Основы термодинамики

1. Внутренняя энергия и способы ее изменения 2.Внутренняя энергия одноатомного идеального газа 3.Работа газа при расширении и сжатии 4.Теплопередача.Количество теплоты 5.Первый закон термодинамики для различных процессов в газах 6.Обратимые и необратимые процессы. Второй закон термодинамики

1. Внутренняя энергия и способы ее изменения

Способы изменения внутренней энергии Теплопередача Совершение работы конвекция тепло- проводность излучение

Анимация «Способы изменения внутренней энергии»

Анимация «Теплопроводность металлов»

Анимация «Теплопроводность различных тел »

Видеоролик «Конвекция в жидкостях»

Видеоролик «Конвекция в воздухе»

Видеоролик «Нагревание излучением»

Может ли внутренняя энергия одновременно изменяться за счет совершения работы и за счет передачи теплоты? Первый закон термодинамики отвечает именно на этот вопрос!

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Одно из основных положений термодинамики, являющееся по существу законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам…. Первое начало термодинамики сформулировано в середине 19 в. в результате работ Ю. Р. Майера, Дж. Джоуля и Г.Гельмгольца. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия

МАЙЕР (Mayer) Юлиус Роберт ( ) Немецкий естествоиспытатель, врач. Первым сформулировал закон сохранения энергии (эквивалентности механической работы и теплоты) и теоретически рассчитал механический эквивалент теплоты (1842).

ДЖОУЛЬ (Joule) Джеймс Прескотт ( ) Английский физик. Экспериментально обосновал закон сохранения энергии, определил механический эквивалент тепла. Установил закон, названный законом Джоуля Ленца. Открыл (совместно с У. Томсоном) эффект, названный эффектом Джоуля Томсона.

ГЕЛЬМГОЛЬЦ (Helmholtz) Герман Людвиг Фердинанд ( ) Немецкий ученый, иностранный член- корреспондент Петербургской АН (1868). Автор фундаментальных трудов по физике, биофизике, физиологии, психологии. Впервые (1847) математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, ввел понятия свободной и связанной энергий. Автор основополагающих трудов по физиологии слуха и зрения.

2.Внутренняя энергия одноатомного идеаль- ного газа

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Вывод: Внутренняя энергия идеальных газов зависит только от температуры, при нагревании вну – тренняя энергия увеличивается. Если температура газа не изменяется ( изотермический процесс ), внутренняя энергия тоже не изменяется.

3.Работа газа при расширении и сжатии

Работа газа при расширении и сжатии

Выводы: 1.Работа газа при изобарном процессе вычисляется по формуле: 2.Работа газа при изохорном процессе равна 0 :

Анимация « Работа газа в ДВС»

5.Первый закон термодинамики для различных процессов в газах

Первый закон термодинамики Количество теплоты, сообщенное газу, идет на изменение внутренней энергии газа и на совершение работы газом над внешним телом

Q = U + А Совершенная газом работа Изменение внутренней энергии газа Количество теплоты,пере- данное газу

Важно помнить: Все величины, входящие в уравнение первого закона термодинамики, являются алгебраическими величинами Q>0 – газ тепло получает Q0 – газ расширяется, объем газа увеличивается, газ совершает работу над внешним телом A0 – внутренняя энергия увеличивается, газ нагревается ΔU < o - внутренняя энергия уменьшается, газ охлаждается

Задача Газ совершил работу 3·10 9 Дж при передаче ему количества теплоты 8·10 9 Дж. Чему равно изменение внутренней энергии газа? Охладился или нагрелся газ? Ответ объясните.

29 Изотермический процесс (T = const) ΔT = 0 Q = ΔU + A = A Q = A

Изохорный процесс (V = const) A = 0Q = ΔU + A = ΔU Q = ΔU

Изобарный процесс (p = const) T - изменяется ΔU # 0 ΔT #0 V - изменяется ΔV # 0A # 0 Q = ΔU + A

Адиабатный процесс Адиабатный процесс – процесс, при котором газ не получает и не отдает тепло окружающим телам Q = 0 0 =U+A

Адиабатными являются очень быстрые процессы. За короткое время газы не успевают отдать или получить тепло от других тел. Виды адиабатных процессов Адиабатное сжатиеАдиабатное расширение

34 Адиабатные процессы в природе Образование облаков.Образование облаков. Осадки.

35 Образование облаков В летний день земная поверхность имеет более высокую температуру, чем атмосферный воздух. Слой воздуха, находящийся у поверхности Земли, нагревается сильнее, чем слой, находящийся над ним. Подъем более теплого воздуха в более высокие слои атмосферы сопровождается его расширением, которое происходит адиабатно и сопровождается его охлаждением. Водяной пар, содержащийся в воздухе, при подъёме и охлаждении на некоторой высоте из ненасыщенного становится насыщенным, при этом происходит конденсация пара и образуется облако, состоящее из мельчайших капель воды.

36 Осадки Если процесс конденсации пара в облаке идёт более интенсивно, чем процесс испарения капель воды на поверхности облака, развитие облака может завершиться выпадением дождя, снега или града. Когда размер капли станет таким, что скорость её падения превысит скорость подъёма восходящего потока воздуха в облаке, капли падающие вниз, сливаясь с более мелкими, поднимающимися вверх выпадают в виде дождя. Если вершина облака состоит из кристалликов льда, то возможно выпадение осадков в виде снега или града.

В дизельных двигателях отсутствует система зажигания. В цилиндр засасывается атмосферный воздух, c помощью поршня происходит резкое адиабатное сжатие вохдуха, к концу такта сжатия с помощью форсунки впрыскивается жидкое топливо. К этому моменту температура воздуха так велика, что горючее воспламеняется. 1 мая 1895 г. дизельный двигатель Рудольфа Дизеля впервые непрерывно проработал в течение 30 минут. Адиабатный процесс

Анимация « Дизельный двигатель»

Опыт «Адиабатное сжатие воздуха»

Адиабатическое же охлаждение газов лежит в основе процесса их сжижения.

Одна из формулировок первого закона термодинамики гласит: невозможен вечный двигатель первого рода.

Вечный двигатель (лат. perpetuum mobile перпетуум мобиле), 1–го рода Машина, которая отдала бы больше энергии, чем получила. Механизм (устройство), который безостановочно движет сам себя и, кроме этого, совершает какую- нибудь полезную работу без затрат топлива или других материалов. Устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затрат энергии.

Невозможность создания вечного двигателя Q = 0 (к системе энергия не поступает) А = - U т.е. работа совершается за счет убыли энергии. Но когда энергия исчерпается, тогда двигатель перестанет работать.

В 1775 г. Парижская академия наук, считая неосуществимыми проекты вечных двигателей, постановила не рассматривать их.

Анимированные задачи по термодинамике

В н у т р е н н я я э н е р г и я и з о а р н ы й аботаабота к о л и ч е с т в о е п л о т ы деальныйдеальный м а к р о с к о п ч е с к и е е р м о д и н а м и к а б и т у р и е н т е а л ь н ы е д ж о у л зохорныйзохорный зотермическийзотермический емператураемпература

6.Обратимые и необратимые процессы. Второй закон термодинамики

48 Обратимый и необратимый процессы Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называются необратимыми. Процессы, которые могут происходить как в прямом, так и в обратном направлении, называются обратимыми

Примером необратимого процесса является теплопередача : Тепло самопроизвольно передается от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой Анимация « Теплопередача»

50 Второй закон термодинамики При каких условиях может осуществляться теплопередача от холодного тела к горячему? Невозможно осуществить термодинамический процесс передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу без совершения работы

Анимация « Работа холодильника. Задачи по термодинамике»