Презентация "Термодинамика"
презентация к уроку по физике (10 класс) на тему
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Термодинамика – теория тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Выводы термодинамики опираются на совокупность опытных фактов и не зависят от наших знаний о внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде случаев термодинамика использует молекулярно-кинетические модели для иллюстрации своих выводов. В противоположность молекулярно-кинетической теории , которая делает выводы на основе представлений о молекулярном строении вещества
Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге она перейдет в другое равновесное состояние. Такой переход называется термодинамическим процессом .
Если процесс протекает достаточно медленно (в пределе бесконечно медленно), то система в каждый момент времени оказывается близкой к равновесному состоянию. Процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний, называются квазистатическими .
С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества = кинетическая энергия всех атомов и молекул + потенциальная энергия их взаимодействия Внутренняя энергия Внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий ( только ) всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении.
См. диск «Внутренняя Энергия» ВЫВОД: внутренняя энергия U тела определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела .
Способы изменения ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ СОВЕРШЕНИЕ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕН – КОНВЕКЦИЯ – ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ – ИЗЛУЧЕНИЕ Количество теплоты – энергия передаваемая или получаемая путем теплообмена А > 0 при работе внешних сил над системой А < 0 при работе системы над внешними телами Q > 0 если система получает теплоту Q< 0 если система отдает теплоту
(1843 г.) Опыт Джоуля по определению механического эквивалента теплоты При вращении вертушки, погруженной в жидкость, внешние силы совершают положительную работу ( A' > 0); при этом жидкость из-за наличия сил внутреннего трения нагревается, т. е. увеличивается ее внутренняя энергия. Механический эквивалент теплоты А/ Q Если система получает от внешних тел энергию в виде работы А, а отдает энергию в виде количества теплоты Q , то отношение А/ Q равно 4,2 Дж/кал
Расчет работы в термодинамике
В общем случае надо процесс разбить на малые части и сосчитать элементарные работы, а затем их сложить (процесс интегрирования): Расчет работы в термодинамике
Работа при изменении объема При расширении работа газа положительна. A = p V - работа газа При сжатии - отрицательна. A ' = ‒ p V - работа внешних сил.
Используя уравнение Менделеева-Клапейрона , получим :
в изотермическом процессе .
В изохорном процессе объем не меняется, следовательно, в изохорном процессе работа не совершается!
Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса. Процессы, изображенные на рисунке, можно провести и в обратном направлении; тогда работа A просто изменит знак на противоположный. Процессы такого рода, которые можно проводить в обоих направлениях, называются обратимыми Работа газа
р V V 1 V 2 0 А > 0 р V V 1 V 2 0 А < 0 При расширении газа работа положительна Сила давления газа и перемещение направлены одинаково. При сжатии газа работа отрицательна Δ V > 0 Δ V < 0
Работа при циклических процессах Полная работа за цикл А = А 1 + А 2 р V V 1 V 2 В D Е 0 С • • А 1 > 0 р V V 1 V 2 В D Е 0 С • • А 2 < 0
р V V 1 V 2 В D Е 0 С • • При осуществлении кругового процесса в направлении ВС D ЕВ работа газа за цикл - положительна А При осуществлении кругового процесса в направлении В Е D С В работа газа за цикл - отрицательна Работа совершается за счет количества теплоты, получаемого газом от нагревателя Работа газа совершается за счет уменьшения его внутренней энергии
См. Теас hPr о 1 закон термодинамики
Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы . Изменение Δ U внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q , переданной системе, и работой A , совершенной системой над внешними телами. Первый закон термодинамики Δ U = Q – A
Другая форма записи соотношение, выражающего первый закон термодинамики: Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами. Q = Δ U + A .
Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. 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 (perpetuum mobile) первого рода . Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения Δ U своей внутренней энергии.
АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС
Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами . Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками. Процессы расширения или сжатия газа, протекающие в отсутствие теплообмена ( Q = 0) называются адиабатными или адиабатическими.
На плоскости ( p , V ) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой . При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу ( A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (Δ U < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении ИЗОТЕРМА р V АДИАБАТА 0
Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа.
Опыт "воздушное огниво" . Возьмем толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыплем измельченной "серы" от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы сильно сожмем воздух. В результате он нагревается настолько сильно, что серный порошок воспламеняется.
Опыт "туман в бутыли" . Для него нам потребуются бутыль и насос, изображенные на рисунке. Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным. Придерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда пробка готова выскочить, накачивание прекращают и ожидают 5-10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся). При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!
См. физикон Физика 7-11 Лаборатории Адиабатный процесс
ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К РАЗЛИЧНЫМ ПРОЦЕССАМ
Процесс Посто янные Измене ние внутренней энергии Запись 1-го закона термо динамики Физический смысл
ı закон термодинамики Q = Δ U + A Изобарный процесс A = p V Изотермический процесс Изменение внутренней энергии
Процесс Постоянные Изменение внутренней энергии Запись 1-го закона термодинамики Физический смысл Изотермическое расширение m=const M=const T=const pV=const ΔΤ = 0 U=0 U=const Q = A ' Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на совершение этой системой механической работы. Изотермическое сжатие m=const M=const T=const pV=const ΔΤ = 0 U=0 U=const Q = – A Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Вся работа внешних сил выделяется в виде тепла. Изотермический процесс
Первое начало термодинамики для изотермического процесса .
m=const M=const V=const m=const M=const V=const Процесс Постоянные Изменение внутренней энергии Запись 1-го закона термодинамики Физический смысл Изохорное нагревание m=const M=const V=const p T U U>0 A = 0 Q = U Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии. Изохорное охлаждение m=const M=const V=const p T U U<0 A = 0 Q = U<0 Система уменьшает свою внутреннюю энергию, отдавая тепло окружающим телам. Изохорный процесс
Первое начало термодинамики для изохорного процесса .
m=const M=const p=const Процесс Постоянные Изменение внутренней энергии Запись 1-го закона термодинамики Физический смысл Изобарное расшире ние (нагрева ние) m=const M=const p=const V T U U>0 Q = U+A' U = Q-А'>0 Количество теплоты, переданное системе, превышает совершенную ею механическую работу. Часть тепла расходуется на совершение работы, а часть – на увеличение внутр. энергии. Изобарное сжатие (охлаждение) m=const M=const p=const V T U U<0 U = Q+A<0 Q <0 Количество теплоты, отдаваемое системой, превышает работу внешних сил. Часть тепла система отдает за счет уменьшения внутр. энергии. Изобарный процесс
Первое начало термодинамики для изобарного процесса .
Адиабатный процесс Процесс Постоянные Изменение внутренней энергии Запись 1-го закона термодинамики Физический смысл Адиабатное расши рение m = const M = const U<0 U T Q = 0 A' > 0 U= ‒ A' < 0 A '= ‒ U Система совершает механическую работу только за счет уменьшения своей внутренней энергии. Адиабатное сжатие m = const M = const U>0 U T Q=0 A>0 U = A Внутренняя энергия системы увеличивается за счет работы внешних сил.
Первое начало термодинамики для адиабатного процесса .
Название процесса Изменение внутренней энергии Запись ı закона термодинамики Следствия из I закона термодинам. Изотермич. Т = const Изохорный V = const Изобарный Р = const Адиабат- ный