Тема 21. Основи термодинаміки

• Тепловий рух — хаотичний рух частинок, з яких складається тіло.

• Внутрішня енергія тіла U — це енергія руху і взаємодії частинок тіла (сума кінетичних та потенціальних енергій усіх молекул чи атомів). Одиницею вимірювання внутрішньої енергії в СІ є 1 Дж.

Внутрішня енергія ідеального газу — це сума кінетичних енергій частинок газу (потенціальною енергією взаємодії частинок можна знехтувати). Внутрішню енергію одноатомного ідеального газу обчислюють за формулою , де — кількість речовини, — маса газу, — молярна маса газу, р — тиск газу, — абсолютна температура газу, —об'єм газу, —універсальна газова стала.

Зміна внутрішньої енергії одноатомного ідеального газу дорівнює

• Способи зміни внутрішньої енергії — виконання роботи та теплообмін.

• Теплообмін (теплопередача) — це процес передачі енергії від більш нагрітого до менш нагрітого тіла (частин тіла). Види теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінювання.

• Кількість теплоти — це скалярна величина, що чисельно дорівнює енергії, яку отримує чи віддає тіло під час теплообміну.

Одиницею вимірювання кількості теплоти у СІ є 1 Дж. Позасистемною одиницею вимірювання кількості юти є калорія: При нагріванні чи охолодженні кількість теплоти обчислюють за формулою , де с — питома теплоемність речовини, чисельно дорівнює кількості теплоти, яку потрібно надати 1 кг речовини, щоб нагріти його на 1К. Питома теплоємність залежить від роду речовини, агрегатного стану та для газів — від способу нагрівання (ізобарно чи ізохорно) і міститься у таблицях. Одиницею вимірювання питомої теплоємності в СІ є 1 Дж\кг·К

• Робота газу в термодинаміці.

—При ізобарному процесі в ідеальному газі :

—Під час ізохорного процесу газ не виконує роботи:

— При ізотермічному процесі

— Під час довільного процесу в ідеальному газі робота чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої графіком процесу в координатах , прямими , та віссю (див. рис). Якщо об'єм газу під час процесу зростає, то робота

додатна, при зменшенні об'єму — від'ємна.

— Під час замкнутого циклу робота газу чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої графіком циклу в координатах . ККД циклу дорівнює:

,

де А — робота газу за цикл; — кількість теплоти, яку отримав газ під час циклу.

• І закон термодинаміки: , де — зміна внутрішньої енергії системи; А — робота, яку виконує система; — кількість теплоти, що отримує система.

— Для ізотермічного процесу /, тоді і Ізакон термодинаміки має вигляд:

— Для ізохорного процесу , тоді, і І закон термодинаміки має вигляд:

— Дія ізобарного процесу і І закон термодинаміки набирає вигляду

• Адіабатний називають процес, що відбувається без теплообміну із зовнішніми тілами: . При цьому І закон термодинаміки записують так: , тобто система виконує роботу за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії. На рисунку зображено графік адіабати у координатах 1 - 2 адіабата, 1 - 3 ізотерма.

Процес називають необоротний, якщо самовільно він може протікати лише у певному напрямку. Зворотний до нього процес може відбуватися лише під дією зовнішніх чинників. Наприклад, перетворення механічної енергії у внутрішню, передача енергії від більш нагрітого до менш нагрітого тіла, дифузія тощо.

• Тепловий двигун — пристрій, що виконує механічну роботу за рахунок процесів теплообміну.

На рисунку зображена блок-схема теплового двигуна, де А — виконана (корисна) робота; Q\ — кількість тепло­ти, яку отримало робоче тіло від нагрів­ника; Q₂ — кількість теплоти, яку робо­че тіло передало холодильнику.

За законом збереження енергії

• ККД теплового двигуна дорівнює

Для теплового двигуна, робочим тілом якого є ідеальний газ, у дано­му інтервалі температур ККД буде максимальним, якщо робочий цикл такого двигуна (цикл Карно) складається з двох ізотерм та двох адіабат. На рисунку зображений графік циклу Карно. Максимальний ККД теплового

двигуна дорівнює . Щоб підвищити ККД, потрібно підвищити температуру нагрівника і знизити температуру холодильника

• При згорянні палива виділяється кількість теплоти, яку обчислюють за формулою , де — теплота згоряння палива, яка залежить від виду палива та вимірюється у СІ в . Дані про питому теплоту згоряння різних видів палива містяться у таблиці.