- •46. Барометрическая формула — зависимость давления или плотности газа от высоты в поле тяжести.
- •Формула
- •48. Первый закон термодинамики
- •Термодинамическая работа
- •49. Теплота (обозначается q, также называется количество теплоты) — мера энергии, переходящей от одного тела к другому в процессе теплопередачи. В системе сИединицей измерения теплоты является джоуль.
- •50. Теплоемкость идеального газа в изопроцессах
Формула
, где — эффективное сечение молекулы, — концентрация молекул.
48. Первый закон термодинамики
Первый закон (первое начало) термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии в применении к тепловым процессам.
Если механическая энергия системы не изменяется, а система не замкнута и между ней и окружающей средой происходит теплообмен, то изменяется внутренняя энергия:
ΔU=Q+Avn.(1)
Уравнение (1) — первый закон термодинамики, который формулируется так: изменение внутренней энергии при переходе термодинамической системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил и количеству теплоты, переданному термодинамической системе в процессе теплообмена.
Если вместо работы внешних сил Avn ввести работу A системы над внешними телами А = -Avn, то выражение (1) запишется:
Q=ΔU+A.(2)
Тогда первый закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой против внешних сил.
Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затраты энергии извне.
Действительно, если к системе не подводится энергия (Q = 0), то A = -ΔU и работа может быть совершена за счет убыли внутренней энергии системы. После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.
Если система замкнута (Avn = 0) и теплоизолирована (Q = 0), то первый закон термодинамики будет иметь вид:
ΔU=0.
Если в такой системе имеются тела с различной температурой, то между ними будет происходить теплообмен: тела, у которых температура выше, будут отдавать энергию и охлаждаться, а тела с меньшей температурой будут получать энергию и нагреваться. Это будет происходить до тех пор, пока температуры у всех тел не станут одинаковыми. При этом
ΔU1+ΔU2+…+ΔUn=0
или
Q1+Q2+…+Qn=0.(3)
Первый закон термодинамики (3) для замкнутой и адиабатически изолированной системы называют уравнением теплового баланса. Выражение (3) представляет собой алгебраическую сумму: слагаемые, соответствующие нагреванию, парообразованию, плавлению, положительны, а соответствующие охлаждению, конденсации, кристаллизации, — отрицательны.
Применение первого закона термодинамики к различным тепловым процессам в идеальном газе
1) Изохорный процесс.
Объем не изменяется: V = const => ΔV = 0 — работа не совершается. Первый закон термодинамики будет иметь вид:
Q=ΔU.
При изохорном процессе энергия, сообщаемая газу путем теплообмена, расходуется целиком на увеличение его внутренней энергии, причем согласно (1)
ΔU=i2mMRΔT.
2) Изотермический процесс.
Температура газа не изменяется: Τ = const. Следовательно, ΔU = 0. Первый закон термодинамики имеет вид:
Q=A.
При изотермическом процессе все подведенное к газу количество теплоты идет на совершение газом работы.
3) Изобарный процесс.
Давление не изменяется: p = const.
При расширении газ совершает работу Α = pΔV и нагревается, т.е. изменяется его внутренняя энергия:
ΔU=i2mMRΔT.
Первый закон термодинамики запишется так:
Q=A+ΔU.
При изобарном процессе подведенное к газу количество теплоты частично идет на увеличение его внутренней энергии, а частично на работу, совершаемую газом в процессе его расширения.