Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

фізика / термодинаміка / заняття24

.doc
Скачиваний:
17
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
94.72 Кб
Скачать

Заняття 10.

Перший закон термодинаміки.

Застосування Першого закону термодинаміки до різних процесів.

Мета: встановити зв’язок між зміною внутрішньої енергії системи, роботою та кількістю теплоти, що передається системі; розглянути випадки застосування першого закону термодинаміки.

Ключові слова: закон перетворення та збереження енергії, Перший закон термодинаміки,

  1. Закон збереження та перетворення енергії.

  2. Перший закон термодинаміки.

  3. Перший закон термодинаміки в пристосуванні до ізопроцесів:

    1. ізохорний процес;

    2. ізобарний процес;

    3. ізотермічний процес;

    4. адіабатний процес.

  4. Перший закон термодинаміки при теплообміні.

Перший закон термодинаміки.

В житті дуже часті випадки перетворення енергії з однієї форми в іншу.

Енергія в природі не виникає з нічого та не зникає: кількість енергії незмінна, вона лише переходить з однієї форми в іншу.

Закон перетворення та збереження енергії, який полягає в тому, що повна енергія ізольованої системи залишається незмінною при будь-яких змінах, що відбуваються в цій системі, стосовно до теплових явищ, називається Першим законом термодинаміки.

При переході системи з одного стану в інший внутрішня енергія U змінюється як за рахунок виконання роботи, так і за рахунок передачі теплоти.

І закон термодинаміки: Зміна внутрішньої енергії системи при переході з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил над системою та кількості теплоти, що передана системі:

Якщо система ізольована, то над нею не виконується робота (А=0) і вона не обмінюється теплом з оточуючими тілами (Q=0), тоді Перший закон термодинаміки дає або .

Внутрішня енергія ізольованої системи залишається незмінною.

Якщо розглядати роботу самої системи над зовнішніми тілами, то Перший закон термодинаміки дає (для ізопроцесів).

Тоді Перший закон термодинаміки читається: «Передана системі кількість теплоти витрачається на зміну її внутрішньої енергії та на виконання самою системою роботи над оточуючими тілами».

Якщо до системи не надходить теплота (Q=0), то , тобто робота виконується за рахунок зменшення внутрішньої енергії.

!!!Важливо! Заборонено говорити, що система містить певну кількість теплоти чи роботи, вона володіє певною внутрішньою енергією.

Теплота і робота – величині, що характеризують зміни внутрішньої енергії системи внаслідок того чи іншого процесу.

Перший закон термодинаміки в пристосуванні до ізопроцесів

Ізохорний процес. V = const, A = p = p(V2-V1) = p0 = 0.

Тоді Перший закон термодинаміки читається: «Передана системі кількість теплоти витрачається лише на зміну її внутрішньої енергії».

При збільшенні температури Т, Q > 0 та  U > 0, тому U.

При зменшенні температури Т, Q < 0 та  U < 0, тому U.

Ізотермічний процес. Т= const, U = const,  U = 0

Тоді Перший закон термодинаміки читається: «Передана системі кількість теплоти витрачається на виконання самою системою роботи над оточуючими тілами».

Якщо Q > 0, то А’ > 0 – система розширюється, якщо Q < 0, то А’ < 0 – система стискається.

Робота при ізотермічному процесі графічно відображається площею криволінійної трапеції. АSтр.

Ізобарний процес. Р= const.

Тоді Перший закон термодинаміки читається: «Передана системі кількість теплоти витрачається на виконання самою системою роботи над оточуючими тілами та на зміну її внутрішньої енергії (тобто зміну кінетичної енергії руху молекул)».

або для розширення , чи для стискання

Робота при ізобарному процесі графічно відображається площею прямокутника. АSпр.

Адіабатний процес. – це процес, що відбувається у відсутність теплообміну Q= 0. При адіабатному процесі робота виконується за рахунок внутрішньої енергії.

.

При розширенні адіабата проходе нижче ізотерми, а при стисканні вище. Це пояснюється тим, що тиск при адіабатному розширенні зменшується як за рахунок збільшення об’єму, так і внаслідок охолодження газу. Тому газ при адіабатному розширенні виконує менше роботу, нім при ізотермічному розширенні.

При адіабатному стисканні ріст тиску обумовлено не тільки зменшенням об’єму, але й нагрівом газу. Тому робота зовнішніх сил при адіабатному стисканні більша, ніж при ізотермічному стисканні.

Перший закон термодинаміки при теплообміні. При теплообміні ніякої роботи усередині системи не виконується, тоді згідно першому закону термодинаміки: Ui =Qi. Тобто сумарна внутрішня енергія не змінюється

. Звідси випливає рівняння теплового балансу: , де Qi- кількість теплоти, що отримано чи передано тілами усередині системи.

Приклади рішення задач

Приклад 1. При ізотермічному розширенні ідеальний газ виконує роботу 20 Дж. Яку кількість теплоти передано газу?

Рішення.

А=20 Дж Згідно першого закону термодинаміки

Т=const де - зміна внутрішньої енергії системи.

Q - ? Оскільки газ ідеальний, то його внутрішня енергія пропорційна

абсолютній температурі. Тому Дж.

Відповідь: 20 Дж.

Контрольні питання

  1. Закон збереження та перетворення енергії.

  2. Перший закон термодинаміки.

  3. Перший закон термодинаміки для ізольованої системи.

  4. Чи можна казати, що система має певну кількість теплоти або роботи?

  5. Застосування Першого закону термодинаміки до ізохорного процесу.

  6. Застосування Першого закону термодинаміки до ізотермічного процесу.

  7. Застосування Першого закону термодинаміки до ізобарного процесу.

  8. Застосування Першого закону термодинаміки до адіабатного процесу.

  9. Чому робота зовнішніх сил при адіабатному стисканні більша, ніж при ізотермічному стисканні, а при розширенні навпаки?

  10. Перший закон термодинаміки в застосуванні до теплообміну.

  11. В яких одиницях вимірюються ?

Якісні задачі

  1. Ідеальний газ, що знаходиться в деякому початковому стані, що характеризується об’ємом V1, розширюється до об’єму V2. Процес розширення:

1) ізобарний; 2) ізотермічний; 3) адіабатичний?

Накреслити графіки цих процесів на діаграмах V,p та V,U. На основі дослідження графіків визначити:

а) при якому процесі робота газу найменша.

б) знак прирощення внутрішньої енергії газу при кожному процесі.

  1. Чому ковзани добре ковзаються по льоду? Чому під час морозів процес ковзання погіршується?

  2. У довгому сосуді з теплоізольованими стінками знаходиться газ. Сосуд закритий тепло ізольованим поршнем. Поршню миттєво передається стала швидкість. Як змінюється температура газу? Як залежить зміна температури газу від швидкості поршня?

  3. Нагрівається чи охолоджується ідеальний газ при розширенні, якщо його тиск Р та об’єм V пов’язані формулою , де k – стала, а n>1? Маса газу залишається незмінною.

  4. Застосовують такий спосіб зварювання деяких деталей на токарному верстаті: одну деталь закріплюють у задній бабці верстата, а другу, притискаючи до першої, швидко обертають разом з його шпинделем. Коли місце дотику деталей нагрівається до плавлення, деталі стискують і зварюють. Поясніть, які перетворення енергії тут відбуваються?

  5. Заточуючи на точилі зубило, доводиться кілька разів занурювати його у воду. Для чого це роблять? Які перетворення енергії тут відбуваються?

Задачі для закріплення матеріалу

  1. Яку кількість теплоти віддасть під час гартування стальна деталь, нагріта до 7900С, маса якої 1,2 кг? Вода нагрівається до температури 300С.

  2. Яку кількість теплоти потрібно, щоб 1,5 л води нагріти від 200С до кипіння в алюмінієвому чайнику, маса якого 900 г?

  3. У горні нагрівається залізний брусок, розміри якого 20 см х 5 см х 5 см. Яку кількість теплоти потрібно, щоб нагріти його від 200С до білого розжарення (12000С)?

  4. На скільки змінилася внутрішня енергія одноатомного газу, кількість речовини якого моль, при його ізобарному нагріванні на Т=100К? Яку роботу виконав при цьому газ та яку кількість теплому йому було передано?

  5. Яка частина кількості теплоти, що передана одноатомному газу в ізобарному процесі, піде на збільшення внутрішньої енергії, а яка частина – на виконання роботи?

  6. При ізобарному розширенні 80 г аргону його об’єм збільшився в 1,% рази. Визначити зміну внутрішньої енергії аргону, якщо його початкова температура була 300 К.

  7. Яку кількість теплоти повинно отримати повітря масою 5 г з початковою температурою 170С, щоб при ізобарному розширенні його об’єм збільшився вдвічі?

Домашній конспект: реферат з теми «Вічний двигун»

Соседние файлы в папке термодинаміка