Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
 Скачать 5.42 Mb.
|
32. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс.Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выделяются изопроцессы, при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным. Изохорный процесс (V=const). Диаграмма этого процесса (изохора) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 81), где процесс 1—2 есть изохорное нагревание, а 1—3 — изохорное охлаждение. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, т. е.  из первого начала термодинамики (dQ=dU+dA) для изохорного процесса следует, что вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии:  Согласно формуле (53.4),  Тогда для произвольной массы газа получим  (54.1) Изобарный процесс (p=const). Диаграмма этого процесса (изобара) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси V. При изобарном процессе работа газа (см. (52.2)) при увеличения объема от V1 до V2 равна  (54.2) и определяется площадью заштрихованного прямоугольника (рис. 82). Если использовать уравнение (42.5) Клапейрона — Менделеева для выбранных нами двух состояний, то  откуда  Тогда выражение (54.2) для работы изобарного расширения примет вид  (54.3) Из этого выражения вытекает физический смысл молярной газовой постоянной R: если T2 —T1 =1 К, то для 1 моль газа R=A, т. е. R численно равна работе изобарного расширения 1 моль идеального газа при нагревании его на 1 К. В изобарном процессе при сообщении газу массой т количества теплоты  его внутренняя энергия возрастает на величину (согласно формуле (53.4))  При этом газ совершит работу, определяемую выражением (54.3). Изотермический процесс (T=const). Как уже указывалось, изотермический процесс описывается законом Бойля—Мариотта:  Диаграмма этого процесса (изотерма) в координатах р, V представляет собой гиперболу (см. рис. 60), расположенную на диаграмме тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс. Исходя из выражений (52.2) и (42.5) найдем работу изотермического расширения газа:  Так как при Т=const внутренняя энергия идеального газа не изменяется:  то из первого начала термодинамики (dQ=dU+dA) следует, что для изотермического процесса  т. е. все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил:  (54.4) Следовательно, для того чтобы при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения. Адиабати́ческий, или адиаба́тный проце́сс (от др.-греч. ἀδιάβατος — «непроходимый») — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством. Серьёзное исследование адиабатических процессов началось в XVIII веке[1]. Адиабатический процесс является частным случаем политропного процесса, так как при нём теплоёмкость газа равна нулю и, следовательно, постоянна[2]. Адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит. Некоторые авторы (в частности, Л. Д. Ландау) называли адиабатическими только обратимые адиабатические процессы[3]. Обратимый адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона. Линия, изображающая адиабатный процесс на термодинамической диаграмме, называется адиабатой Пуассона. Примером необратимого адиабатического процесса может быть распространение ударной волны в газе. Такой процесс описывается ударной адиабатой. Адиабатическими можно считать процессы в целом ряде явлений природы. Так же такие процессы получили ряд применений в технике. Если термодинамический процесс в общем случае являет собой три процесса — теплообмен, совершение системой (или над системой) работы и изменение её внутренней энергии[5], то адиабатический процесс в силу отсутствия теплообмена (\Delta Q =0) системы со средой сводится только к последним двум процессам[6]. Поэтому, первое начало термодинамики в этом случае приобретает вид[7][Комм 1] \, \Delta U = - A, где \, \Delta U — изменение внутренней энергии тела, \, A — работа, совершаемая системой. Изменения энтропии S системы в обратимом адиабатическом процессе вследствие передачи тепла через границы системы не происходит[8]: \, \mathrm d S = \delta Q/T=0. Здесь \,T — температура системы, \, \delta Q — теплота, полученная системой. Благодаря этому адиабатический процесс может быть составной частью обратимого цикла[8]. 33. Необратимость тепловых процессов. Способы теплопередачи. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Понятие энтропии Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами: Q = ΔU + A. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. 3.12.1 изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.  Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым. Примеры: При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия — необратимый процесс. Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит. Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении. Между тем из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое. А вот вопрос о том, от какого тела, от горячего к холодному или наоборот, перейдет энергия, остается открытым. Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом термодинамики, который был установлен непосредственным обобщением опытных фактов. Это постулат. Немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку второго закона термодинамики: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. Из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела. Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики Всего существует три простых (элементарных) механизма передачи тепла: Теплопроводность Конвекция Тепловое излучение Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них: теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела); теплопередача (теплообмен от горячей среды (жидкость, газ или твердое тело) к холодной через разделяющую их стенку); конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией); термомагнитная конвекция Внутренние источники теплоты - понятие теории теплопередачи, которое описывает процесс производства (реже поглощения) тепловой энергии внутри материальных тел без какого-либо подвода или переноса тепловой энергии извне. К внутренним источникам теплоты относятся: тепловыделение при работе электрического тока тепловыделение при ядерных реакциях тепловыделение при химических реакциях |