- Перший закон термодинаміки Подробиці Опубліковано 21.12.2014 19:26 Переглядів: 11227 Перший початок...
- Перший закон термодинаміки
- Окремі випадки першого закону термодинаміки
- термодинамічний цикл
- теплові двигуни
- Вічний двигун першого роду
Перший закон термодинаміки
Подробиці Опубліковано 21.12.2014 19:26 Переглядів: 11227
Перший початок термодинаміки, або перший закон термодинаміки, називають законом збереження енергії для термодинамічної системи.
З історії
Юліус Роберт фон Майер
Вперше цей закон був сформульований німецьким лікарем і натуралістом Юліусом Робертом фон Маєром. В якості суднового лікаря в 1840 році він прибув на острів Ява. Під час лікування хворих йому доводилося робити кровопускання. І ось тут Майер звернув увагу на те, що венозна кров у жителів тропіків світліше, ніж у європейців. Вона була майже такою ж яскраво-червоною, як і артеріальна кров. Вчений знайшов пояснення цьому факту, припустивши, що причина криється в різниці температур між теплом власного організму людини і теплом навколишнього середовища. У тропіках висока температура, і організму потрібно виробляти менше теплоти. Отже, він спалює менше кисню. Його в крові залишається більше, і кров переходить з артерій в вени, залишаючись практично такого ж кольору. А в холодному кліматі організм потребує більшої кількості тепла. І чим більше кисню споживає організм для цієї мети, тим помітніше різниця в кольорі артеріальної і венозної крові.
Теплоту організм отримує, спалюючи кисень, тобто, здійснюючи роботу. Робота перетворюється в теплоту. Обгрунтування першого закону термодинаміки Майер опублікував в 1842 році у своїй роботі «Зауваження про сили неживої природи». Більш того, вчений знайшов і співвідношення між кількістю роботи і кількістю теплоти, отриманої в результаті цієї роботи.
Це ж співвідношення, незалежно від Майера, експериментально встановив англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль. Результати виявилися такими ж, як і у Майера. У різних експериментах одне і те ж кількість роботи перетворювалося в один і той же кількість тепла, і навпаки.
Перший закон термодинаміки
В ізольованій фізичної системі енергія нікуди не зникає. Вона лише переходить з однієї форми в іншу. Так стверджує загальний закон збереження енергії. Він справедливий і для ізольованою термодинамічної системи. Запас енергії в такій системі також залишається постійним. Робота перетворюється в теплоту, а теплота - в роботу.
В результаті різних процесів, що відбуваються в термодинамічній системі, початковий і кінцевий стани системи відрізняються. Так як внутрішня енергія системи U залежить тільки від її стану - тиску, обсягу і температури (U = U (P, V, T)), то зміна енергії Δ U визначається початковим і кінцевим станом системи і не залежить від того, яким чином вона перейшла з одного стану в інший.
Δ U = U2 - U1.
Внутрішню енергію термодинамічної системи можна змінити, повідомивши їй деяку кількість теплоти або зробивши над нею роботу. Математично зв'язок між кількістю теплоти, отриманої термодинамічної системою, зміною її внутрішньої енергії і роботою, вчиненої за рахунок цієї теплоти математично виглядає так:
Δ U = Q - A, або Q = Δ U + A,
де Δ U - зміна внутрішньої енергії системи при повідомленні їй теплоти;
Q - кількість теплоти, отримане системою при теплопередачі;
A - робота, здійснена системою проти зовнішніх сил.
Це і є математичний вираз першого закону термодинаміки.
Теплота, яку отримала термодинамічна система, витрачається на зміну її внутрішньої енергії і роботу, зроблену над зовнішніми тілами.
При переході з початкового стану в кінцеве термодинамічна система може отримувати теплоту різними способами. У технічній термодинаміці позитивної вважають теплоту, одержувану системою, а негативною - теплоту, яку система віддає. Загальна кількість теплоти Q - це алгебраїчна сума всіх кількостей теплоти, одержуваних або віддаються системою.
На відміну від теплоти робота, здійснена системою, не є її характеристикою. Вона залежить від шляху переходу системи з початкового стану в кінцеве. Тому робота характеризує сам процес переходу.
Окремі випадки першого закону термодинаміки
Перший закон термодинаміки зручно розглядати на прикладі ізопроцессов для газу.
При Ізохоричний процесі робота не відбувається, так як обсяг газу залишається постійним (V = const). Тому Q = Δ U.
Ізотермічний процес в системі відбувається при постійній температурі (T = const). Отже, вся теплота, отримана системою, витрачається на здійснення роботи. Так як Δ U = 0, то Q = A.
Ізобарний процес відбувається при постійному тиску (P = const) .Теплота, повідомляється системі, йде і на зміну внутрішньої енергії, і на здійснення роботи.
Q = Δ U + A
Робота, яку газ робить при розширенні або стисненні, дорівнює A = P · Δ V.
Звідси Q = Δ U + P · Δ V.
При адіабатичному процесі немає обміну теплотою з зовнішнім середовищем. Q = 0, А = -Δ U. Це означає, що робота відбувається за рахунок зменшення внутрішньої енергії системи.
термодинамічний цикл
Якщо т ермодінаміческая система, незалежно від того, які перетворення (нагрівання, охолодження, стиснення, розширення, хімічні перетворення та ін.) В ній не відбувалися б, в кінцевому рахунку повертається в своє початкове стан, то термодинамічний процес, в результаті якого це відбувається , називається термодинамічним циклом.
Приклад термодинамічної циклу - круговорот води в природі.
Під впливом сонячних променів швидко нагрівається вода в калюжах, що утворилися після дощу. Зростає її температура, і вода починає випаровуватися, при цьому збільшуючись в обсязі. Пара піднімається вгору. Там він остигає, і його обсяг знову зменшується. Конденсуючись, пар перетворюється в хмару. Краплі дощу падають на землю і знову утворюють калюжі. Цикл завершується. Після цього процес повторюється знову.
В результаті термодинамічної циклу в системі все залишається як і раніше, хоча в процесі циклу відбувалася робота і виділялася або поглиналася теплота. Всі параметри системи, незважаючи на процеси, що відбуваються в ній, повертаються в початковий стан. У цьому випадку зміни внутрішньої енергії не відбувається. Отже, робота, здійснена системою по замкнутому циклу, дорівнює кількості теплоти.
A = Q, або Q - A = 0,
У замкнутому циклі будь-яка вироблена робота перетворюється в теплоту.
На основі замкнутих циклів побудована робота теплових машин.
теплові двигуни
Принцип перетворення внутрішньої енергії системи в механічну лежить в основі теплових двигунів. Такий двигун являє собою теплову машину, що перетворює тепло в механічну енергію.
Основні частини таких двигунів - нагрівач, робоче тіло і охолоджувач. Дуже часто робочим тілом в тепловому двигуні служить газ. Отримуючи теплоту від нагрівача, він розширюється і робить роботу. Щоб робота такого двигуна не припинялася, параметри робочого тіла, в нашому випадку газу, після здійснення роботи повертаються в первинний стан (газ охолоджується в холодильнику).
Далі процес повторюється спочатку. Реальні теплові машини (двигуни внутрішнього згоряння, парові машини та ін.) Працюють циклічно, повторюючи теплопередачу і перетворення теплоти в роботу. Робочим тілом можуть бути пари бензину, водяні пари, повітря, вугілля, нафта та ін.
Речовина з більш високою температурою перебуває в резервуарі, який називається нагрівачем, а з більш низькою - в резервуарі, званому холодильником.
Для будь-якої теплової машини дуже важлива така величина, як коефіцієнт корисної дії (ККД). Це відношення кількості роботи, зробленої двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача.
А = QH - Q Х,
де QH - кількість теплоти, віддане нагрівачем робочому тілу;
Q Х - кількість теплоти, яке робоче тіло віддає охолоджувача.
Так як частина теплоти втрачається при передачі, то ККД двигуна завжди менше одиниці.
Найбільший ККД можливий в двигуні Карно.
Вічний двигун першого роду
Створення двигуна, який міг би здійснювати рабóту, що перевищує витрачену на її виробництво енергію, з давніх часів було мрією багатьох винахідників.
Вічним двигуном першого роду називають пристрій, який може нескінченно здійснювати роботу, не витрачаючи на це енергії. Але згідно з першим законом термодинаміки термодинамічна система може здійснювати роботу за рахунок теплоти, одержуваної ззовні і убутку своєї внутрішньої енергії.
A = Q - Δ U
Якщо до системи не підводити теплоту, то роботу можна зробити тільки за рахунок внутрішньої енергії. Але в такому випадку через деякий час запас цієї енергії вичерпається. Це означає, що не можна створити таку машину, яка змогла б працювати без підведення енергії ззовні. Таким чином, вічний двигун неможливий. Ця також одна з формулювань першого закону термодинаміки.
