоты» - необходимо иметь кроме нагревателя еще и холодильник, температура которого все время должна оставаться ниже температуры нагревателя.

Энтропия.

Энтропия является еще одним (кроме P, V, T) параметром, характеризующим термодинамическую систему.Понятие энтропии не имеет физического смысла, введено формально на основании математических соображений применительно к идеальному

газу. Энтропия S – величина, изменение которой ds в элементарном

процессе равно отношению элементарного количества теплоты dq,

участвующей в этом процессе, к постоянной температуре Т. dq/ Т= ds. Изменение энтропии рабочего тела, а не ее абсолютное значение в каких-либо состояниях характеризует количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе.

Понятие о круговом процессе.

В каждом двигателе, в котором теплота превращается в работу, рабочее

тело должно расширяться. Продолжительное и безостановочное действие

двигателя для получения большого количества энергии требует

непрерывного повторения рабочим телом процесса расширения. Это возможно осуществить двумя путями. Первый путь заключается в том, что рабочее тело расширяется и удаляется из двигателя, а взамен его из источника поступает новая порция

рабочего вещества, которое вновь расширяется. Второй путь сводится к тому, что рабочее тело после расширения возвращается в исходное состояние путем сжатия, а затем вновь расширяется. Согласно первому закону термодинамики для процесса расширения q1= ∆u1+ l1, а для сжатия q2= ∆u2+ l2. Разность количества подведенной и отведенной теплоты q = q1- q2= ∆u1+ l1- ∆u2- l2.

Коэффициент полезного действия машины.

Степень использования теплоты в цикле определяется термическим коэффициентом полезного действия (η), представляющим отношение количества теплоты, превращенной в работу, к количеству затраченной теплоты: ηт=q1-q2/q1 или ηт=l/q1.

Цикл Карно.

Из всех циклов, встречающихся в термодинамике, особое значение имеет так называемый цикл Карно. Этот идеальный цикл теплового двигателя был предложен французским инженером Сади Карно в связи с исследованием работы паровых машин. Чтобы построить цикл Карно, что 1 кг идеального газа, взятого в качестве рабочего тела, находится в теплоизолированном цилиндре с подвижным поршнем, причем рабочее тело может периодически сообщаться то с горячим бесконечным источником теплоты, имеющим температуру T1, то с холодным бесконечным телом, имеющим температуру T2 и выполняющим роль холодильника.