1Абдураимов Нурбекет 112Б. (1). Законы термодинамики. Изопроцессы, их применение в медицине ( Презентация) Выполнил студент
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Министерство образования Республики Казахстан “Казахстанко-Российский медицинский университет” Факультет:СТОМ Законы термодинамики. Изопроцессы, их применение в медицине ( Презентация) Выполнил студент 1-го курса гр. 112Б Абдураимов Нурбекет ____________________ Научный руководитель ____________________ Законы термодинамики. Изопроцессы, их применение в медицине Решение всех задач термодинамики опирается на первый закон, который фактически является термодинамическим аналогом закона сохранения энергии. Кратко рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам Первый закон термодинамики Из курса физики за 10 класс известно, что согласно первому закону термодинамики (иногда говорят «первому началу») изменение внутренней энергии системы в любых процессах равно работе внешних сил и количеству теплоты, переданного системе. В виде формулы это можно отразить так: ΔU=A+Q Данный закон работает для любых процессов. Если система не совершает работы и к ней не подводится тепло, то ее внутренняя энергия останется неизменной, независимо от того, что произошло с газом. Изопроцессы Наиболее ярко действие первого закона термодинамики видно на примере газовых процессов. Газовый процесс — это изменение состояния некоторого количества идеального газа, в котором изменяются его макроскопические параметры: объем, давление, температура. Чтобы проще рассматривать газовый процесс, обычно считают, что один из параметров зафиксирован, а меняются только остальные два. Такой процесс называется изопроцессом. При этом любой процесс с изменением всех трех параметров можно представить как два последовательных изопроцесса. Поскольку макроскопических параметров три, то и и изопроцессов возможно три — изохорный (постоянный объем), изобарный (постоянное давление), изотермический (постоянная температура). Иногда к ним добавляется еще один, четвертый, процесс, который, строго говоря, изопроцессом не является, однако имеет важные особенности, — это адиабатный процесс, в котором газ не обменивается теплом со внешней средой. Рассмотрим, как работает первый закон термодинамики для изопроцессов. Теплоемкость газа в изопроцессах Первое начало термодинамики позволяет связывать количество тепла, переданное газу с его температурой, — то есть производить определение его теплоемкости. Жидкие и твердые тела мало меняют свой объем при изменении температуры, теплоемкость у них также изменяется незначительно. Теплоемкость газов же значительно зависит от процесса, происходящего с газом. Изохорный процесс При изохорном процессе объем газа постоянен. Следовательно, и работа равна нулю. А значит, согласно первому началу, всё подведенное к газу тепло пойдет на изменение внутренней энергии: ΔU=QΔU=Q Для одноатомного газа: Q=3m2MRΔTQ=3m2MRΔT Следовательно, удельная теплоемкость равна: cV=QmΔT=3R2McV=QmΔT=3R2M А молярная теплоемкость: СV=32RСV=32R Изобарный процесс При изобарном процессе происходит как изменение внутренней энергии, так и совершение работы. Согласно первому началу термодинамики имеем: Q=ΔU+A=ΔU+pΔVQ=ΔU+A=ΔU+pΔV Учитывая уравнение состояния (для одного моля газа): pV=RTpV=RT И формулу теплоемкости при постоянном давлении: Qp=CpΔTQp=CpΔT Получим: CpΔT=CVΔT+RΔTCpΔT=CVΔT+RΔT Или после сокращения: Cp=CV+RCp=CV+R То есть для одноатомного газа: Сp=52RСp=52R Изотермический процесс Для изотермического процесса температура газа остается постоянной, и внутренняя энергия газа не меняется, сколько бы тепла газу не передавалось. То есть формально теплоемкость при таком процессе стремится к бесконечности: CT→∞CT→∞ Адиабатный процесс При адиабатном процессе работа газа совершается исключительно за счет изменения внутренней энергии: ΔU=AΔU=A Поскольку Q=0Q=0и теплообмен с внешней средой отсутствует, теплоемкость газа в адиабатном процессе также стремится к нулю: CQ=0→0CQ=0→0 Что мы узнали? Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии газа равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного газу. С помощью этого закона можно определить количество тепла, необходимое, чтобы сообщить газу в различных изопроцессах, то есть определить его теплоемкость. Актуальность темы, цели и задачи Актуальность Пока человек интересуются законами физики, и постоянно что-то Изобретает. Термин «термодинамика будет всегда актуальным Цели и задачи 1. Понятие Термодинамики 2. 1 закон Термодинамики 3. 2 закон термодинамики 4. Изопроцессы 5. Фазовые превращения 6. Заключение Понятие «Термодинамики» Под термодинамикой понимают раздел физики, рассматривающий системы, между которыми возможен обмен энергией, без учёта микроскопического строения тел, составляющих систему. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию и термодинамику неравновесных систем.Неравновесная термодинамика играет особую роль для рассмотрения биологических систем. Тепловое равновесие Тепловое равновесие – это состояние системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго. Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называются макроскопическими параметрами. К ним относятся давление и температура, объем, масса, концентрация отдельных компонентов смеси газа и др. В состоянии теплового равновесия отсутствует теплообмен с окружающими телами, отсутствуют переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, не меняются температура, давление, объем. Любая термодинамическая система переходит самопроизвольно в состояние теплового равновесия. Каждому состоянию теплового равновесия, в которых может находиться термодинамическая система, соответствует определенная температура. Внутренняя энергия Внутренняя энергия – это физическая величина, равная сумме кинетической энергии теплового движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Обозначение – U, в СИ единица измерения – Джоуль (Дж). В термодинамике внутренняя энергия зависит от температуры и объема тела. Внутренняя энергия тел зависит от их температуры, массы и агрегатного состояния. С ростом температуры внутренняя энергия увеличивается. Наибольшая внутренняя энергия у вещества в газообразном состоянии, наименьшая – в твердом. Внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию теплового движения его частиц; потенциальная энергия взаимодействия частиц равна нулю. Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре, а от объема не зависит (молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом): Теплопередача Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение (лучистый теплообмен). • Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых тел (частей тела) к менее нагретым в результате движения и взаимодействия частиц тела. Высокую теплопроводность имеют металлы – так, лучшие проводники тепла – медь, золото, серебро. Теплопроводность жидкостей меньше, а газы являются плохими проводниками тепла. .Конвекция – перенос энергии потоками жидкости или газа. Объяснить механизм конвекции можно на основе теплового расширения тел и закона Архимеда. При нагревании объем жидкости увеличивается .Излучение (лучистый теплообмен) – перенос энергии электромагнитными волнами. Перенос тепла излучением возможен в вакууме. Источником излучения является любое тело, температура которого отлична от нуля К. Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества Количество теплоты – это скалярная физическая величина, равная энергии, которую тело получило или отдало при теплопередаче. Обозначение – Q, в СИ единица измерения – Дж. Удельная теплоемкость – это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое тело массой 1 кг получает или отдает при изменении его температуры на 1 К. Обозначение – c, в СИ единица измерения – Дж/(кг·К). Удельная теплоемкость определяется не только свойствами вещества, но и тем, в каком процессе осуществляется теплопередача. Поэтому выделяют удельную теплоемкость газа при постоянном давлении – cP и удельную теплоемкость газа при постоянном объеме – cV. Для нагревания газа на 1 К при постоянном давлении требуется большее количество теплоты, чем при постоянном объеме – cP>cV. Формула для вычисления количества теплоты, которое получает тело при нагревании или отдает при охлаждении: Фазовые превращения Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики. Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии. Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе: Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так:количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами: Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива. Первый закон для изопроцессов Изотермический процесс: Q=A′(T=const,ΔU=0) Физический смысл: все переданное газу тепло идет на совершение работы. Изобарный процесс: Q=ΔU+A′ Физический смысл: подводимое к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы. Изохорный процесс: Q=ΔU(V=const,A′=0) Физический смысл: внутренняя энергия газа увеличивается за счет подводимого тепла. Адиабатный процесс: ΔU=−A′ или A=ΔU(Q=0) Физический смысл: внутренняя энергия газа уменьшается за счет совершения газом работы. Температура газа при этом понижается. Второй закон термодинамики • Все процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Необратимым называется процесс, обратный которому может протекать только как составляющая более сложного процесса. • Примеры необратимых процессов: • переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу; • переход механической энергии во внутреннюю энергию. • Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию. Английский физик У.Кельвин дал в 1851 году следующую формулировку второго закона: В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара. Заключение Можно сделать вывод что «термодинамика Это большой раздел в физике, изучающий Способы передачи и превращения энергии Так же важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя Сущность второго закона термодинамики, что любой естественный самопроизвольный процесс в природе протекает в определенном, ему присущем направлении, и не может быть проведен в противоположном направлении без затраты энергии. Существует много формулировок второго закона термодинамики. Список использованной литературы 1. https://www.evkova.org/termodinamika 2. https://educon.by/index.php/materials/phys/termodinamika 3. https://fizi4ka.ru/egje-2018-po- fizike/termodinamika.html 4. Учебник А.Н Ремизов Медицинская и биологическая физика 4-е издание |