Состояние системы. Процесс. Первый закон (первое начало) термодинамики

16. Состояние системы. Процесс. Первый закон (первое начало) термодинамики

Системой тел называют совокупность рассматриваемых тел. Примером системы может быть жидкость и находящийся в равновесии с ней пар. В частности, система может состоять из одного тела.

Всякая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, объемом и т.д. Величины, характеризующие состояние системы, называют параметрами состояний.

Не всегда какой-либо параметр системы имеет определенное значение. Если, например, температура в разных точках тела неодинакова, то телу нельзя приписать определенное значение температуры. В этом случае состояние системы называют неравновесным.

Равновесным состоянием системы называют такое состояние, при котором все параметры системы имеют определенные значения, остающиеся при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго.

Процессом называют переход системы из одного состояния в другое.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Изменение внутренней энергии системы при её переходе из одного состояния в другое (независимо от пути, по которому совершается переход) равно разности значений внутренней энергии в этих состояниях.

Согласно первому началу термодинамики количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.

Применение первого закона термодинамики к процессам в газах. Адиабатный процесс.

1.  Изотермический процесс (Т=const)

, т.к. .

Работа газа в изотермическом процессе

.

2.  Изохорный процесс (V=const)

, так как  Следовательно

3.  Изобарный процесс (p=const)

.

4.  Адиабатный процесс (Q = 0).

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой.

Уравнение адиабаты (уравнение Пуассона) имеет вид .

В соответствии с первым законом термодинамики  Следовательно, .

При адиабатном расширении , поэтому  (газ охлаждается).

При адиабатном сжатии , поэтому (газ нагревается). Адиабатное сжатие воздуха применяют для воспламенения топлива в дизельных ДВС.

17. Тепловые двигатели

Под тепловым двигателем понимают устройство, преобразующее энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель, у которого рабочие части периодически возвращаются в исходное положение, называют периодическим тепловым двигателем.

К тепловым двигателям относятся:

·  паровые машины,

·  двигатели внутреннего сгорания (ДВС),

·  реактивные двигатели,

·  паровые и газовые турбины,

·  холодильные машины.

Для работы периодического теплового двигателя необходимо выполнение следующих условий:

·  наличие рабочего тела (пара или газа), которое, нагреваясь при сгорании топлива и расширяясь, способно совершить механическую работу;

·  использование кругового процесса (цикла);

·  наличие нагревателя и холодильника.

Схема теплового двигателя имеет вид, изображенный на рисунке. количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, - количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику.

Из схемы видно, что тепловой двигатель совершает работу только за счет передачи теплоты в одном направлении, а именно от более нагретых тел к менее нагретым, причем вся теплота, взятая от нагревателя, не может быть

превращена в механическую работу. Это не случайность, а результат объективных закономерностей, существующих в природе, которые отражены во втором начале термодинамики. Второе начало термодинамики показывает, в каком направлении могут протекать термодинамические процессы, и имеет несколько равнозначных формулировок. В частности, формулировка Кельвина такова: невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

КПД теплового двигателя. Цикл Карно.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют величину, равную отношению количества теплоты, превращенной двигателем в механическую работу, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Для определения максимально возможного значения КПД теплового двигателя французский инженер С. Карно рассчитал идеальный обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Он доказал, что максимальное значение КПД идеальной тепловой машины, работающей без потерь на обратимом цикле

.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем при температуре  и холодильником при температуре  не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины с теми же температурами.

Похожие работы

Классическая физика и теория относительности

Скачать

12134

0

3

... Эйнштейн интерпретировал преобразования Лоренца кинетически, т.е. как характеризующие свойства движения в пространстве и времени, тем самым заложив основы теории относительности. Он снял проблему эфира, упразднив его, радикально изменил классические представления о пространстве и времени. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от латинского - относительный) и ...

Фундаментальные законы физики и теория асимметрии пространства

Скачать

44934

0

12

... подобием нейтрона, оставаясь гравитоном для Желтой материи, а позитрон приобретает положительный заряд и все качества, присущие протону в нашем пространстве. Это ЕДИНЫЙ ЗАКОН МАТЕРИИ ВСЕЛЕННОЙ, и он правомерен во всех ее пространствах. Протон и нейтрон образуют не некое слипшееся бесформенное образование, а активную сферу сильного (ядерного) орбитального взаимодействия частиц, именуемую ядром ...

Основы теории непустого эфира (вакуума)

Скачать

24682

0

0

... – положительный и отрицательный. К настоящему времени существует экспериментальное доказательство существования как вещества, так и антивещества. Предсказаны и зарегистрированы нейтрино и антинейтрино [44]. Изложенные основы теории непустого эфира, отчетливо демонстрируют этот первый шаг самоорганизации вещества. Следующие шаги ведут к образованию более сложных форм материи, вплоть до создания ...

Организация и содержание элективного курса "Основы теории вероятностей и математической статистики" в классах оборонно-спортивного профиля

Скачать

138817

24

10

... мышц и скоростью их сокращения, между спортивным достижением в одном и другом виде спорта и так далее. Теперь можно составить содержание элективного курса «Основы теории вероятностей и математической статистики» для классов оборонно-спортивного профиля. 1.  Комбинаторика. Основные формулы комбинаторики: о перемножении шансов, о выборе с учетом порядка, перестановки с повторениями, размещения с ...