На головну

Теплота і робота.

Зміна стану термодинамічної системи при її взаємодії із зовнішнім середовищем можна здійснити шляхом теплообміну або вчиненням роботи.

Процес передачі енергії системі від зовнішніх тіл, називають роботою.

Процес обміну внутрішніми енергіями дотичних тіл, без здійснення роботи, називаюттеплообменом.

Кількість переданої енергії системі зовнішніми тілами шляхом теплообміну, називають теплотою (кількістю теплоти).

Наприклад, роботу над газом, що знаходиться в циліндрі під поршнем, виробляють сили тиску з боку зовнішніх сил.

Робота А * , Що здійснюються зовнішніми тілами над системою, чисельно дорівнює і протилежна за знаком роботі А, яку здійснюють системою над зовнішніми тілами, тобто А = - А * .

За визначенням, тиск

Р = Fд / S.

З механіки відомо, що робота А *  = Fд Dh. тоді

 

А *  = Р (Dh S) = P DV.

У процесі здійснення роботи над системою відбувається зміна параметрів, що характеризують її стан, наприклад, тиску, обсягу, температури.

Змінити параметри стану системи можна при теплообміні за рахунок передачі тепла від одного нагрітого тіла іншому.

теплота - Це не укладена в тілі енергія, а то кількість енергії, що передається від гарячого тіла холодного.

Таким чином, теплота і робота є різними формами передачі енергії від одного тіла іншому. Процеси роботи і теплоти якісно різні. Вчинення роботи над системою може призвести до зміни будь-якого виду енергії: кінетичної, потенційної і т.д. Якщо енергія повідомляється системі в формі теплоти, то вона йде на збільшення енергії теплового руху частинок системи, яку називають внутрішньою енергією U системи.

Часто обидва способи передачі енергії системі можуть здійснюватися одночасно. Наприклад, при нагріванні газу в посудині з рухомим поршнем. Для переведення системи з одного стану в інший, з допомогою різних термодинамічних процесів, їй потрібно повідомити різні кількості теплоти. Отже, теплота і робота, є функціями процесу зміни стану системи. Тому елементарна кількість теплоти, повідомлене системі в процесі нескінченно малого зміни її стану, подібно елементарної роботі і не є повним диференціалом.

Повна енергія термодинамічної системи включає в себе суму всіх видів енергії частинок, що входять в систему:

1) Кінетичну енергію хаотичного руху атомів і молекул (поступальну, обертальну і коливальну енергії).

2) Потенційну енергію взаємодії атомів і молекул.

3) Енергію електронних оболонок атомів і іонів.

4) Енергію взаємодії протонів і нейтронів в ядрах атомів і інші види енергій.

У всіх процесах, які пов'язані з хімічними реакціями та іншими змінами конфігурації електронних оболонок атомів і іонів, а також з ядерними реакціями в речовинах, їх енергії не змінюються і не впливають на зміну внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія ідеального газу визначається тільки середньої кінетичної енергією теплового хаотичного руху всіх молекул. Зміна внутрішньої енергії при переході системи зі стану 1 в стан 2 не залежить від виду процесу переходу, а визначається тільки параметрами початкового і кінцевого станів, тобто

   DU = U2-U1.

Отже, внутрішня енергія є функцією стану системи.

Робота і теплота залежать від виду процесу переходу системи зі стану 1 в стан 2. Тому робота в теплових процесах на замкнутому шляху не дорівнює нулю. Дійсно, нехай система (ідеальний газ) переходить зі стану 1 в стан 2 і назад в результаті двох різних рівноважних процесів.

Графічно можна зобразити тільки рівноважні процеси.

На P - V діаграмі (рис. 3.2) одному з них відповідає крива А-Б-С. Робота на цій ділянці

де тиск Р змінюється уздовж кривої А-Б-С.

Роботу дорівнює площі криволінійної трапеції, обмеженої зверху кривою А-Б-С.

Іншому процесу відповідає крива А-Д-С, тобто робота

де тиск Р змінюється уздовж кривої А-Д-С.

Ця робота дорівнює площі криволінійної трапеції, обмеженої зверху кривою А-Д-С.

Повна робота не дорівнює нулю, тобто

D А = D А1 - D А2 ? 0.

Отже, вона чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої кривими А-Б-С-Д-А.

У чому відмінність між температурою, теплотою і внутрішньою енергією?

1. температура - Міра середньої кінетичної енергії окремих молекул або міра відхилення системи від термодинамічної рівноваги.

2. теплота - Кількість енергії, переданої від одного тіла іншому.

Існують три види теплообміну: конвекція, випромінювання, Теплопровідність.

а) випромінювання - Процес передачі енергії шляхом теплообміну без здійснення механічної роботи називають випромінюванням.

Для передачі теплоти шляхом випромінювання не потрібно речовина, як засіб передачі теплоти від одного тіла іншому.

Саме існування життя на Землі можливо тільки за рахунок отримання енергії від Сонця.

Кванти сонячного світла безперервним потоком спрямовуються до Землі несучи життєдайну енергію.

На частку Землі припадає близько 0,2% всієї енергії випромінювання Сонця (щомиті Земля отримує приблизно 2 кг фотонів). Решта 99,8% енергії випромінювання Сонця включені в загальну галактичну енергію та енергію всієї Метагалактики.

Ступінь поглинання випромінювання залежить від стану поверхні і матеріалу тіла.

б) Конвекція.

Процес передачі теплоти за рахунок переміщення молекул з однієї частини обсягу в іншу називають конвекцією.

Хоча гази і рідини є поганими провідниками тепла, тим не менше вони можуть забезпечити досить швидку передачу її на значні відстані завдяки існуванню конвекції. Розрізняють конвекцию природну і вимушену.

Наприклад, нагріте атмосферне повітря піднімається вгору, а холодний опускається вниз.

Поблизу батарей радіаторів опалення або інших нагрівачів нагріте повітря розширюється, його щільність зменшується, що і призводить до його підйому вгору приміщення.

Великомасштабні прояви природної конвекції спостерігаються на прикладі океанських або морських течій (наприклад, Куросиво, Гольфстрім і ін.). Вітер - один із прикладів явища конвекції, що викликає зміна погодних умов.

Виникнення конвективних потоків в посудині з водою при її нагріванні наведені на рис. 3.3.

3. Внутрішня енергія - Повна енергія всіх молекул газу.

Наприклад, у двох нагрітих мідних циліндрів рівної маси, що мають однакові температури внутрішня енергія двох разом узятих циліндрів буде більше кожного з них окремо.

Кількість же теплоти передаватися не буде, тому що температури однакові.

Або, якщо змішати 100 г води при температурі 50 0З з 200 г води при температурі 20 0С, то кількість теплоти буде переходити від води з температурою 50 0З до води з температурою 20 0С, хоча внутрішня енергія води при 20 0З більше через більшої маси.



 Рівняння стану ідеального газу. |  Внутрішня енергія ідеального газу.

 Механічний рух. Системи відліку. |  Матеріальна точка |  Основні кінематичні характеристики. |  Рівномірний прямолінійний рух. |  Равнопеременное рух. |  Кутові швидкість і прискорення і їх зв'язок з параметрами поступального руху. |  Рівновага твердого тіла. |  Робота і кінетична енергія. |  ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ В МЕХАНІЦІ |  Пружні сили. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати