Реферат на тему:
«Первый закон термодинамики»
«Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.
Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.
Сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определенно как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты.
Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе»[1] .
«Применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах
1. Изотермический процесс (Т = const):
При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.
Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` < 0. Работа внешних сил над газом в этом случае положительная (А > 0).
2. Изобарический процесс (р = const):
При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и на изменение внутренней энергии, и на совершение газом работы:
3. Изохорический процесс:
При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии:
4. Адиабатический процесс (Q = 0):
Адиабатический процесс - процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее. Этот процесс протекает без теплообмена с окружающими телами.
При адиабатическом процессе:
При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.
Если А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 - температура газа понижается. Если же А` < 0 (газ сжимается), то дельта U > О - температура повышается»[2] .
«Змеевик как тепловая машина. Посмотрим как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т.е. отдает теплоту (Q<0), то совершаемая работа над газом положительна – внешние силы «проталкивают» газ через змеевик. Если теплота подводится к газу (Q>0), то наш змеевик подобен тепловой машине – газ сам совершает работу над внешними телами. Этот результат не зависит от того, какова величина давления газа на выходе и на входе. Единственное условие при этом – давление на входе должно быть больше давления на выходе, иначе газ просто потечет в обратную сторону.
Попробуем при помощи компрессора прокачивать через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно было считать стационарным, сечение выходного отверстия нужно сделать много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды.
Совершаемая компрессором над газом работа положительна и равна полной совершаемой над газом работе, ибо, выходя за вакуум, газ работы не совершает. Так как нет обмена теплотой, налицо противоречие с утверждением о том, что при адиабатическом протекании работа равна нулю.
Это противоречие возникло потому, что при прокаичвании газа в вакуум происходят и такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны. Действительно, первый закон термодинамики использовался в виде Q + A = U, где U – внутренняя энергия газа. Поэтому при использовании такой формулировки первого закона термодинамики заранее молчаливо предполагается, что в рассматриваемых процессах не происходит изменения механической энергии системы, т.е. не меняется потенциальная энергия газа как целого во внешнем поле, не меняется и кинетическая энергия движения газа как целого, не возникает в газе никаких макроскопических потоков. Теперь уже становится ясно, что при прокачивании газа в вакуум возникает макроскопический направленный поток, кинетическую энергию которого необходимо учитывать. Работа компрессора в этом случае как раз и определяет кинетическую энергию этого потока.
Если вход и выход змеевика расположены на разной высоте, то в уравнении закона сохранения энергии необходимо учитывать и изменение потенциальной энергии газа в поле тяжести, подобно тому как это делалось в гидродинамике при выводе уравнения Бернулли»[3] .
Список использованной литературы:
1) Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ.
2) Учебник «Физика-10» В.А.Касьянов , М., Дрофа, 2003.
3) http://www.fizika.asvu.ru/page.php?id=34 - Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы
Реферат
по дисциплине Концепции современного естествознания
на тему:
«Первое начало термодинамики».
«Термодинамика – это раздел физики, изучающий общие закономерности обмена тепловой энергии между системами, системой и внешней средой и производства работы за счет этой энергии».[4]
«Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. – все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объемом (объемом единицы массы)».[5]
«Изучая механику, мы говорили о двух формах энергии: кинетической и потенциальной. При переходе к изучению состояния газов было введено понятие температуры, как меры энергии хаотического движения молекул. Энергию хаотического движения молекул мы называли внутренней энергией газа. При изучении термодинамики для достижения максимальной наглядности пользуются модельными представлениями. Самая общая термодинамическая модель включает в себя: внешние источники тепловой энергии, рабочее тело и внешний приемник тепловой энергии, в который можно отводить энергию, накопленную в рабочем теле».[6]
«Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.
Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу первого начала термодинамики».[7]
«Первый закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:
».[8] «Первое начало термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии. В каком бы виде ни подводилась энергия к системе, всегда эта энергия расходуется на два процесса: 1) на повышение внутренней энергии системы; 2) на совершение системной работы».[9]
«Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель, который совершал бы работу «из ничего» без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу».[10]
mirznanii.com
Анализ методической эффективности урока
Основными источниками информации, описывающие физиологические и психологические возрастные особенности являются труды Ирины Юрьевны Кулагиной и Роберта Семёновича Немова. В монографии Кулагиной И.Ю...
Дидактический проект подготовки рабочего по специальности: "Электромонтажник-схемщик"
1 полугодие 1 1 2 3-14 14-17 1 2 3 4 5 Обучение в учебных мастерских Вводное занятие Безопасность труда и пожарная безопасность в учебных мастерских Экскурсия на предприятие Обучение в слесарной мастерской Слесарные...
Изучение дискретного строения вещества в физике средней школы
Цели уроков: Образовательные: вызвать объективную необходимость изучения нового материала; способствовать овладению знаниями по теме “Строение вещества. Молекулы”. Развивающие: содействовать развитию речи, мышления...
Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы
Образовательные: формирование знаний и умений применять законы термодинамики и объяснение тепловых процессов. Развивающие: развивать творческое мышление, интеллектуальные способности учащихся; развивать умения наблюдать, анализировать...
Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы
Структура: 1. Термодинамическая система. 2. Термодинамическое равновесие. 3. Внутренняя энергии, количество теплоты и работа в термодинамике. 4. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа. 5. Первый закон термодинамики. 6...
Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы
Изучение первого закона термодинамики продолжает формировать представления старшеклассников о фундаментальном естественнонаучном принципе - принципе сохранения энергии...
Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы
...
Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы
№ Этап урока Время, мин Деятельность учителя Деятельность учащихся Форма работы 1 Организационный 1 Приветствие. Называет тему и цель урока. Проверяют готовность своего рабочего места к уроку...
Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы
Класс: 10. Тема урока: «Решение задач по теме «Первый закон термодинамики». Тип урока: урок проверки знаний, умений и навыков. Цели урока: · создать условия для проверки знаний...
Первый закон термодинамики
Становление первого начала термодинамики как научного принципа связано с развитием понятия об энергии и идеи сохранения движения. Над этим вопросом работало много ученых. Остановимся кратко на работах некоторых из них. В 1644 г...
Первый закон термодинамики
...
Первый закон термодинамики
Изученные процессы изменения состояния идеального газа дают богатый материал для частных применений первого закона термодинамики. Обращение к этим примерам вместе с тем содержит элементы повторения. I. Изохорный процесс (V = const, m = const)...
Разработка факультатива "Оптимальный портфель ценных бумаг"
...
Театр в организации профилактики наркомании и наркопреступности среди подростков
В последнее время все чаще в социально-педагогической литературе рассматривается понятие «аддиктивное поведение». Мы будем опираться на определение аддиктивного поведения, предложенное С.А. Кулаковым (1989)...
Характеристика личностей Конфуция, Макаренко и Пирогова с позиции их пригодности к педагогической деятельности
Известный древнекитайский мудрец, основоположник философской школы "Жуцзя" Конфуций (551-479 гг. до н.э.) был первым крупным педагогом Китая не только с хронологической точки зрения, но и по значимости вклада...
ped.bobrodobro.ru
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Омский государственный технический университет
Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины»
РЕФЕРАТ
по дисциплине теплофизика
на тему «ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ»
Выполнил:
студент группы ЗБП-211
Бачина О.Г.
Проверил:
Шамутдинов А.Х.
г. Омск
2013 год
Содержание
Введение ………………………………………………………………….. 3
Первый закон термодинамики ………………………………………. 4
Внутренняя энергия, работа изменения объема, теплота ………......... 5
Аналитическое выражение первого закона термодинамики ……………. 9
Первый закон термодинамики в изопроцессах …………………………. 10
Список используемой литературы ………………………………………. 12
Введение
Термодинамика представляет собой науку о взаимных превращениях различных видов энергии. Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы. Сформулированные в термодинамических понятиях, они называются законами или началами термодинамики. Благодаря высокой достоверности и независимости этих законов от свойств конкретных тел термодинамика успешно решает разнообразные задачи технического характера.
На основе термодинамики разрабатывают новые и совершенствуют существующие тепловые машины и установки и создают высокоэффективные технологии, обеспечивающие экономное расходование энергетических и материальных ресурсов.
Основные понятия и определения. Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами (внешней средой). Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. Термодинамическая система называется изолированной (закрытой), если она не может обмениваться энергией и веществом с другими системами. Термодинамическая система, которая может обмениваться веществом с другими системами, называется открытой. Термодинамическая система, которая не обменивается теплотой с окружающей средой, называется теплоизолированной или адиабатной.
Первый закон термодинамики
Закон сохранения и превращения энергии носит название первого закона термодинамики или первого начала термодинамики.
Существует несколько формулировок первого закона термодинамики:
1. Все виды энергии могут взаимно превращаться в строго равных друг другу количествах, т.е. энергия не возникает из ничего и не исчезает, а переходит из одного вида в другой.
2. Невозможно построить такую периодически действующую машину, с помощью которой можно было бы получить полезную работу без затраты энергии извне, т.е. черпая энергию из ничего. Подобное устройство называется вечным двигателем первого рода, построение и работа которого в соответствии с законом сохранения энергии невозможно.
3. Внутренняя энергия полностью изолированной системы есть величина постоянная.
Как показывает опыт, различные тела, взаимодействуя между собой, передают друг другу некоторое количество энергии. Передача энергии может происходить разными способами. Для технической термодинамики важны два из этих способов: передача энергии в виде работы и теплоты. Допустим, что к телу подведено некоторое количество теплоты Q. Эта теплота будет затрачена на изменение внутренней энергии ΔU и на совершение работы L.
Q = ΔU + L
Для одного кг массы:
q = Δu + l
Для бесконечно малого процесса:
∂q = du + ∂l
Это математическая запись уравнения первого закона термодинамики. Из этого уравнения следует, что теплота, подведенная к рабочему телу, затрачивается на изменение внутренней энергии и на совершение работы.
Внутренняя энергия, работа изменения объема, теплота
Внутренняя энергия. Рабочее тело в любом состоянии обладает внутренней энергией, величина которой зависит от состояния рабочего тела. Внутренняя энергия тела складывается из следующих видов энергии:
1) кинетической энергии поступательного и вращательного движения молекул, 2) энергии колебательного движения атомов, 3) энергии внутриатомного движения, 4) потенциальной энергии молекул, зависящей от сил межмолекулярного взаимодействия, 5) потенциальной энергии атомов.
Первые три вида составляют внутреннюю кинетическую энергию рабочего тела, зависящую от температуры, два последних вида – внутреннюю потенциальную энергию рабочего тела, которая зависит от расстояния между молекулами, а, следовательно, от объема или давления газа.
Внутренняя кинетическая и внутренняя потенциальная энергии составляют полную внутреннюю энергию рабочего тела. Таким образом, полная внутренняя энергия будет являться функцией двух любых независимых параметров, определяющих состояние тела:
u = f1 (p,v), u = f2 (p,Т), u = f3 (v,Т)
Являясь, функцией состояния или функцией основных параметров состояния, внутренняя энергия газа сама является параметром состояния, величиной которого можно характеризовать состояние рабочего тела.
Из этого основного свойства внутренней энергии следует, что ее изменение не зависит от характера процесса, т.е. от промежуточных состояний тела, а полностью определяется начальным и конечным его состоянием:
Δu = = f2 (p2 v2) – f1 (p1 v1) = u2 – u1
Математически это означает, что бесконечно малое изменение внутренней энергии du есть полный дифференциал этой функции:
du = dT + dv
Внутренняя энергия идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, не зависит от объема газа или давления, а определяется только его температурой, поэтому производная от внутренней энергии идеального газа по температуре есть полная производная:
Работа изменения объема. Пусть в цилиндре под поршнем находится в равновесном состоянии 1 кг рабочего тела, производящего на поршень площадью F давление р.
dh
Р
F
При расширении газ совершает работу против сил внешней среды, передавая ей при этом энергию; при сжатии, наоборот, газ воспринимает работу, совершаемую внешней средой.
Работа, произведенная рабочим телом против действия внешних сил (при расширении) или внешними силами над рабочим телом (при сжатии), называется работой изменения объема. Обозначим эту работу для 1 кг l (Дж/кг) и для произвольной массы L (Дж). При бесконечно малом перемещении поршня dh элементарная работа, производимая рабочим телом (считая, что р = const) ∂l = р · F dh, т.к F dh = dv представляет элементарное изменение объема, то получим:
∂l = р · dv
При конечном изменении объема работа против сил внешнего давления равна
Эти формулы справедливы только для равновесных процессов, при которых давление рабочего тела равно давлению окружающей среды.
В термодинамике для исследования равновесных процессов используют р,v – диаграмму, в которой осью абсцисс является удельный объем, а осью ординат – давление. Поскольку состояние термодинамической системы определяется двумя параметрами, то на р,v – диаграмме оно изображается точкой.
р
1 l
1' l
2'
2
v
v1 dv v2
Точка 1 соответствует начальному состоянию системы, точка 2 – конечному, а линия 1-2 процессу расширения рабочего тела от v1 до v2.
При бесконечно малом изменении объема dv площадь под элементарным процессом 1'-2' будет равна p·dv, т.е. l. Следовательно, работа процесса 1-2 изображается площадью, ограниченной линией процесса, крайними ординатами линии процесса и осью абсцисс.
Таким образом, работа изменения объема эквивалентна площади под кривой процесса в р,v – диаграмме.
Каждому пути перехода системы из состояния 1 в состояние 2 соответствует своя работа расширения.
р
1 m
n
2
а в v
Если взять 2 процесса 1 - m - 2 и 1 - n - 2 , протекающих между одинаковыми начальными и конечными состояниями, то работа в них будет различна, т.к. различны площади, изображающие эти работы.
Следовательно, между заданными состояниями рабочего тела величина работы изменения объема зависит от характера процесса. Работа изменения объема является функцией не состояния, а процесса, и характер процесса всецело определяет численное значение работы. Поэтому работа не является параметром состояния и не имеет полного дифференциала.
Если работу совершает М килограммов газа, то формула для работы принимает вид:
L = = M·l
Теплота. Теплота является одним из наиболее важных понятий термодинамики. По своему существу понятие теплоты близко к понятию работы. Теплота и работа являются формами передачи энергии. Различие их состоит в том, что теплота является формой передачи энергии между телами, представляющей собой совокупность микрофизических процессов, а работа – это форма передачи энергии за счет макропроцессов.
Теплота может передаваться либо при непосредственном контакте между телами (теплопроводностью, конвекцией), либо на расстоянии (излучением), причем во всех случаях этот процесс возможен только при наличии разности температур между телами.
Количество теплоты, получаемое телом, как и работа, зависит от характера процесса, и поэтому q не является параметром состояния и не имеет полного дифференциала. Количество теплоты в процессе подсчитывается через теплоемкость данного процесса. С учетом того, что теплоемкость веществ может быть выражена в различных единицах измерения, элементарное количество теплоты определяют одним из трех способов:
∂Q = M · c · dT = V · c' · dT = v · cµ · dT
Аналитическое выражение первого закона термодинамики
В общем случае, когда в результате подвода теплоты к рабочему телу его температура повышается и вследствие увеличения объема совершается работа, подведенная к телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела и на совершение работы.
Для 1 кг рабочего тела получим уравнение:
q = Δu + l
Для элементарного процесса получим уравнение, записанное в дифференциальной форме:
∂q = du + ∂l
Дифференциальная форма записи уравнения первого закона при анализе термодинамических процессов часто оказывается более удобной.
Уравнение первого закона термодинамики можно представить в другом виде. Если в уравнение ∂q = du + ∂l подставить значение работы ∂l = p·dv, получим:
∂q = du + p·dv
К этому уравнению прибавим и вычтем слагаемое v·dp:
∂q = du + p·dv + v·dp – v·dp = du+ d(pv) – v·dp = d(u + pv) – v·dp
Последнее слагаемое представляет собой удельную техническую (или располагаемую) работу 1 кг рабочего тела:
∂l' = – v·dp
Функцию h = u + pv, измеряемую в Дж/кг, в термодинамике называют удельной энтальпией.
Входящие в уравнение величины u, p, υ являются параметрами состояния, поэтому и сама энтальпия также будет параметром состояния.
Уравнение первого закона термодинамики, записанное через изменение энтальпии, будет:
∂q = dh - v·dp
Тогда аналитическое выражение для первого закона примет вид:
q = Δh + l'
Первый закон термодинамики в изопроцессах
Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.
1. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, L = 0.
Следовательно, первый закон термодинамики для изохорного процесса выражается соотношением:
referat911.ru
