Первый закон термодинамики

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего 

профессионального образования

Омский государственный  технический университет

Кафедра «Гидромеханика и  транспортные машины»

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине теплофизика

на тему «ПЕРВЫЙ ЗАКОН  ТЕРМОДИНАМИКИ»

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы ЗБП-211

Бачина О.Г.

 

 

Проверил:

Шамутдинов А.Х.

 

 

 

 

 

г. Омск

2013 год

Содержание 

 

Введение ………………………………………………………………….. 3

 

Первый закон термодинамики ………………………………………. 4

 

Внутренняя энергия, работа изменения объема, теплота ………......... 5

 

Аналитическое выражение  первого закона термодинамики ……………. 9

 

Первый закон термодинамики в изопроцессах …………………………. 10

 

Список используемой литературы ………………………………………. 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Термодинамика представляет собой науку о взаимных превращениях различных видов энергии. Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы. Сформулированные в термодинамических понятиях, они называются законами или началами термодинамики. Благодаря высокой достоверности и независимости этих законов от свойств конкретных тел термодинамика успешно решает разнообразные задачи технического характера.

На основе термодинамики  разрабатывают новые и совершенствуют существующие тепловые машины и установки  и создают высокоэффективные  технологии, обеспечивающие экономное  расходование энергетических и материальных ресурсов.

Основные  понятия и определения. Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами (внешней средой). Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. Термодинамическая система называется изолированной (закрытой), если она не может обмениваться энергией и веществом с другими системами. Термодинамическая система, которая может обмениваться веществом с другими системами, называется открытой. Термодинамическая система, которая не обменивается теплотой с окружающей средой, называется теплоизолированной или адиабатной.

 

Первый закон  термодинамики

 

Закон сохранения и превращения  энергии носит название первого  закона термодинамики или первого  начала термодинамики.

Существует  несколько формулировок первого закона термодинамики:

1. Все виды энергии могут взаимно превращаться в строго равных друг другу количествах, т.е. энергия не возникает из ничего и не исчезает, а переходит из одного вида в другой.

2. Невозможно построить  такую периодически действующую  машину, с помощью которой можно  было бы получить полезную  работу без затраты энергии  извне, т.е.  черпая энергию  из ничего. Подобное устройство  называется вечным двигателем  первого рода, построение и работа  которого в соответствии с  законом сохранения энергии невозможно.

3. Внутренняя энергия  полностью изолированной системы  есть величина постоянная.

Как показывает опыт, различные  тела, взаимодействуя между собой, передают друг другу некоторое количество энергии. Передача энергии может происходить разными способами. Для технической термодинамики важны два из этих способов: передача энергии в виде работы и теплоты. Допустим, что к телу подведено некоторое количество теплоты Q. Эта теплота будет затрачена на изменение внутренней энергии ΔU и на совершение работы L.

Q = ΔU + L

Для одного кг массы:

q = Δu + l

Для бесконечно малого процесса:

∂q = du + ∂l

Это  математическая запись уравнения первого закона термодинамики. Из этого уравнения следует, что теплота, подведенная к рабочему телу, затрачивается на изменение внутренней энергии и на совершение работы.

 

 

Внутренняя энергия, работа изменения объема, теплота

 

Внутренняя  энергия. Рабочее тело в любом состоянии обладает внутренней энергией, величина которой зависит от состояния рабочего тела. Внутренняя энергия тела складывается из следующих видов энергии:

1) кинетической энергии  поступательного и вращательного  движения молекул, 2) энергии колебательного  движения атомов, 3) энергии внутриатомного  движения, 4) потенциальной энергии  молекул, зависящей от сил межмолекулярного  взаимодействия, 5) потенциальной энергии  атомов.

Первые три вида составляют внутреннюю кинетическую энергию рабочего тела, зависящую от температуры, два  последних вида – внутреннюю потенциальную  энергию рабочего тела, которая зависит  от расстояния между молекулами, а, следовательно, от объема или давления газа.

Внутренняя кинетическая и внутренняя потенциальная энергии  составляют полную внутреннюю энергию  рабочего тела. Таким образом, полная внутренняя энергия будет являться функцией двух любых независимых параметров, определяющих состояние тела:

u = f₁ (p,v),         u = f₂ (p,Т),           u = f₃ (v,Т)

Являясь, функцией состояния  или функцией основных параметров состояния, внутренняя энергия газа сама является параметром состояния, величиной которого можно характеризовать состояние  рабочего тела.

Из этого основного  свойства внутренней энергии следует, что ее изменение не зависит от характера процесса, т.е. от промежуточных  состояний тела, а полностью определяется начальным и конечным его состоянием:

Δu = = f₂ (p₂ v₂) – f₁ (p₁ v₁) = u₂ – u₁

Математически это означает, что бесконечно малое изменение  внутренней энергии du есть полный дифференциал этой функции:

du = dT + dv

Внутренняя энергия идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, не зависит от объема газа или давления, а определяется только его температурой, поэтому производная от внутренней энергии идеального газа по температуре есть полная производная:

 

 

Работа изменения  объема. Пусть в цилиндре под поршнем находится в равновесном состоянии 1 кг рабочего тела, производящего на поршень площадью F давление р.

                     dh

   Р

   

F                         

При расширении газ совершает  работу против сил внешней среды, передавая ей при этом энергию; при  сжатии, наоборот, газ воспринимает работу, совершаемую внешней средой.

Работа, произведенная  рабочим телом против действия внешних сил (при расширении) или внешними силами над рабочим телом (при сжатии), называется работой изменения объема. Обозначим эту работу для 1 кг l (Дж/кг) и для произвольной массы L (Дж). При бесконечно малом перемещении поршня dh элементарная работа, производимая рабочим телом (считая, что       р = const)  ∂l = р · F dh,  т.к   F dh = dv  представляет элементарное изменение объема, то получим:

∂l = р · dv         

При конечном изменении объема работа против сил внешнего давления равна

 

Эти формулы справедливы  только для равновесных процессов, при которых давление рабочего тела равно давлению окружающей среды.

В термодинамике для исследования равновесных процессов используют  р,v – диаграмму, в которой осью абсцисс является удельный объем, а осью ординат –  давление.  Поскольку состояние термодинамической системы определяется двумя параметрами, то на  р,v – диаграмме оно изображается точкой.

р

   1          l

               1'         l

                     2'                

                                     2

                                                     v

     v₁              dv         v₂

 

Точка 1 соответствует начальному состоянию системы, точка 2 – конечному, а линия 1-2 процессу расширения рабочего тела от v₁ до v₂.

При бесконечно малом изменении  объема dv площадь под элементарным процессом 1'-2' будет равна p·dv, т.е. l. Следовательно, работа процесса 1-2 изображается площадью, ограниченной линией процесса, крайними ординатами линии процесса и осью абсцисс.

Таким образом, работа изменения объема эквивалентна площади под кривой процесса в р,v – диаграмме.

Каждому пути перехода системы  из состояния 1 в состояние 2 соответствует  своя работа расширения.

 

      р

         1          m

 

             n

                               2

           а                  в              v

Если взять 2 процесса 1 - m - 2 и 1 - n - 2 , протекающих между одинаковыми начальными и конечными состояниями, то работа в них будет различна, т.к. различны площади, изображающие эти работы.

Следовательно, между заданными  состояниями рабочего тела величина работы изменения объема зависит от характера процесса. Работа изменения объема является функцией не состояния, а процесса, и характер процесса всецело определяет численное значение работы. Поэтому работа не является параметром состояния и не имеет полного дифференциала.

Если работу совершает М килограммов газа, то формула для работы принимает вид:

L = = M·l

 

Теплота. Теплота является одним из наиболее важных понятий термодинамики. По своему существу понятие теплоты близко к понятию работы. Теплота и работа  являются формами передачи энергии. Различие их состоит в том, что теплота является формой передачи энергии между телами, представляющей собой совокупность микрофизических процессов, а работа – это форма передачи энергии за счет макропроцессов.

Теплота может передаваться либо при непосредственном контакте между телами (теплопроводностью, конвекцией), либо на расстоянии (излучением), причем во всех случаях этот процесс возможен только при наличии разности температур между телами.

Количество теплоты, получаемое телом, как и работа, зависит от характера процесса, и поэтому q не является параметром состояния и не имеет полного дифференциала. Количество теплоты в процессе подсчитывается через теплоемкость данного процесса. С учетом того, что теплоемкость веществ может быть выражена в различных единицах измерения, элементарное количество теплоты определяют одним из трех способов:

∂Q = M · c · dT = V · c' · dT  = v · c_µ · dT   

 

Аналитическое выражение  первого закона термодинамики

 

В общем случае, когда  в результате подвода теплоты  к рабочему телу его температура  повышается и вследствие увеличения объема совершается работа, подведенная  к телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела и на совершение работы.

Для 1 кг рабочего тела получим  уравнение:

q = Δu + l

Для элементарного процесса получим уравнение, записанное в  дифференциальной форме:

∂q = du + ∂l

Дифференциальная форма  записи уравнения первого закона при анализе термодинамических  процессов часто оказывается  более удобной.

Уравнение первого закона термодинамики можно представить  в другом виде. Если в уравнение ∂q = du + ∂l подставить значение работы ∂l = p·dv, получим:

∂q = du + p·dv

 К этому уравнению прибавим и вычтем слагаемое v·dp:

∂q = du + p·dv + v·dp – v·dp = du+ d(pv) – v·dp = d(u + pv) – v·dp

Последнее слагаемое представляет собой удельную техническую (или располагаемую) работу 1 кг рабочего тела:

∂l' = – v·dp

Функцию h = u + pv, измеряемую в Дж/кг, в термодинамике называют удельной энтальпией.

Входящие в уравнение величины u, p, υ являются параметрами состояния, поэтому и сама энтальпия также будет параметром состояния.

Уравнение первого закона термодинамики, записанное через изменение  энтальпии, будет:

∂q = dh - v·dp

Тогда аналитическое выражение для первого закона примет вид:

q = Δh + l'

Первый закон  термодинамики в изопроцессах

 

Применим первый закон  термодинамики к изопроцессам в  газах.

1. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, L = 0.

Следовательно, первый закон термодинамики для изохорного процесса выражается соотношением: