Тема 15. Основные понятия термодинамики. Первое начало термодинамики.

1. Основные понятия в термодинамике.

Термодинамика – это раздел физики, в котором рассматриваются любые процессы (механические, электрические, магнитные, химические и др.) с учетом сопровождающих их тепловых явлений.

Термодинамика, как и молекулярная физика, применима только к системам, состоящим из очень большого числа частиц (нельзя применять законы термодинамики к 2-3 молекулам). В термодинамике не рассматривается поведение частиц внутри системы. Вся система изучается в целом и характеризуется едиными для системы характеристиками, например, теплоемкостью, диэлектрической или магнитной проницаемостью и пр.

В основе термодинамики лежат два начала (закона), полученные на основе опытных данных. I начало термодинамики – это по существу закон сохранения энергии с учетом тепловых явлений, II начало термодинамики определяет направление протекания физических процессов.

Термодинамическая система - это система, состоящее из большого числа частиц. Состояние системы описывается макропараметрами  температура, давление, объем, намагниченность и многие другие. Термодинамическое равновесие или состояние термодинамического равновесия – это состояние, в которое самопроизвольно приходит система, находящаяся в неизменных внешних условиях.

Величины, которые зависят только от состояния системы и не зависят от процессов, посредством которых система пришла в данное состояние, называются функциями состояния. К таким величинам относятся: внутренняя энергия U, энтропия S, температура Т и др.

Работа и теплота – это две формы передачи энергии от одних тел к другим. При совершении работы меняется относительное расположение тел или частей тела. Передача энергии в виде теплоты осуществляется при контакте тел – за счет теплового движения молекул.

		количество теплоты, передаваемое при нагревании (охлаждении) тела.
с (Дж/кг.К)	удельная теплоемкость - по смыслу – это количество теплоты, необходимое для нагревания единичной массы на один градус
С (Дж/кмоль.К)	молярная теплоемкость  это количество теплоты, необходимое для нагревания одного киломоля (или моля) вещества на один градус
	связь между молярной и удельной теплоемкостями

	работа в газах (по определению): ( ) «+»А – работа газа «»А – работа внешних сил над газом
		только при постоянном давлении

К внутренней энергии относят: 1)кинетическую энергию теплового движения молекул (но не кинетическую энергию всей системы в целом), 2)потенциальную энергию взаимодействия молекул между собой, 3)кинетическую и потенциальную энергию колебательного движения атомов в молекуле, 4)энергию связи электронов с ядром в атоме, 5)энергию взаимодействия протонов и нейтронов внутри ядра атома.

Внутренняя энергия идеального газа – это кинетическая энергия теплового движения его молекул. Она зависит только от температуры газа.

внутренняя энергия идеального газа

изменение внутренней энергии идеального газа

2. Первое начало термодинамики.

1	«Теплота Q, сообщаемая системе идет на увеличение внутренней энергии dU системы и на работу A, совершаемую системой против внешних сил»
2	«Изменение внутренней энергии dU системы происходит только за счет сообщения ей теплоты и (или) совершения над ней работы внешними силами»(А =  А)
3	«Невозможно построить вечный двигатель первого рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу бóльшую, чем затраченная теплота»	если система возвращается в исходное состояние, dU = 0 и A= Q

Первое начало термодинамики «разрешает» построение такой тепловой машины, которая переводила бы всю затраченную теплоту в работу. Такая машина получила название вечного двигателя второго рода. Но согласно второму началу термодинамики создание такой машины невозможно. Иначе говоря, в любой тепловой машине всегда получается работы меньше, чем затрачивается энергии, часть затраченной энергии рассеивается в окружающей среде.

3. Применение первого начала термодинамики к изохорическому процессу.

Изохорический процесс. Его можно осуществить, нагревая газ при закрепленном поршне.

;		после сокращений получим выражение для теплоемкости СV
	молярная теплоемкость идеального газа при постоянном объеме она не зависит от температуры и определяется только числом степеней свободы молекул

4. Применение первого начала термодинамики к изобарическому процессу.

Изобарический процесс.

		подставим dQ, dU и А в I начало и после сокращений получим Ср
	молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении – не зависит от температуры

связь между молярными теплоемкостями, Ср  СV потому, что при теплота идет не только на увеличение внутренней энергии, но и на работу против внешних сил

5. Применение первого начала термодинамики к изотермическому процессу.

Изотермический процесс.

6. Применение первого начала термодинамики к адиабатном процессе.

Адиабатический процесс – это процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.

(1)		из I начала термодинамики; чтобы проинтегрировать это уравнение, надо «избавиться» от одной из переменных p,V, T.
		найдем dT, продифференцировав уравнение Менделеева-Клапейрона и подставим в (1)
		сокращая и учитывая, что , получим дифференциальное уравнение с двумя переменными p и V
		разделим переменные, обозначим  = Ср / СV и проинтегрируем; lnС – константа интегрирования

	уравнения адиабатического процесса.

показатель степени адиабаты или коэффициент Пуассона

7. Работа при адиабатическом процессе.

Работу, совершаемую при адиабатическом процессе можно найти, проинтегрировав уравнение I начала термодинамики: .

или

Работу можно выразить через другие параметры, используя уравнения адиабаты:

8. Теплоемкость идеального газа.

Из приведенных выше формул следует, что теплоемкость идеального газа не зависит от температуры газа, а определяется только числом степеней свободы молекул. Для многих одноатомных и двухатомных газов опыт подтверждает этот вывод для умеренных температур. Но при низких и высоких температурах наблюдается характерная зависимость теплоемкости от температуры.