Основы термодинамики

Главное по теме

• Внутренняя энергия - сумма кинетической энергии теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. У идеального газа только кинетическая: U = (32) · ν · R · T = (32) · p · V (одноатомный газ).
• Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. Если T не меняется, ΔU = 0.
• Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: совершением работы и теплопередачей (теплопроводность, конвекция, излучение).
• Количество теплоты при нагревании или охлаждении: Q = c · m · (t₂ - t₁). Удельная теплоёмкость воды c = 4200 Дж/(кг·°C). При сгорании топлива Q = q · m.
• Уравнение теплового баланса: Q отданное = Q полученное. Пример: смешали горячую и холодную воду, конечная температура между начальными.
• Первый закон термодинамики: Q = ΔU + A, где A - работа, совершённая самим газом. Работа внешних сил над газом A' = -A, тогда ΔU = Q + A'.
• Работа газа при постоянном давлении A = p · ΔV. Расширение: A > 0, сжатие: A < 0, при постоянном объёме A = 0.
• Изопроцессы и закон: изохорный (A = 0, Q = ΔU); изотермический (ΔU = 0, Q = A); изобарный (Q = ΔU + p · ΔV); адиабатный (Q = 0, A = -ΔU).
• Тепловой двигатель: Q₁ - от нагревателя, Q₂ - отдано холодильнику, A = Q₁ - Q₂, КПД η = Q₁ - Q₂Q₁ = A / Q₁.
• Максимальный КПД даёт цикл Карно: η = T₁ - T₂T₁, температуры в кельвинах. Второй закон: тепло само переходит только от горячего к холодному, КПД двигателя всегда меньше 100%.

Задания с разбором

Где теряют баллы

• Термодинамика: первый закон, теплота, тепловые машины

  Ловушка: В изотермическом процессе ищут изменение внутренней энергии: его нет, вся теплота идёт в работу; КПД считают по Цельсию.

  Как решать: Q = ΔU + A. Изотерма: ΔU = 0, значит A = Q. Изохора: A = 0. КПД Карно = T₁ − T₂T₁ только в кельвинах.

Объяснение простыми словами

Потри ладони друг о друга, и они согреются. Положи ложку в горячий чай, и ручка скоро станет тёплой. В обоих случаях меняется внутренняя энергия тела, но разными способами: в первом совершена работа, во втором передано тепло. Термодинамика изучает превращения энергии при тепловых процессах, не вникая в то, что делает каждая молекула. Её основа - два закона, и на ЕНТ почти всегда нужен первый.

Внутренняя энергия тела - это сумма кинетической энергии хаотичного движения его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. У идеального газа взаимодействия нет, и внутренняя энергия сводится к кинетической. Для одноатомного идеального газа U = (32) · ν · R · T = (32) · p · V. Отсюда два вывода. Во-первых, внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры: выросла температура, выросла и энергия, температура не изменилась, и энергия та же. Во-вторых, пример: 2 моль одноатомного газа при 300 К имеют U = 1,5 · 2 · 8,31 · 300 = 7479 Дж, около 7,5 кДж. Ловушка: формула с коэффициентом три вторых только для одноатомного газа (гелий, неон), и в задачах ЕНТ обычно имеется в виду она.

Дальше в Biik: продолжение объяснения, видеоразбор и проверка из 8 заданий по этой теме.

Термины

Внутренняя энергия

Сумма кинетической энергии хаотичного движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Теплопередача

Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Теплопроводность

Перенос энергии при непосредственном контакте от частицы к частице, без переноса самого вещества.

Конвекция

Перенос энергии потоками жидкости или газа.

Излучение

Передача энергии электромагнитными волнами, возможна и в вакууме, как от Солнца.

Количество теплоты

Энергия, переданная телу при теплопередаче; измеряется в джоулях.

Удельная теплоёмкость

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 °C; единица Дж/(кг·°C).

Удельная теплота сгорания топлива

Теплота, выделяющаяся при полном сгорании 1 кг топлива, q, единица Дж/кг.

Уравнение теплового баланса

В теплоизолированной системе количество теплоты, отданное одними телами, равно количеству теплоты, полученному другими.

Работа газа

Энергия, которую газ передаёт внешним телам при расширении: A = p · ΔV при постоянном давлении.

Первый закон термодинамики

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение внутренней энергии и совершение системой работы: Q = ΔU + A.

Адиабатный процесс

Процесс без теплообмена с окружающей средой, Q = 0.

Изохорный процесс

Процесс при постоянном объёме, в котором газ не совершает работу.

Изобарный процесс

Процесс при постоянном давлении, в котором работа газа A = p · ΔV.

Изотермический процесс

Процесс при постоянной температуре, в котором внутренняя энергия идеального газа не меняется.

Второй закон термодинамики

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от холодного тела к горячему; невозможен вечный двигатель второго рода.

Тепловой двигатель

Устройство, преобразующее часть внутренней энергии топлива в механическую работу.

Нагреватель, рабочее тело, холодильник

Три части теплового двигателя: источник тепла, газ, совершающий работу, и тело, которому отдаётся неиспользованное тепло.

КПД теплового двигателя

Отношение совершённой полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η = A / Q₁.

Цикл Карно

Идеальный круговой процесс с максимально возможным КПД, η = T₁ - T₂T₁.