Первое начало термодинамики — справочник студента

Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся. Еще один отличный день для практических занятий по физике. Сегодня мы соберем вместе формулы, которые чаще всего используются при решении задач в термодинамике и молекулярной физике.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Итак, поехали. Попытаемся изложить законы и формулы термодинамики кратко.

Идеальный газ

Идеальный газ – это идеализация, как и материальная точка. Молекулы такого газа являются материальными точками, а соударения молекул – абсолютно упругие. Взаимодействием же молекул на расстоянии пренебрегаем. В задачах по термодинамике реальные газы часто принимаются за идеальные. Так гораздо легче жить, и не нужно иметь дела с массой новых членов в уравнениях.

Итак, что происходит с молекулами идеального газа? Да, они движутся! И резонно спросить, с какой скоростью? Конечно, помимо скорости молекул нас интересует еще и общее состояние нашего газа. Какое давление P он оказывает на стенки сосуда, какой объем V занимает, какая у него температура T.

Для того, чтобы узнать все это, есть уравнение состояния идеального газа, или уравнение Клапейрона-Менделеева

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Здесь m – масса газа, M – его молекулярная масса (находим по таблице Менделеева), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,3144598(48) Дж/(моль*кг).

Универсальная газовая постоянная может быть выражена через другие константы (постоянная Больцмана и число Авогадро)

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Внимание и установка - справочник студента

Оценим за полчаса!

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Массу, в свою очередь, можно вычислить, как произведение плотности и объема.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Как мы уже говорили, молекулы газа движутся, причем, чем выше температура – тем быстрее. Существует связь между давлением газа и средней кинетической энергией E его частиц. Эта связь называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории и имеет вид:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Здесь n – концентрация молекул (отношение их количества к объему), E – средняя кинетическая энергия. Найти их, а также среднюю квадратичную скорость молекул можно, соответственно, по формулам:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Подставим энергию в первое уравнение, и получим еще один вид основного уравнения МКТ

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Первое начало термодинамики. Формулы для изопроцессов

Напомним Вам, что первый закон термодинамики гласит: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа U и на совершение газом работы A. Формула первого закона термодинамики записывается так:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Как известно, с газом что-то происходит, мы можем сжать его, можем нагреть. В данном случае нас интересуют такие процессы, которые протекают при одном постоянном параметре. Рассмотрим, как выглядит первое начало термодинамики в каждом из них.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Изотермический процесс протекает при постоянной температуре. Тут работает закон Бойля-Мариотта: в изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объёму. В изотермическом процессе:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Изохорный процесс протекает при постоянном объеме. Для этого процесса характерен закон Шарля: При постоянном объеме давление прямо пропорционально температуре. В изохорном процессе все тепло, подведенное к газу, идет на изменение его внутренней энергии.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Изобарный процесс идет при постоянном давлении. Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении газа его объём прямо пропорционален температуре. При изобарном процессе тепло идет как на изменение внутренней энергии, так и на совершение газом работы.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Адиабатный процесс. Адиабатный процесс – это такой процесс, который проходит без теплообмена с окружающей средой. Это значит, что формула первого закона термодинамики для адиабатного процесса выглядит так:

Внутренняя энергия одноатомного и двухатомного идеального газа

Теплоемкость

Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, которое необходимо для нагревания одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Помимо удельной теплоемкости, есть молярная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один градус) при постоянном объеме, и молярная теплоемкость при постоянном давлении. В формулах ниже, i – число степеней свободы молекул газа. Для одноатомного газа i=3, для двухатомного – 5.

Тепловые машины. Формула КПД в термодинамике

Тепловая машина, в простейшем случае, состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Нагреватель сообщает тепло рабочему телу, оно совершает работу, затем охлаждается холодильником, и все повторяется вновь. Типичным примером тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по формуле

Вот мы и собрали основные формулы термодинамики, которые пригодятся в решении задач. Конечно, это не все все формулы из темы термодинамика, но их знание действительно может сослужить хорошую службу. А если возникнут вопросы  – помните о студенческом сервисе, специалисты которого готовы в любой момент прийти на выручку.

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/osnovnye-formuly-termodinamiki-i-molekulyarnoj-fiziki-kotorye-vam-prigodyatsya/

Категория: Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Первое начало термодинамики - Справочник студента Первое начало термодинамики - Справочник студента Первое начало термодинамики - Справочник студента

В этой статье предлагаю задачи, связанные с таким понятием, как насыщенный пар. Насыщенный пар -это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью (то есть скорость испарения жидкости равна скорости конденсации пара). При решении задач нужно иметь в виду следующие факты. Давление и плотность насыщенного пара зависят от его температуры, но не от объёма….

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Первое начало термодинамики - Справочник студента Первое начало термодинамики - Справочник студента Первое начало термодинамики - Справочник студента

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Продолжаю серию статей по задачам экзамена в СУНЦ МГУ прошлых лет. Чем большее разнообразие задач будет вами освоено – тем больше шансов сдать экзамен. Задача 1. Идеальный газ постоянной массы расширяется по закону .  В каком интервале должно лежать значение , чтобы газ при расширении нагревался? Если температура газа остается постоянной (правая часть уравнения), то….

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Продолжаю серию статей по задачам экзамена в СУНЦ МГУ прошлых лет. Чем большее разнообразие задач будет вами освоено – тем больше шансов сдать экзамен. Задача 1. Представьте в координатах три изобары идеального газа: а) давление равно , количество молей – ;  б) давление равно , количество молей – ;  в) давление равно , количество молей….

Предложенные в этой статье задачи могут встретиться вам в части С ЕГЭ по физике. Многие пасуют перед графическими задачами, я помогу вам справиться с этим страхом и щелкать их, как орешки! Задача 1. На рисунке изображено изменение состояния 1 моль идеального одноатомного газа. Начальная температура газа . Какое количество теплоты сообщено газу в этом процессе?….

Согласно первому началу термодинамики, тепло, подводимое к газу, идет на выполнение им работы и на увеличение его внутренней энергии. Работу можно найти как площадь под графиком процесса в осях pV. Задача 1. При изобарном нагревании одноатомного газа, взятого в количестве молей, ему сообщили количество теплоты 9,4 МДж. Определить работу газа и изменение его внутренней энергии…..

При решении таких задач важно не забыть про работу: первым делом убедиться в том, что газ ее не совершает (или наоборот, совершает), а это можно заключить из того, меняется ли его объем. Кроме того, важно помнить про число степеней свободы: у одноатомного газа i=3, у двухатомного – 5. Задача 1. Одноатомный идеальный газ, первоначально занимающий….

В этой статье внутренняя энергия газа будет превращаться в кинетическую энергию поршней и наоборот: кинетическая энергия будет переходить во внутреннюю и разогревать газ. Задача 1.

В длинной гладкой пустой (нет внешнего давления) теплоизолированной трубе находятся два поршня массами и , между которыми в объеме при давлении находится одноатомный газ. Поршни отпускают.

Определить их максимальные скорости,….

В этой статье собраны задачи, в которых состояние газа изменяется по определенному закону. Необходимо определить либо параметры первоначального состояния газа, либо изменение внутренней энергии. Задача 1.

Идеальный газ сжимают поршнем и одновременно подогревают. Во сколько раз изменится его внутренняя энергия, если объем газа уменьшить в раз, а давление увеличить в раз? Составим уравнение по объединенному….

Сегодня решим несколько задач на определение внутренней энергии газа и ее изменение в процессах, графики которых даны. Задача 1. Определить изменение внутренней энергии идеального одноатомного газа в процессе, изображением на -диаграмме (см. рисунок), если МПа, л. Внутренняя энергия определяется выражением:     Или, так как ,     Тогда в состоянии 1 внутренняя энергия равна….

Источник: https://easy-physic.ru/category/physic/ege1/molekulyarno-kineticheskaya-teoriya/termodinamika/fizika-a10/

Основные формулы по физике — ТЕРМОДИНАМИКА

При изучении основ статистической физики и термодинамики следует уяснить следующее. Существует два способа описания процессов, происходящих в макроскопических телах (т.е. телах, состоящих из очень большого числа частиц — атомов или молекул), — статистический и термодинамический.

Статистическая (молекулярная) физика пользуется вероятностными методами и истолковывает свойства тел, непосредственно наблюдаемых на опыте (такие, как давление и температура), как суммарный, усредненный результат действия отдельных молекул. Молекулярно-кинетическая теория позволяет раскрыть смысл экспериментальных закономерностей, например, таких как уравнение Менделеева-Клапейрона.

Важно усвоить, что термодинамика, в отличие от молекулярной физики, не изучает конкретные взаимодействия, происходящие с отдельными атомами или молекулами, а рассматривает взаимопревращения и связь различных видов энергии, теплоты и работы.

Смотрите также основные формулы электричество и магнетизм

Таблица основных формул по термодинамике

Источник: https://infotables.ru/fizika/93-osnovnye-formuly-po-fizike-termodinamika

Первое начало термодинамики — лекции по физической химии

Нужна помощь в написании работы?

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии, один из всеобщих законов природы (наряду с законами сохранения импульса, заряда и симметрии):

Энергия неуничтожаема и несотворяема; она может только переходить из одной формы в другую в эквивалентных соотношениях.

Первое начало термодинамики представляет собой постулат – оно не может быть доказано логическим путем или выведено из каких-либо более общих положений. Истинность этого постулата подтверждается тем, что ни одно из его следствий не находится в противоречии с опытом. Приведем еще некоторые формулировки первого начала термодинамики:

  • Полная энергия изолированной системы постоянна;
  • Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).
  • Первое начало термодинамики устанавливает соотношение между теплотой Q, работой А и изменением внутренней энергии системы ΔU:
  • Изменение внутренней энергии системы равно количеству сообщенной системе теплоты минус количество работы, совершенной системой против внешних сил.
  • (I.1)
  •                    (I.2)

Уравнение (I.1) является математической записью 1-го начала термодинамики для конечного, уравнение (I.2) – для бесконечно малого изменения состояния системы.

  1. Внутренняя энергия является функцией состояния; это означает, что изменение внутренней энергии ΔU не зависит от пути перехода системы из состояния 1 в состояние 2 и равно разности величин внутренней энергии U2 и U1 в этих состояниях:
  2.                       (I.3)
  3. Следует отметить, что определить абсолютное значение внутренней энергии системы невозможно; термодинамику интересует лишь изменение внутренней энергии в ходе какого-либо процесса.
  4. Рассмотрим приложение первого начала термодинамики для определения работы, совершаемой системой при различных термодинамических процессах (мы будем рассматривать простейший случай – работу расширения идеального газа).
  5. Изохорный процесс (V = const;  ΔV = 0).
  6. Поскольку работа расширения равна произведению давления и изменения объема, для изохорного процесса получаем:
  7.                         (I.1)
  8.                      (I.4)
  9.                             (I.5)
  10. Изотермический процесс (Т = const).
  11. Из уравнения состояния одного моля идеального газа получаем:
  12.                          (I.6)
  13. Отсюда:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Проинтегрировав выражение (I.6) от V1 до V2, получим

Первое начало термодинамики - Справочник студента

 Изобарный процесс (Р = const).

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Подставляя полученные выражения для работы различных процессов в уравнение (I.1), для тепловых эффектов этих процессов получим:

                                            (I.10)

Первое начало термодинамики - Справочник студента
Первое начало термодинамики - Справочник студента

В уравнении (I.12) сгруппируем переменные с одинаковыми индексами. Получаем:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

  • Введем новую функцию состояния системы – энтальпию H, тождественно равную сумме внутренней энергии и произведения давления на объем:
  • Тогда выражение (I.13) преобразуется к следующему виду:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Т.о., тепловой эффект изобарного процесса равен изменению энтальпии системы.

Адиабатический процесс (Q = 0).

При адиабатическом процессе работа расширения совершается за счёт уменьшения внутренней энергии газа:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

В случае если Cv не зависит от температуры (что справедливо для многих реальных газов), работа, произведённая газом при его адиабатическом расширении, прямо пропорциональна разности температур:

                      (I.16)

Источник: https://students-library.com/library/read/84120-pervoe-nacalo-termodinamiki

Первое начало термодинамики, теория и примеры

В качестве основной задачи термодинамики ставят изучение свойств тел, характеризуя их состояния при помощи макроскопических параметров, при этом за основу берут общие законы, которые называют началами термодинамики. В термодинамике не пытаются выяснить микроскопические механизмы исследуемых явлений.

В основе термодинамики лежат три основных закона (три начала). Первое начала термодинамики – это применение закона сохранения энергии для процессов, рассматриваемых в термодинамике.

Закон сохранения энергии для теплоты (как одной из форм энергии) (), внутренней энергии () и работы (A), совершаемой термодинамической системой можно интегральном виде записать как:

    Первое начало термодинамики - Справочник студента

что означает: Количество теплоты, подводимое к термодинамической системе, идет на совершение данной системой работы и изменение ее внутренней энергии. Условлено считать, что если теплота к системе подводится, то она больше нуля () и если работу выполняет сама термодинамическая система, то она положительна ().

Первое начало термодинамики в дифференциальном виде

  • Часто первое начало термодинамики используют в дифференциальном виде:
  •     Первое начало термодинамики - Справочник студента
  • где – бесконечно малое количество теплоты, подводимое к системе; – элементарная работа системы; – малое изменение внутренней энергии системы. При рассмотрении в качестве термодинамической системы идеального газа, работу, выполняемую им, связывают с изменением объема (), поэтому выражение первого начала термодинамики представляют как:
  •     Первое начало термодинамики - Справочник студента

Как и в механике, закон сохранения энергии не указывает на направление процесса, происходящего в термодинамической системе. Первое начало показывает только как, изменяются параметры, если процесс в системе происходит. В механике движение описывают при помощи уравнений движения. В термодинамике направление, в котором развивается процесс, определяют при помощи второго начала.

И так, первое начало термодинамики – это выражение закона сохранения энергии для процессов, в которых участвует теплота. Работа — это передача энергии связанная с изменением макропараметров системы. Передача теплоты реализуется при помощи перехода энергии движения молекул. Изменение при этом макропараметров – это следствие изменения энергетических условий на молекулярном уровне.

Запишем первое начало термодинамики в дифференциальном виде для изопроцессов, в качестве термодинамической системы рассматривая идеальный газ. Для изобарного процесса первое начало термодинамики не изменяет своего вида (3). Для изотермического процесса первое начало примет вид:

    Первое начало термодинамики - Справочник студента

В изотермическом процессе все тело. которое получает система идет на совершение данной системой работы.

  1. Для изохорного процесса мы получим:
  2.     Первое начало термодинамики - Справочник студента
  3. Все тепло, которое получает газ идет на изменение его внутренней энергии.
  4. Адиабатный процесс происходит без обмена в окружающей средой теплом, следовательно:
  5.     Первое начало термодинамики - Справочник студента
  6. В адиабатном процессе система совершает работу за счет уменьшения внутренней энергии.

Примеры решения задач

Физические законы, формулы, переменные Формулы термодинамики
  • Уравнение состояния идеального газа
  • (уравнение Менделеева-Клапейрона) :
  • где р — давление газа;
  • V — его объем;
  • Т — термодинамическая температура (по шкале Кельвина);
  • R — газовая постоянная
  • m — масса вещества;
  • μ — молярная масса.
  1. Количество вещества:
  2. где N — число молекул;
  3. NA — число Авогадро (число молекул в 1 моле вещества).
Первое начало термодинамики - Справочник студента
  • Закон Дальтона для смеси газов:
  • где р — давление смеси газов;
  • pn — давление n-го компонента смеси (парциальное давление);
  • n — число компонентов смеси.
Первое начало термодинамики - Справочник студента
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов:
где n — концентрация молекул:
Первое начало термодинамики - Справочник студента
  1. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы:
  2. где k — постоянная Больцмана:
  3. Т — термодинамическая температура.
Первое начало термодинамики - Справочник студентаПервое начало термодинамики - Справочник студента
Зависимость давления газа от концентрации и температуры:
  • Скорость молекул
  •   1) наиболее вероятная:
  •       где — масса одной молекулы ;
  •   2) средняя арифметическая:
  •   3) средняя квадратичная:
1) Первое начало термодинамики - Справочник студента
2) Первое начало термодинамики - Справочник студента
3) Первое начало термодинамики - Справочник студента
Распределение молекул газа по скоростям (распределение Максвелла):
где е = 2,71… — основание натуральных логарифмов.
Первое начало термодинамики - Справочник студента
Приближенная формула вычисления числа молекул, скорости которых лежат в интервале v÷v+Δv, где Δv
Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/pervoe-nachalo-termodinamiki/

Первое начало (закон) термодинамики

Основные формулировки первого начала термодинамики:

  • «Подводимая к системе теплота расходуется на повышение ее внутренней энергии и совершение работы», — Джеймс П. Джоуль, Юлиус Р. Майер.
  • «Вечный двигатель первого рода невозможен», — Макс Планк.
  • «Внутренняя энергия изолированной системы постоянна».
  • «Энергия вселенной постоянна», — Рудольф Юлиус Клаузиус (Готтлиб).

Уравнение, описывающее закон:

Первое начало термодинамики - Справочник студента

В дальнейшем мы будем учитывать только работу расширения и не будем учитывать другие виды работы.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

История открытия первого начала термодинамики

  1. Герон изобрел «ветряной шар» в первом веке. Ветряной шар иллюстрирует первое начало термодинамики.
  2. 1698 г. Томас Севери — изобрел первый тепловой насос.
  3. 1763 г. Джеймс Ватт — тепловая машина (КПД был мал).
  4. 1843 г. Опыт Джеймса П. Джоуля в возрасте 25 лет.

    Установил единицу измерения количества теплоты — калория. 1 калория — такое количество теплоты, которое тратится для нагрева 1 грамм воды с 14,5°С до 15.5°С.Первое начало термодинамики - Справочник студента

  5. 1847 г. Майер. Публикация

Правило знаков в термодинамике

Для механической работы: положительной работой считается такая работа, которая связана с увеличением объема.

Для остальных видов работ действует «эгоистический принцип»: взаимодействие считается положительным, если его результатом является увеличение внутренней энергии. Первое начало термодинамики - Справочник студента

Для остальных видов работ действует «эгоистический принцип»: взаимодействие считается положительным, если его результатом является увеличение внутренней энергии.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Два уравнения первого начала термодинамики являются зависимыми друг от друга.

Источник: https://OnLearning.ru/fizicheskaya-himiya/pervoe-nachalo-termodinamiki

Законы термодинамики

Энергия и ее перевоплощения всегда была одним из самых интересных вопросов, который заботил научный мир. Одновременно с раскрытием закона о сохранении энергии появился и бесконечный интерес к исследованиям в области термодинамики, а также законы термодинамики.

Само понятие термодинамика представляет собой теорию тепловых процессов в количественной интерпретации. Несмотря на то, что термодинамика рассматривается как часть молекулярной физики, она рассматривает процессы в большом масштабе, на уровне макроскопических явлений.

Исследование процессов на гранях различных масштабов позволяет лучше понимать и объяснять различные процессы, поэтому различные методы имеют места быть.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Основное понятие для изучения в термодинамике это энергия, основные процессы – ее превращение и способы передачи. Большая часть процессов происходит с выделением тепла и, исходя из этого появляется еще один параметр, которого нужно учитывать и носит он название температура.

Современная наука термодинамика основана на постулатах, которые появились долгое время тому назад и были подтверждены, так как временем, так и заявлениями различных ученых. Различные законы термодинамики были озвучены известными физиками в конкретных формулировках.

Те заявления, которые были достаточно изучены и подтверждены различными заявлениями и стали законами термодинамики.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Всего существует три закона термодинамики, некоторые из них известны в несколько интерпретациях. Понятие закон означает, что явление происходит с определенной регулярностью и без существенных изменений условий. Термодинамические наблюдения можно применять в отношении любого вещества в любом состоянии.

Правда обобщенность больше мешает, когда не известны свойства конкретного вещества, так как от его свойств будут зависеть определенные параметры. Это единственный серьезный минус метода термодинамики в изучении отдельных процессов.

Недостаток проявляется тем, что приходится тратить больше времени на изучение всей информации о веществе.

Законы термодинамики: первый, второй и третий закон термодинамики

Первый закон термодинамики сформулировал М.В. Ломоносов: Энергия не исчезает и не теряется в никуда, она всего лишь переходит из одного состояния в другое. (Закон известен также как «закон сохранения энергии»).

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Второй закон термодинамики известен в несколько интерпретациях: Больцмана, Клаузиуса, Томсона и Кельвина. Первая формулировка принадлежит Клаузиусу, поэтому именно ее необходимо озвучить в первую очередь: Любое холодное тело не способно передавать тепло другому телу с более высокой температурой.

Томсон заявил: «Никакой процесс не может считаться возможным, если для его исполнения требуется тепло другого тела».

Согласно Больцману: «Энергия может превратиться в энное количество тепла, но только в одно направление, так как в обратное направление речь уже только о частичной трансформации».

Кельвин считал что: «Невозможны те процессы, которые должны повторяться и происходить с учетом использования тепла от конкретного тела. Не реально создать тепловой двигатель на основе принципа использования тепла постороннего тела.»

Третий закон термодинамики известен также как теорема Нернста, ссылается на то же состояние энтропии, о которой упоминал Больцман при формулировке второго закона термодинамики.

«Состояние энтропии будет стремиться к пределу в том случае, когда изменения температуры в системе направлены к нулю.

Это происходит, потому что энтропия перестает зависеть от любых других параметров состояния.»

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Законы термодинамики и их практическое применение

Термодинамика играет особую роль в различных областях науки и повседневной жизни. Ее закономерности и правила применяются для решения задач в области теплотехники, энергетики, космических исследований, биологии, машиностроении и много других областей.

Гораздо проще свершать какие-то новые открытия, когда уже есть общеизвестные и неоспоримые факты.

Великие открытия в прошлом всегда продолжают решать задачи человечества, несмотря на наступающий прогресс, потому что он не был бы возможным без всех тех свершений в прошлом.

Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Источник: https://reshit.ru/zakony-termodinamiki

Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном?

Статьи

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (7-9)

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (10-11) (баз., углубл.)

Линия УМК Г. Я. Мякишева, М.А. Петровой. Физика (10-11) (Б)

Линия УМК А. Е. Гуревича. Физика (7-9)

Физика

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях.

05 июля 2019

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях.

Собственно, именно с анализа принципов первых тепловых машин, паровых двигателей и их эффективности и зародилась термодинамика.

Можно сказать, что этот раздел физики начинается с небольшой, но очень важно работы молодого французского физика Николя Сади Карно.

Самым важным законом, лежащим в основе термодинамики является первый закон или первое начало термодинамики. Чтобы понять суть этого закона, для начала, вспомним что называется внутренней энергией.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ тела — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит. Нам хорошо известно, что внутреннюю энергию тела можно изменить, изменив температуру тела.

А изменять температуру тела можно двумя способами:

  1. совершая работу (либо само тело совершает работу, либо над телом совершают работу внешние силы);
  2. осуществляя теплообмен — передачу внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Нам, также известно, что работа, совершаемая газом, обозначается Аг, а количество переданной или полученной внутренней энергии при теплообмене называется количеством теплоты и обозначается Q. Внутреннюю энергию газа или любого тела принято обозначать буквой U, а её изменение, как и изменение любой физической величины, обозначается с дополнительным знаком Δ, то есть ΔU.

Первое начало термодинамики - Справочник студента

Сформулируем ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ для газа. Но, прежде всего, отметим, что когда газ получает некоторое количество теплоты от какого-либо тела, то его внутренняя энергия увеличивается, а когда газ совершает некоторую работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Именно поэтому первый закон термодинамики имеет вид:

  • ΔU = Q — Aг
  • Так как работа газа и работа внешних сил над газом равны по модулю и противоположны по знаку, то первый закон термодинамики можно записать в виде:
  • ΔU = Q + Aвнеш.
  • Понять суть этого закона довольно просто, ведь изменить внутреннюю энергию газа можно двумя способами: либо заставить его совершить работу или совершить над ним работу, либо передать ему некоторое количество теплоты или отвести от него некоторое количество теплоты.

2. Первый закон термодинамики в процессах

Применительно к изопроцессам первый закон термодинамики может быть записан несколько иначе, учитывая особенности этих процессов. Рассмотрим три основных изопроцесса и покажем, как будет выглядеть формула первого закона термодинамики в каждом из них.

  1. Изотермический процесс — это процесс, происходящий при постоянной температуре. С учётом того, что количество газа также неизменно, становится ясно, что так как внутренняя энергия зависит от температуры и количества газа, то в этом процессе она не изменяется, то есть U = const, а значит ΔU = 0, тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: Q = Aг.
  2. Изохорный процесс — это процесс, происходящий при постоянном объёме. То есть в этом процессе газ не расширяется и не сжимается, а значит не совершается работа ни газом, ни над газом, тогда Аг = 0 и первый закон термодинамики приобретает вид: ΔU = Q.
  3. Изобарный процесс — это процесс, при котором давление газа неизменно, но и температура, и объём изменяются, поэтому первый закон термодинамики имеет самый общий вид: ΔU = Q — Аг.
  4. Адиабатный процесс — это процесс, при котором теплообмен газа с окружающей средой отсутствует (либо газ находится в теплоизолированном сосуде, либо процесс его расширения или сжатия происходит очень быстро). То есть в таком процессе газ не получает и не отдаёт количества теплоты и Q = 0. Тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: ΔU = —Аг.

3. Применение

Первое начало термодинамики (первый закон) имеет огромное значение в этой науке. Вообще понятие внутренней энергии вывело теоретическую физику 19 века на принципиально новый уровень.

Появились такие понятия как термодинамическая система, термодинамическое равновесие, энтропия, энтальпия.

Кроме того, появилась возможность количественного определения внутренней энергии и её изменения, что в итоге привело учёных к пониманию самой природы теплоты, как формы энергии.

Ну, а если говорить о применении первого закона термодинамики в каких-либо задачах, то для этого необходимо знать два важных факта. Во-первых, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна:  а во-вторых, работа газа численно равна площади фигуры под графиком данного процесса, изображённого в координатах p—V. Учитывая это, можно вычислять изменение внутренней энергии, полученное или отданное газом количество теплоты и работу, совершённую газом или над газом в любом процессе. Можно также определять коэффициент полезного действия двигателя, зная какие процессы в нём происходят.

4. Методические советы учителям

  1. Обязательно обратить внимание учащихся на знаки работы газа, количества теплоты и изменения внутренней энергии и научить их по графику процесса в координатах р—V определять эти знаки, для чего удобно использовать подобную таблицу:

  2. Лучше всего, рассмотреть не только сам вид первого закона термодинамики в различных процессах, но и способы расчёта всех входящих в него величин.
  3. Обязательно на конкретных примерах, как числовых, так и графических, показать применение первого закона термодинамики.
  4. Уделить особое внимание процессу, в котором давление линейно зависит от объёма — с графиками и примерами применения к этому процессу первого закона термодинамики.
  5. Показать примеры на расчёт коэффициента полезного действия по графику циклического процесса с применением первого закона термодинамики и формул работы газа и изменения его внутренней энергии.

#ADVERTISING_INSERT#

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/pervyy-zakon-termodinamiki/

Начала термодинамики

Первое начало термодинамики является одним из фундаментальных законов физики макросистем. Оно утверждает, что приращение внутренней энергии макросистемы при ее переходе из начального состояния 1 в конечное 2 не зависит от способа перехода.

Для конечных изменений термодинамических параметров первое начало термодинамики формулируется следующим образом: количество теплоты Q, поглощенное (выделенное) макросистемой, идет на изменение ее внутренней энергии AU — U1—Ux и на совершение системой работы А над внешними телами:

где величины А и Q являются функциями процесса. Входящие в уравнение (11.1) величины могут иметь и положительные, и отрицательные значения. Например, если (9Q > 0 .

Из первого начала термодинамики следует следующий принцип, по своему содержанию эквивалентный принципу сохранения энергии: невозможен вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получаемая им извне энергия.

При вычислении совершенной системой работы или полученного системой тепла обычно приходится разбивать рассматриваемый процесс на ряд элементарных процессов, каждый из которых соответствует весьма малому изменению параметров системы. Тогда для бесконечно малого изменения состояния системы используют первое начало термодинамики в дифференциальной форме

где dU — бесконечно малое изменение внутренней энергии, происходящее при добавлении бесконечно малого количества тепла 6Q системе, которая совершает бесконечно малую работу 5,4.

Знак 5 означает, что мы имеем дело не с приращением какой-либо функции, а с элементарными значениями теплоты (6(9) и работы (6Л).

В отличие от U величины Q и А являются функциями процесса.

Если объем макросистемы, например газа, получает приращение dV, то элементарная работа сил давления газа на стенки

где р — давление газа на стенки. Так как давление газа на соседние телг (стенки) при изменении объема газа может изменяться, то работа, совершаемая газом при конечных изменениях объема от Vl до V2, может быть представлена в виде интеграла

Знак работы зависит от знака dV: при расширении газа (dV > 0) Л > 0. а при сжатии газа (dV

Источник: https://studref.com/504854/matematika_himiya_fizik/nachala_termodinamiki

ПОИСК

    Вывод о недостаточности первого начала термодинамики для определения направления и предела протекания процессов привел к установлению второго начала термодинамики. Второе начало термодинамики, так же как и первое начало, является постулатом, обобщением опытных данных.

Доказательством второго начала может служить то, что все выводы, вытекающие из него, до сих пор всегда находили подтверждение на опыте. В 1824 г. С. Карно установил основные положения второго начала термодинамики. В середине XIX в.

Клаузиус, Томсон и Максвелл показали, что второе начало термодинамики — один из наиболее общих законов природы .  [c.109]     Написанное равенство есть не что иное как математическое выражение первого начала термодинамики. [c.

17]

    Используя уравнение первого начала термодинамики, можно вывести формулу Майера в несколько другом виде, чем выражение (П.5), а именно [c.32]

    Математическое выражение энтальпии получено из основного уравнения (общего выражения первого начала термодинамики) в виде [c.70]

    А. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ [c.84]

    Уравнение (1.1) —аналитическая запись первого начала термодинамики для закрытой ТС, т. е. по существу аналитическая запись закона сохранения энергии.

В соответствии с этой записью положительными считаются тепло, подводимое к ТС, и, работа, совершаемая ТС. Внутренняя энергия U определяется состоянием ТС, ее небольшое изменение — это дифференциал функции состояния.

При переходе из состояния 1 в состояние 2 изменение внутренней энергии [c.11]

    Уравнение (II, 1) представляет собой математическую формулировку первого начала термодинамики. Величины Аи, и Л в урав- [c.86]

    Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в приложении к системам, находящимся в механическом и тепловом взаимодействии с окружающей средой, и может быть выражено уравнением  [c.85]

    Одним из следствий первого начала термодинамики является открытый в 18 6 г. русским химиком Г. И. Гессом закон, который часто называют законом постоянства сумм теплот. Установленный еще до окончательной формулировки первого начала, он является основой всех термохимических расчетов с учетом того, что тепловые [c.25]

    Первое начало термодинамики есть закон сохранения энергии изолированной системы. Оно не выведено из каких-либо более простых положений, а является обобщением многочисленных непротиворечащих ему наблюдений.

Его следует рассматривать как постулат, справедливый для любой изолированной системы. При применении первого начала к закрытым системам подразумевается, что после переноса теплоты все процессы в закрытой системе идут, как в изолированной.

(Обмен энергией с окружающей средой можно считать мгновенным время в термодинамических процессах исключено.) [c.24]

  •     Выражение первого начала термодинамики для любого фиксированного состояния рабочего тела в процессе сжатия [c.142]
  •     Первое начало термодинамики [c.85]
  •     Подставляя в уравнение (И,3) первого начала термодинамики теплоту нз соотношения (11,108), получим объединенное уравнение первого и второго начала термодинамики  [c.115]

    Первое начало термодинамики в приложении к компрессорной машине может быть выражено уравнением [c.31]

    ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ [c.85]

    Закон Гесса, являющийся следствием первого начала термодинамики, формулируется следующим образом. Тепловой эффект химической реакции простых веществ зависит от исходного и конечного состояний системы и не зависит от пути, по которому протекает реакция. [c.623]

    Закон Гесса, являющийся следствием первого начала термодинамики, формулируется следующим образом [2—4]. Тепловой эффект химической реакции зависит от исходного и конечного состоя- [c.586]

    Поясним на примере окисления железа приемы использования первого начала термодинамики (закона Гесса) при расчете тепловых эффектов реакций. [c.91]

    Первое начало термодинамики позволяет решить многие вопросы химии и химической технологии, связанные с определением теплоты и работы при различных химических и физических процессах. [c.106]

  1.     ПРИЛОЖЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ [c.110]
  2.     Переходя к определению величины второго теплового коэффициента, воспользуемся выражением первого начала термодинамики [c.50]
  3.     Первое начало термодинамики выражается следующим диффе ренциальным уравнением  [c.212]

    Традиционная форма уравнений газовой динамики содержит давление р. Для введения этой величины в систему уравнений (1.2) берется первое начало термодинамики в форме [c.9]

    Современная термодинамика построена по строго дедуктивному принципу из двух наиболее общих и всеобъемлющих положений (первое и второе начало термодинамики), являющихся итогом обобщения накопленных человечеством опытных данных, выводятся следствия для различных частных случаев. При этом конкретизация рассматриваемых условий проводится ступенями.

Например, из первого начала термодинамики сначала выводятся следствия, справедливые для любых процессов, протекающих при постоянном давлении (или объеме), затем накладывается второе ограничение — постоянство температуры далее круг рассматриваемых процессов ограничивается только химическими реакциями (или фазовыми переходами) и т. п. [c.

12]

    На последнем этапе вычислений использовано снова равенство (2.3) и первое начало термодинамики (L3) для введения в систему переменных давления р. Таким образом получена традиционная форма уравнения движения [c.13]

    Первое начало термодинамики ничего не говорит о возможных направлениях передачи энергии, тогда как второе начало предопределяет это направление. Внутренняя энергия системы слагается из кинетической и потенциальной энергий.

Кинетическая энергия — это энергия беспорядочного движения атомов и молекул, потенциальная энергия — энергия их взаимного притяжения и отталкивания.

Для идеального газа энергия при-тяжЕния и отталкивания пренебрежимо мала, и поэтому энергия идеального газа однозначно определяется так называемым уравнением состояния. [c.23]

    Равенства (2.6) и (2.7), выведенные нами как следствия первого начала термодинамики, отражают один из важнейших термодинамических законов. Этот закон русским академиком Г. И.

Гессом был установлен эмпирически еще до того, как было сформулировано первое начало термодинамики Каким бы путем ни совершалось соединение, — шло ли оно непосредственно или происходило косвенным путем в несколько приемов, — количество выделившейся при его образовании теплоты всегда постоянно . [c.47]

    Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам. [c.17]

    Первое начало термодинамики утверждает, что теплота 8Q, сообщенная системе, идет на увеличение ее внутренней энергии dU и на совершение работы против внешнего давления бЛ = pdV  [c.24]

    Тогда, когда в системе протекают лишь немеханические процессы (кроме изменения объема системы), в энергообмене участвует лишь ее внутренняя энергия и. Согласно закону сохранения, изменение внутренней энергии Д6 слагается из сумм теплот и немеханических работ X (с учетом работы расширения системы) рассматриваемого процесса — первое начало термодинамики- [c.44]

    Выразим 50 из (1.14) и подставим в уравнение для первого начала термодинамики (1.2). Тогда в случае обратимого процесса имеем [c.25]

    Выдающихся успехов в этой области достигли английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889) и немёикие физики Юлиус Роберт Майер (1814—1878) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821—1894).

К 40-м годам прошлого столетия в результате проведенных ими работ стало ясно, что в процессе перехода одной формы энергии в другую энергия не создается и не исчезает.

Этот принцип получил название закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики. [c.108]

    Первое начало термодинамики. Энтальпия, Взаимосвязь геплочы, работы и изменения энтальпии и внутренней энергии. [c.28]

    Лекция 10. Первое начало термодинамики. Работа газа при [c.163]

    ГВзаймосвязь между внутренней энергией, работой и теплотой устанавливается на основе первого начала термодинамики. Первое начало термодинамики представляет собой постулат, вытекающий из многовекового опыта человечества.

Существует ряд формулировок первого начала термодинамики, которые равноценны друг другу и вытекают одна из другой. Если одну из них рассматривать как исходную, то другие получаются из нее как следствия. [c.

86]

    На основе зависимостей (1П-132), (ПМЗЗ) и уравнения первого начала термодинамики можно написать  [c.250]

    Для определения изменения температуры торможения по сечению основной расширяюшейся струи газа представим ее состоящей из элементарных струек. Используя первое начало термодинамики для элементарной струи в адиабатически гибкой оболоч- [c.44]

    Первый закон ( первое начало ) термодинамики есть частный случай закона сохранения и превращения энергии в применении к объектам, изучаемым термодинамикой, т. е. к процессам, сопровождающимся выделением или поглощением теплоты и производством работы. Этот закон выражает неуничтожае-мость движения не только в количественном, но и в качественном смысле (Энгельс).  [c.28]

    Первое начало термодинамики применимо к описанию как обратимых, так и необратимых процессов. В некоторых случаях можно воздействовать на систему таким образом, чтобы необратимый термодинамический процесс протекал обратимым путем. Для этого, как правило, систему необходимо снабжать специальным устройством для совершения работы.

Для пояснения этого утверждения удобно сослаться на пример передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Если оба тела привести в соприкосновение, то будет происходить самопроизвольный процесс передачи теплоты от одного тела к другому до тех пор, пока температуры обоих тел не сравняются.

Этот процесс носит необратимый характер, так как проведение процесса в обратном направлении без совершения работы невозможно. Тем не менее процесс передачи теплоты можно сделать обратимым, если для этого использовать тепловую машину, например на основе цикла Карно, с идеальным газом.

В этом случае система наряду с передачей теплоты будет совершать определенную работу, которая в обратном процессе может быть использована для передачи теплоты от менее нафетого тела к более нагретому [c.18]

Физическая и коллоидная химия (1988) — [ c.60 ]

  • Общая химия в формулах, определениях, схемах (1996) — [ c.91 ]
  • Общая химия в формулах, определениях, схемах (0) — [ c.91 ]
  • Общая химия в формулах, определениях, схемах (1985) — [ c.91 ]
  • Общая химия в формулах, определениях, схемах (0) — [ c.91 ]
  • Учебник физической химии (1952) — [ c.92 ]
  • Теоретическая электрохимия (1959) — [ c.264 ]
  • Теоретическая электрохимия Издание 3 (1970) — [ c.263 ]
  • Физическая химия Том 1 Издание 5 (1944) — [ c.238 ]
  • Физическая химия Том 2 (1936) — [ c.9 ]

Понятия и основы термодинамики (1970) — [ c.93 , c.111 , c.113 , c.283 ]

Понятия и основы термодинамики (1962) — [ c.94 , c.110 , c.112 , c.231 ]

Химическая термодинамика Издание 2 (1953) — [ c.0 , c.9 , c.28 ]

Физическая химия и химия кремния Издание 3 (1962) — [ c.28 , c.286 ]

Учебник физической химии (0) — [ c.99 ]

Справочник по физико-техническим основам криогенетики Издание 3 (1985) — [ c.20 , c.21 ]

Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения (1963) — [ c.22 ]

Источник: https://www.chem21.info/info/6178/

Ссылка на основную публикацию