Лекции / Лекции (Павлова) / L6

Лекция №6.

Оказалось, что не только механическое тепло переходит в работу, но и наоборот, а также все энергии переходят в друг друга в строго эквивалентном отношении.

Д ля циклического процесса принцип эквивалентности записывается в виде:

Закрытая система. Алгебраическая сумма тепла и работы призарных способах перехода системы из первого состояния в другое сохраняет постоянную величину, в циклическом процессе=0, в первом законе термодинамики постулируется связь этой суммы с изменением внутренней энергии системы (U).

Внутренняя энергия зависит только от состояния системы. Теплота, подводимая к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы. Первое начало термодинамики можно сформулировать так: в любом процессе в приращении внутренней энергии системы (∆U=U₂-U₁) равно количеству сообщаемой системы теплоты “–” количество работы, совершенной системой.

∆U=Q-A

Свойства ∆U: ее изменение определяется только начальным и конечным состоянием системы.

∆U – функция состояния – не зависит от пути проведения процесса.

Функция состояния.

Функция от параметров состояния, если ее значения зависят только от этих параметров, и не определяется процессами предшествующими этапу состояния. A и теплота не являются функциями состояния системы, они зависят от пути процесса, определяют следующим образом

dU=Q-A

с

и значит

формулировано первое начало т/д Майером, Джоуль в несколько иной формулировке; Гельмгольц ввел в первое начало т/д наряду с механической работой и другими видами работы. Наиболее часто рассматриваются процессы в которых рассматривается работа расширения.

dU=-pdV

Другие виды работы, которые не связаны с изменением объема системы – полезные работы.

Р

Поверхностное натяжение

абота по поднятию силы тяжести: A=pdh=mgdh

Работа по переносу заряда между двумя потенциалами: A=dl

Работа по изменению поверхности жидкости на величину dS: A=….dS

В формулировке Гельмгольца первое начало термодинамики записывается так:

Полезные работы

dU=Q-pdV-A

Наиболее полезной работой называется та, которой система может получить за счет химических превращений.

dV – экстенсивное свойство

р_вн=р_сист+р

р_внр_сист , значит в равновесных условиях р -внутренние свойства.

Закон сохранения энергии, связывает ее изменения в системе с величинами, характеризующими процесс, а не описываемыми состояние системы.

Справа стоят величины (интенсивные: p, ) относящимися к внешней среде, но для описания свойств системы нужны ее параметры. Для экстенсивных величин V, q – в силу закона сохранения …. взаимосвязь

dV_внеш=-dV_сист

dl_внеш=-dl_сист

на границе может возникать перепад давления, разделять потенциал, наличие этих перепадов – причина протекания процессов.

Только при равновесии интенсивные параметры на границе система – внешняя среда равные друг другу.

_iвнеш=_iсист+_с.

Учитывая эту взаимосвязь для закона сохранения можно записать следующее выражение:

DU_сист=Q_{внеш.среда} - p_систdV_сист - dl_сист

На основе первого закона термодинамики в общем случае нельзя выразить Q_внеш через параметры системы.

Закрытая система. Для более частого случая изолированной системы имеем: Q=0 (нет теплообмена), А=0. В соответствии с первым законом термодинамики dU=Q-A; dU=0  U=const, т.о. внутренняя энергия изолированной системы – величина постоянная.

обмен веществ с внешней средой

Открытая система. Внутренняя энергия зависит от массы.

Первый закон термодинамики записывается в виде:

∆U=Q-A+E_м

dU=Q-A+dE_м

Помимо работы и теплообмена возможны другие механизмы обмена энергией между системой и внешней средой. Например за счет взаимодействия с квантами лучистой энергии, электромагнитным полем …, в этом случае в правой части в одно значение т/д приписывают дополнительно составляющие слагаемые (E*).

∆U=Q-A+E_м+E*

dU=Q-E_м+dE*

Приложение первого начала термодинамики к простейшим процессам.

1. Изотермическое, обратимое расширение идеального газа.

И

(pV)_T=const

деальный газ (здесь) – который подчиняется закону ГейЛюссака - Джоуля помимо Клайперона - Менделеева, согласно закону Г.-Д. энергия идеального газа зависит от температуры, но не зависит от p, V. Идеальный газ также подчиняется закону Бойля.

К анализу опыта Гейлюссака можно подойти с т. зрения первого начала т/д, после установление равновесия в системе не наблюдалось изменений температуры, т.к. во втором сосуде р=0, при открытии газа A не совершалось. Q=0 A=0  не происходило изменений внутренней энергии, т.е. dU=0, и (….U/….V)_T=0

∆=Q-A

PV=RT

PV=nRT

Q=A T=const ∆U=0

Работа при обратном изотермическом расширении газа, тем меньше, чем меньше температура

2. И зохорический процесс. V=const, т.е. ∆V=0. Отсюда работа расширяется.

значит вся теплота сообщаемая системе идет на изменение внутренней энергии.

∆U=Q_V

В изохорическом процессе теплота является мерой измерения внутренней энергии и в этом случае эта теплота приобретает свойства функции состояния.

3. И

   A’=0 если только работа расширения

   зобарический процесс. p=const

Q _p=∆U_p+p(V₂-V₁)=U₂-U₁+pV₂-pV₁=(U₂+pV₂)-(U₁+pV₁)

Справа стоит функция состояния U, p и V – свойства системы, не зависящие от процесса, а (U+pV) – энтальпия.