Допустим, что в неизолированной термодинамическом комплексе элементов происходит изменение внутренней энергии (ΔU). Тогда его приравнивают к разнице между теплом Q, которое отдаётся структуре, и той работой (A), которая выполняется структурой над объектами, находящимися во внешней среде.
Содержание:
Для изучения движения энергии, выделяемой как определённым термодинамическим комплексом элементов, так и внешними объектами используется ряд универсальных правил. Когда рассматривается движение тепла направленное к определённому термодинамическому комплексу элементов, то его значения всегда будут рассматриваться как Q>0. Весь комплекс в целом производит работу над объектами снаружи системы, а значит можно записать неравенство A>0.
Изменение состояния комплекса элементов происходит, когда случается передача тепловой энергии внешним объектам, при этом выполняется работа, положительного или отрицательного характера. Изменение макроскопических характеристик системы: давления, температуры, а также объема изменяет внутреннюю энергию всего комплекса — U.
Значение U полностью определяется как результирующее действие макроскопических параметров, которые формируют состояние комплекса, и процессов выполнения работы, обмена теплом. Они-то и провоцируют изменения энергетических характеристик комплекса элементов и его энергии. Само изменение обозначают ΔU.
Первое начало термодинамики, определение
На термодинамику распространяется действие закона преобразования и сохранения энергии. Коротко его можно сформулировать как: ∆U=Q-A.
Определение 1
Приведённое утверждение означает, что первое начало термодинамики можно дополнительно сформулировать как уравнение: Q=∆U+A.
Определение 2
Теплота, приобретаемая структурой, идёт на увеличение внутренней энергии, а также на выполнение работы над объектами внешней среды.
Первое начало термодинамики становится по сути суммированием экспериментальных факторов. Если использовать его, то допустимо утверждать, что энергия самопроизвольно не возникает и самопроизвольно не исчезает, а перемещается от одних систем к другим, изменяя собственную структуру и форму существования.
Нельзя изготовить вечный двигатель первого рода — не существует и не может существовать такого аппарата, единственным действием которого будет выполнение полезной работы без получения энергии извне и не испытывая превращений во внутренней структуре аппарата. Данный вывод из первого начала термодинамики положил конец попыткам сознать вечный двигатель и помог учёным лучше понять реальные физические процессы.
Среди многочисленных вариантов фантастических аппаратов, производящих работу без затрат энергии, не было ни одного удачного, что также является подтверждением первого закона термодинамики. Любой реально работающий агрегат способен выполнять положительную работу над объектами внешнего пространства, только дополнительно получая извне тепло Q (нагреваясь) или снижая уровень своей внутренней энергии.
Термодинамика для газообразных веществ
Первое начало термодинамики подходит для применения к изопроцессам газом.
Определение 3
Если взять изохорный процесс, который будет рассматриваться при постоянном объеме, то работа выполняемая газом будет иметь нулевое значение, A=0.
Для описанного случая подходит взаимосвязь учитывающая внутреннюю энергию газообразного вещества:
Q=∆U=U(T2)–U(T1).
В полученной форме U(T1) и U(T2) —внутренняя энергия газообразного вещества, находящегося в начальном и конечном состояниях. При рассмотрении газа, считающегося идеальным, его энергия зависит только от температур. Это утверждение постулирует закон Джоуля.
В случае изохорного процесса повышения температуры, газообразное вещество осуществляет поглощение тепла (Q>0), и тем самым провоцирует повышение энергии (внутренней). При условии снижения температуры, энергия уходит к объектам находящимся снаружи (Q<0).
Определение 4
В изобарических процессах, рассматриваются характеристики, в которых давление — величина постоянная, поэтому работа, выполняемая газообразным веществом, выражается в виде отношения:
A=p(V2-V1)=p∆V.
Первое начало термодинамики, записанное для изобарического изменения определяется как:
Q=U(T2)-U(T1)+p(V2-V1)=∆U+p∆V.
При изобарическом изменении, когда идёт расширение, Q>0 — происходит поглощение тепла газообразным веществом, и оно выполняет положительную работу. Если происходит изобарическое сжатие (Q<0), то тепло идёт наружным объектам. А значит получаем соотношение A<0. В случае изобарического сжатия снижаются температурные характеристики газа и уменьшается внутренняя энергия — ΔU<0.
Определение 5
При прохождении изотермического изменения температура газообразного вещества не изменит величины, а значит, не будет модифицирована и внутренняя энергия газа ΔU=0.
При изотермическом изменении первое начало термодинамики постулирует следующую формулу:
Q=A
Тепло, получаемое газообразным веществом, в ходе изотермического расширения, переходит в работу, производимую над наружным объектом. Может быть и наоборот — изотермическое сжатие ведёт к изменению работы сил снаружи, она производится над газом и преобразуется в тепло передаваемое окружающим объектам. Вместе с изобарными, изохорным, изотермическими процессами нередко исследуют и другие виды явлений, которые, происходят в состояниях, если нет обмена теплом с окружающими объектами.
Определение 6
Адиабатическая оболочка – это емкость, стенки которой непроницаемы для тепла.
Определение 7
Расширение или сжатие газообразного вещества, происходящее в адиабатических оболочках называют адиабатическими процессами.
Определение 8
Во время адиабатических процессов Q=0. По этой причине первое начало термодинамики будет иметь вид: A=–ΔU.
Получаем, что газообразное вещество выполняет работу путём снижения внутренней энергии.
Определение 9
Расширение, а также сжатие на графике функций p-V иллюстрируется криволинейной линией, с названием адиабата.
В ходе адиабатического расширения газообразное вещество производит работу A>0, что вызывает понижение внутренней энергии ΔU<0. Явление приводит к снижению его температуры. Исходя из такого действия, допустимо сказать, что параметр давления в случае адиабатического расширения снижается с большей скоростью, чем это происходит в изотермических преобразованиях.
Запись адиабатического процесса:
p·V·γ=const
В данной формуле мы получаем, что γ=CpCv – показатель адиабаты.
А Cp и Cv –теплоемкости изобарического и изохорического процессов. Формулу называют — уравнение Пуассона.
Работа газообразного вещества, в адиабатическом превращении, будет выражена через температуры начального T1 и конечного T2 состояний и в итоге примет вид:
A=C·V·(T2-T1)
Адиабатические явления считаются изопроцессами.
Ещё одна величина, занимающая важное место в термодинамике —энтропия. В том или ином квазистатическом превращении трансформация энтропии может быть эквивалентна определённому полученному теплу ΔQT. Так как в каждой фазе адиабатического превращения ΔQ=0, то энтропия не получит никаких изменений. Все возможные изопроцессы, считая также и адиабатические, будут совершенно точно квазистатическими. Переходные состояния газа в таких процессах оказываются равновесными. Точки, относящиеся к адиабате, будут показывать состояние равновесия. Но, изменение, которое осуществляется в адиабатических оболочках, а значит и без обмена теплом с внешними объектами, не обязательно подходит к данной задаче.
Пример 1
Примером изменения неквазистатического характера, где переходные положения не бывают в равновесии, является расширение газа, помещённого в вакуум. Для иллюстрации процесса берётся оболочка адиабатического типа, составленная из совмещённых емкостей. Сначала газом заполнен первый из сосудов, одновременно второй наполнен вакуумом. При открытии соединительного вентиля начинается расширение газа. Он заполнит обе емкости, и установит новое равновесие.
В таком превращении Q=0, это значит, что исключен обмен теплом с внешним пространством, а также A=0, потому оболочка не может быть деформирована. Первое начало термодинамики позволяет утверждать — ΔU=0, а значит внутренняя энергия не была изменена. Внутренняя энергия идеального газа меняется лишь из-за нагрева или охлаждения, поэтому температура газа в начале и в конце будет одинаковой. Изображение этих состояний как точек на графике p-V показывает, что они находятся на единой изотерме. Все переходные положения не могут быть равновесными и нет возможности показать их на диаграммах.
Warning: file_put_contents(./students_count.txt): failed to open stream: Permission denied in /var/www/webmath-q2ws/data/www/webmath.ru/poleznoe/guide_content_banner.php on line 20
Пример 2
Когда наблюдается расширение газа в вакууме, происходит необратимый процесс. Его не удастся провести в обратном направлении.
Статьи по теме
Поможем выполнить
любую работу
