1.4. Перший закон термодинаміки

Програма.

Закон збереження і перетворення енергії. Калоричні параметри. Внутрішня енергія. Ентальпія і ентропія як функція стану тіла. Теплота і робота як функція процесу. Вираз теплоти і роботи через термодинамічні параметри стану. Робоча (p - v) і теплова (T - S) діаграми. Графічне зображення роботи і теплоти.

Перший закон термодинаміки, його суттєвість і формулювання. Дві форми аналітичного виразу першого закону термодинаміки.

Методичні вказівки. Калоричні параметри характеризують тепловий (енергетичний) стан тіла або системи. Внутрішня енергія u - це енергія хаотичного руху молекул тіла. Ентальпія i включає в себе енергію руху молекул і роботу, яку вчиняє газ об’ємом v при внесенні його в середовище з тиском р (i = u + pv). Ентропія s характеризує міру теплової взаємодії тіла з довкіллям. Вона змінюється тільки тоді, коли відбувається теплообмін.

При вивченні даної теми студент повинен зрозуміти, що, незважаючи на те, що робота і теплота - два різних способи передачі енергії, загальна їх властивість - передача енергії може відбуватися тільки під час процесу - при змінюванні параметрів стану робочого тіла. При цьому повинна бути умова протікання процесу (рушійна сила) і його результат - зміна характерної для цього процесу властивості.

Так, щоб відбувався теплообмін, потрібні тіла з різною температурою, тобто температура (Т) є потенціалом, рушійною силою теплообміну; щоб вчинялася робота, потрібний силовий вплив, що виникає при різниці тиску, тобто тиск (р) є потенціалом, рушійною силою механічної дії - роботи.

В наслідок силової взаємодії відбувається змінення об’єму - тіло вчиняє роботу l =  p  v . В наслідок теплової взаємодії відбувається змінення ентропії тіла - передається теплота q =  T   s .

pT

2

1

2

1

l

q

v s

Площа, яка обмежена лінією процесу, осю v і ординатами, опущеними на неї з точок 1 і 2, є графічне зображення роботи в координатах p - v. Площа, яка обмежена лінією процесу, осю s і ординатами, опущеними на неї з точок 1 і 2, є графічне зображення теплоти в координатах T - s. Відповідно діаграма p - v отримала назву робочої, а діаграма T - s - теплової.

Дві форми аналітичного виразу першого закону термодинаміки:

1) q = u + pv ; 2) q = i  vp . (5)

Література: Л. 1, з. 16-30, 46-48; Л. 2, з. 29-33, 37-43.

1.5. Термодинамічні процеси ідеальних газів

Програма.

Класифікація термодинамічних процесів змінювання стану робочих тіл. Загальна схема дослідження термодинамічних процесів. Аналітичне дослідження ізохорного, ізобарного, ізотермічного, адіабатного і політропного процесів, їхнє графічне зображення в p - v і T - s діаграмах.

Методичні вказівки. Матеріал цієї теми є основою для засвоєння і розуміння особливостей роботи різноманітних теплових машин. Загальна схема дослідження термодинамічних процесів складається з 6 етапів: 1 - запис (виведення) рівняння процесу, 2 - характер змінювання основних параметрів робочого тіла, 3 - аналіз особливостей енергообміну в процесі, 4 - визначення теплоти і роботи змінювання об’єму робочого тіла, 5 - визначення величини зміни калоричних параметрів робочого тіла, 6 - графічне зображення процесу в робочій і тепловій діаграмах. Для успішного засвоєння цієї теми необхідно пам'ятати про загальні і особливі моменти в аналітичних залежностях показників процесів. Деякі з них:

• рівняння процесу записується через основні або калоричні параметри стану робочого тіла;

• змінювання основних параметрів визначається із незмінності рівняння стану для усякої (початкової і кінцевої) точки процесу;

• виходячи з рівняння першого закону термодинаміки q = u + l , можливі чотири особливості енергообміну - коли є усі три складники цього закону і коли будь-яке з трьох дорівнює нулю;

• питома теплота процесу q визначається через добуток теплоємності робочого тіла в цьому процесі на різницю (змінення) температури q_i = c_i  T ;

• змінювання питомої внутрішньої енергії і ентальпії робочого тіла не залежить від характеру процеса і в будь-якому процесі визначається за формулами u = c_v  T , i = c_p  T ;

• змінювання питомої ентропії робочого тіла в процесі (за винятком ізотермічного процесу) визначається як добуток теплоємності в цьому процесі на різницю натуральних логарифмів (логарифм відношення) кінцевої і початкової температури s = c_i  ln (T₂ /T₁).

Література: Л. 1, с. 31-39; Л. 2, с. 43-54.