- •19. Внутрішня енергія. Внутрішня енергія ідеального газу. Ступені вільності молекул. Розподіл енергії молекул по ступенях вільності.
- •20. Теплота і робота. Перший закон термодинаміки.
- •21. Оборотні процеси. Поняття ентропії. Властивості ентропії
- •22. Призначення і принцип дії теплових двигунів. Кругові процеси (цикли). Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна.
- •23. Другий закон термодинаміки. Теорема Карно. Цикл Карно. Наслідки теореми Карно.
19. Внутрішня енергія. Внутрішня енергія ідеального газу. Ступені вільності молекул. Розподіл енергії молекул по ступенях вільності.
Важливою характеристикою термодинамічної системи є її внутрішня енергія U - енергія хаотичного (теплового) руху мікрочастинок системи (молекул, атомів, електронів, ядер і т. д.) і енергія взаємодії цих частинок.
Внутрішня енергія ідеального газу U (ф.в.)
1. Внутрішня енергія характеризує енергію молекул, з яких складається газ.
2. Визначення. Внутрішня енергія - це енергія всіх видів всіх молекул газу.
3. Це скалярна величина.
4. . Де:і – кількість ступенів свободи; m – маса газу; R – універсальна газова стала; T - абсолютна температура газу; μ – молярна маса газу.
5. [U]= Дж.
Види енергій, які може мати одна молекула газу
Одна молекула має такі види енергій: W = Wкп+ Wко+ Wп+ Wм+ Wя, де Wкп - кінетична енергія поступального руху молекул. Wко - кінетична енергія обертального руху молекул. Wп - потенціальна енергія взаємодії молекул. Wм - енергія зв’язку атомів у молекулі. Wя - енергія зв’язку атомного ядра.
Wп; Wм; Wя - у ідеального газу не існує. Так, як ми розглядаємо ідеальний газ, то енергія однієї молекули газу W = Wкп + Wко.
Кількість ступенів свободи і (ф.в.)
1. Кількість ступенів свободи - характеризує кількість можливих незалежних рухів молекул.
2. Визначення. Кількість ступенів свободи - це кількість незалежних величин, за допомогою яких можна описати рух молекули (Рис. 4).
Одноатомна молекула. Не і=3 |
Двоатомна молекула. О2; Н2; N2 і=5 |
Багатоатомна молекула. H2O; СО2 і=6 |
Рисунок 19.1
Кількість ступенів свободи для різних молекул газу
3. Кількість ступенів свободи - це скалярна величина.
Рис. 46
5. [і] =1.
20. Теплота і робота. Перший закон термодинаміки.
Робота газу при зміні його об'єму
Для розгляду конкретних процесів знайдемо в загальному вигляді зовнішню роботу, що здійснюються газом при зміні його об'єму. Розглянемо, наприклад, газ, що знаходиться під поршнем в циліндричній посудині (рис. 20.1).
Якщо газ, розширюючись, пересуває поршень на нескінченно малу відстань dl, то над ним виконують роботу, , де S - площа поршня; Sdl = dV - зміна об'єму системи. Таким чином,.
Повну виконану газом роботу А, при зміні його об'єму від V1 до V2, знайдемо інтегруванням.
Знайдений для роботи вираз справедливий при будь-яких змінах об’єму твердих, рідких і газоподібних тіл. Отриману при тому чи іншому процесі роботу можна зобразити графічно за допомогою кривої в координатах р, V. Нехай зміна тиску газу при його розширенні зображується кривої на рис.6. При збільшенні об’єму на dV виконана газом робота дорівнює pdV, тобто визначається площею смужки з основою dV, тонованою на малюнку. Тому повна робота, що здійснюються газом при розширенні від об'єму V1 до об'єму V2, визначається площею, обмеженою віссю абсцис, кривою р = f (V) і прямими V1 та V2.
Перший закон термодинаміки
1. Перший закон термодинаміки встановлює, якими способами можна змінити внутрішню енергію ідеального газу. Внутрішню енергію можна змінити двома способами: а) теплопередачею, б) виконанням роботи. Наприклад: а) газ нагрівають за допомогою нагрівника, б) насосом накачують газ у балон, поршень насосу виконує роботу над газом і газ нагрівається.
Перший закон термодинаміки - це закон збереження енергії, сформульований для теплових процесів.
2. Закон формулюють для двох випадків: а) газ виконує роботу (газ розширюється), б) над газом виконують роботу (газ стискають).
а) Кількість теплоти Q, яка передана газу, іде на виконання газом роботи A і на зміну його внутрішньої енергії U.
б) Внутрішня енергія газу U змінюється за рахунок виконання над газом роботи A′ і передачі газу кількості теплоти Q.
3. а) Q = A + U б) U = A′ + Q
4. Закон застосовують для ідеального газу, що знаходиться у замкнутій системі.