Первый закон термодинамики. (закон сохранения энергии для
(закон сохранения энергии для
тепловых процессов) определяет
количественное соотношение между
изменением внутренней энергии
системы дельта U, количеством теплоты
Q, подведенным к ней, и суммарной
работой внешних сил A, действующих
на систему.
Первый закон термодинамики -
Изменение внутренней энергии
системы при ее переходе из одного
состояния в другое равно сумме
количества теплоты, подведенного
к системе извне, и работы
внешних сил, действующих на нее:
Первый закон термодинамики -
количество теплоты, подведенное
к системе, идет на изменение ее
\внутренней энергии и на
совершение системой работы
над внешними телами:
С помощью первого закона
термодинамики можно делать
важные заключения о характере
протекающих процессов.
Рассмотрим различные процессы,
при которых одна из физических
величин остается неизменной
(изопроцессы), например случай,
когда система представляет собой
идеальный газ.
Изохорный процесс. При
изохорном процессе объем газа
не меняется, и поэтому работа
газа равна нулю. Изменение
внутренней энергии газа согласно
уравнению (13.11) равно
количеству переданной ему теплоты:
Если газ нагревается, то , его
внутренняя энергия увеличивается.
При охлаждении газа и , изменение
внутренней энергии отрицательно
и внутренняя энергия газа
уменьшается.Изотермический процесс.
При изотермическом процессе
(T=const) внутренняя энергия
идеального газа не меняется.
Согласно формуле (13.11) все п
ереданное газу количество
теплоты идет на совершение работы:
Если газ получает тепло ,
то он совершает положительную
работу . Если, напротив, газ
отдает тепло окружающей среде
(термостату), то . Работа же
внешних сил над газом в
последнем случае положительна.
Изобарный процесс. При изобарном
процессе согласно формуле (13.11)
передаваемое газу количество
теплоты идет на изменение его
внутренней энергии и на
совершение им работы при
постоянном давлении:
Адиабатный процесс.
Рассмотрим теперь процесс,
протекающий в системе,
которая не обменивается
теплом с окружающими телами.
Процесс в теплоизолированной
системе называют адиабатным.
При адиабатном процессе
Q=0 и согласно уравнению (13.10)
изменение внутренней энергии
происходит только за счет
совершения работы:
Конечно, нельзя окружить систему
оболочкой, абсолютно не
допускающей теплопередачу.
Но в ряде случаев можно считать
реальные процессы очень близкими
к адиабатным. Для этого они должны
протекать достаточно быстро,
так, чтобы за время процесса не
произошло заметного теплообмена
между системой и окружающими телами.
Согласно уравнению (13.14)
при совершении над системой
положительной работы, например
при сжатии газа, его внутренняя
энергия увеличивается, что
означает повышение температуры
газа. И наоборот, при расширении
газа сам газ совершает
положительную работу и его
внутренняя энергия уменьшается
- газ охлаждается.
Нагревание воздуха при
быстром сжатии нашло применение
в двигателях Дизеля. В этих
двигателях отсутствует система
зажигания горючей смеси, необходимая
для обычных карбюраторных
двигателей внутреннего сгорания.
В цилиндр засасывается не горючая
смесь, а атмосферный воздух. К концу
такта сжатия в цилиндр с помощью
специальной форсунки впрыскивается
жидкое топливо (рис.13.8). К этому
моменту температура воздуха так
велика, что горючее воспламеняется.
Двигатели Дизеля имеют больший
коэффициент полезного действия, чем
обычные, но более массивны и сложны
в изготовлении и эксплуатации. Все
большее количество автомобилей
снабжается двигателями Дизеля,
благодаря дешевизне дизельного
топлива.При работе мощных
компрессоров, сжимающих воздух,
температура воздуха настолько
увеличивается, что приходится
прибегать к специальной системе
охлаждения цилиндров. Адиабатное
охлаждение газов при их расширении
используется в машинах для сжижения
газов.Охлаждение газа при
адиабатном расширении происходит
в грандиозных масштабах в атмосфере
Земли. Нагретый воздух поднимается
вверх и расширяется, так как
атмосферное давление падает с
увеличением высоты. Это расширение
сопровождается значительным охлаждением.
В результате водяные пары конденсируются
и образуют облака.Теплообмен в
изолированной системе. Рассмотрим
теплообмен внутри системы,
состоящей из нескольких тел, имеющих
первоначально различные температуры,
например теплообмен между водой в
сосуде и опущенным в воду горячим железным
шариком. Будем считать, что система
достаточно изолирована от окружающих
тел и ее внутренняя энергия не изменяется
(изолированная система). Никакой
работы внутри этой системы не
совершается. Тогда согласно первому
закону термодинамики (см. уравнение
(13.10)) изменение энергии любого тела
системы равно количеству теплоты, отданной
или полученной этим телом до наступления
теплового равновесия внутри системы.
Складывая подобные выражения для всех
тел системы и учитывая, что суммарная
внутренняя энергия не меняется ,
получим следующее уравнение:
Это уравнение носит название
уравнения теплового баланса.
Здесь - количества теплоты,
полученные или отданные телами.
Эти количества теплоты выражаются
формулой (13.5) или формулами (13.6)-(13.9)
, если в процессе теплообмена происходят
превращения вещества из жидкого состояния
в газообразное или твердое
(или же, напротив, образуется
жидкость).Внутренняя энергия
идеального газа не изменяется
только при изотермическом процессе.
При изохорном она изменяется за счет
теплопередачи, а при изобарном процессе
внутренняя энергия газа изменяется как за
счет теплопередачи, так и за счет
совершения работы. В теплоизолированной
системе происходит адиабатный процесс.
Изменение энергии системы в этом процессе
равно работе внешних сил.