Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики

    На рисунке 3.9.1 условно проиллюстрированы энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. В случае, если тепловой поток направлен к термодинамической системе, то некоторая величина Q>0, если же система совершает положительную работу над окружающими ее объектами, то справедливо неравенство A>0.

    Рисунок 3.9.1. Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

    Состояние системы меняется, когда происходит процесс ее обмена теплом с окружающими объектами, и она совершает положительную или отрицательную работу. Изменяются макроскопические параметры системы, такие как температура, объем и давление. По причине того, что внутренняя энергия U всецело определяется макроскопическими параметрами, которые характеризуют состояние системы, процессы совершения работы и теплообмена провоцируют изменения внутренней энергии данной системы ΔU.

    Определение 1-го закона термодинамики

    Первый закон термодинамики представляет собой некое обобщение закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы, и формулируется следующим образом:

    U=Q-A.

    Определение 1

    Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

    Формула первого закона термодинамики, зачастую записывается в ином виде: 

    Q=U+A.

    Определение 2

    Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

    Первый закон термодинамики представляет из себя, по сути, обобщение опытных фактов. Если руководствоваться им, то можно заявить, что энергия не возникает и не исчезает бесследно, а передается от одной системы к другой, меняя свои формы. Невозможность создания вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода, то есть машины, которая может совершать полезную работу, не потребляя энергию извне и не претерпевая каких-либо изменений во внутренней конструкции агрегата, являлась важным следствием первого закона термодинамики. В подтверждение этого выступает тот факт, что каждая из огромного множества попыток создания такого устройства неизменно заканчивалась неудачей. Реальная машина может совершать положительную работу A над внешними объектами, только получая некоторое количество теплоты Q от окружающих тел или уменьшая ΔU своей внутренней энергии.

    Первый закон термодинамики в процессах газов

    Первый закон термодинамики может применяться к изопроцессам в газах.

    Определение 3

    В изохорном процессе, то есть в условиях неизменного объема (V=const), газ не совершает работы, A=0.

    В этом случае справедливой будет формула внутренней энергии газа:

    Q=U=U(T2)-U(T1).

    В данном выражении U(T1) и U(T2) представляют внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит лишь от температуры, что исходит из закона Джоуля. При изохорном нагревании газ поглощает тепло (Q>0), чем провоцирует увеличение его внутренней энергии. В условиях охлаждения тепло отдается внешним объектам (Q<0).

    Определение 4

    В изобарном процессе, предполагающем постоянность значения давления (p=const), работа, совершаемая газом, выражается в виде соотношения:

    A=p(V2-V1)=pV.

    Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает: 

    Q=U(T2)-U(T1)+p(V2-V1)=U+pV.

    При изобарном расширении Q>0 тепло поглощается газом, и он совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q<0 тепло переходит внешним телам. В таком случае A<0. При изобарном сжатии уменьшаются температура газа T2<T1 и значение внутренней энергии ΔU<0.

    Определение 5

    В изотермическом процессе температура газа не меняет своей величины, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU=0.

    Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением 

    Q=A

    Теплота Q, приобретенная газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу, совершаемую над внешними объектами. И наоборот, изотермическое сжатие приводит к преобразованию уже работы внешних сил, произведенной над газом, в передающееся окружающим телам тепло.

    Вместе с изохорным, изотермическим и изобарным процессами в термодинамике нередко исследуют процессы, происходящие в условиях отсутствующего теплообмена с окружающими объектами.

    Определение 6

    Адиабатическая оболочка – это сосуд с теплонепроницаемыми стенками.

    Определение 7

    Процессы сжатия или расширения газа в подобных емкостях называют адиабатическими.

    Рисунок 3.9.2. Модель адиабатического процесса.

    Определение 8

    В адиабатическом процессе Q=0. По данной причине первый закон термодинамики принимает вид: 

    A=ΔU.

    Выходит, что газ производит работу за счет падения значения его внутренней энергии.

    Определение 9

    Расширение или сжатие газа на плоскости p, V проиллюстрирована кривой, называемой адиабатой.

    В процессе адиабатического расширения газом совершается положительная работа A>0, что является причиной понижения значения внутренней энергии ΔU<0. Данное явление провоцирует падение его температуры. Исходя из этого, можно заявить, что величина давления газа при адиабатическом расширении понижается быстрее, чем это происходит в изотермическом (рис. 3.9.3).

    Рисунок 3.9.3. Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа.

    В условиях координат (p, V) выводящееся в термодинамике уравнение адиабатического процесса для идеального газа принимает следующий вид: 

    pVγ=const.

    Данное выражение, в котором γ=CpCV – показатель адиабаты, Cp и CV – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом, называется уравнением Пуассона. В условиях одноатомного газа γ=53=1,67, двухатомного γ=75=1,4, многоатомного γ=1,33.

    Работа газа в адиабатическом процессе выражается через температуры начального T1 и конечного T2 состояний и принимает вид: 

    A=CV(T2-T1)

    Адиабатический процесс относится к изопроцессам.

    В термодинамике важное место занимает физическая величина, называемая энтропией. Изменение энтропии в том или ином квазистатическом процессе эквивалентно некоторому обретенному системой теплу ΔQT. Так как на каждом участке адиабатического процесса ΔQ=0, энтропия в нем не претерпевает изменений.

    Любые изопроцессы, в том числе и адиабатические, являются квазистатическими. Промежуточные состояния газа в таких процессах близки к состояниям термодинамического равновесия. Каждая точка, принадлежащая адиабате, описывает равновесное состояние. Однако, процесс, который проводится в адиабатической оболочке, то есть при отсутствующем теплообмене с окружающими объектами, не обязательно удовлетворяет данному условию.

    Пример 1

    Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния не находятся в состоянии равновесия, служит расширение газа в пустоту. На рисунке 3.9.3 иллюстрируется жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух разделенных вентилем K сообщающихся емкостей. В изначальном состоянии газом заполнен один из сосудов, в это же время во втором находится лишь вакуум. Открытие вентиля запускает процесс расширения газа. Он заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние.

    В таком процессе Q=0, по той причине, что исключен теплообмен с окружающими телами, и A=0, так как оболочка недеформируема. Первый закон термодинамики позволяет сказать, что ΔU=0, то есть внутренняя энергия газа не претерпела никаких изменений. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит лишь от температуры, температура газа в начальном и конечном состояниях одинакова. Изображающие эти состояния точки на плоскости (p, V) лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа не являются равновесными и не могут быть изображены на диаграмме.

    Пример 2

    Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.

    Рисунок 3.9.4. Расширение газа в пустоту.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,6 из 5 (16 голосов)