Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к различным процессам
Материалы к уроку
Конспект урока
Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к различным процессам
Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он устанавливает причины, от которых зависит изменение внутренней энергии макроскопического тела.
Если в замкнутой системе действует сила трения, то механическая энергия системы будет уменьшаться. Так, например, уменьшается механическая энергия автомобиля, движущегося по горизонтальной дороге с выключенным двигателем, о чем свидетельствует уменьшение его скорости. При этом наблюдается нагревание трущихся поверхностей, то есть увеличение внутренней энергии. В этом примере механическая энергия системы не сохраняется, часть ее превращается во внутреннюю энергию.
На основании подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии.
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
Закон сохранения энергии является фундаментальным законом природы. Он выполняется всегда и везде, применительно к любым явлениям природы, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не соблюдался.
Рассматривая тела в термодинамике, мы считаем, что их механическая энергия постоянна, а изменяется только внутренняя энергия каждого тела. До сих пор мы рассматривали случаи, в которых внутренняя энергия системы изменялась или за счет теплопередачи, или при совершении работы. В реальной жизни внутренняя энергия системы может изменяться одновременно и за счет совершения работы, и за счет теплообмена с окружающими телами.
Первый закон термодинамики
формулируется именно для таких общих случаев. Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и переданного ей количества теплоты.
Первый закон термодинамики можно записать иначе, вместо работы внешних сил над системой рассматривают работу системы над внешними силами. Учитывая, что работа внешних сил над системой равна работе системы с противоположным знаком. Получим: количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы против внешних сил и на увеличение ее внутренней энергии.
Если система является изолированной, то внешние тела не взаимодействуют с системой, а, значит, работа внешних сил равна нулю, и система не обменивается теплотой с окружающими телами. В этом случае согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии системы равно нулю. Поэтому внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.
Долгое время ученые предпринимали попытки создания вечного двигателя, то есть такого устройства, которое совершало бы механическую работу только за счет внутренней энергии, не получая энергии извне. Трудно назвать первого автора подобного замысла. Самое раннее описание вечного двигателя найдено у индийского поэта, математика и астронома Ачарья Бхаскары, жившего в 12 веке, в стихотворении, датируемом примерно 1150 годом.
Из первого закона термодинамики следует, что невозможно создание вечного двигателя. Если к системе не поступает энергия, то работа над внешними телами может быть совершена только за счет уменьшения внутренней энергии. После того как внутренняя энергия системы окажется равна нулю, двигатель перестанет работать.
Внутренняя энергия системы тел изменяется при совершении работы против внешних сил и при передаче теплоты другим телам. В каждом состоянии система обладает определенным количеством внутренней энергии. Работа и количество теплоты не содержатся в теле, а характеризуют процесс изменения его внутренней энергии.
Первый закон термодинамики позволяет делать важные выводы о характере протекающих процессов. Рассмотрим этот закон в применении к различным процессам, при которых одна из физических величин остается неизменной. Для простоты возьмем случай, когда система представляет собой идеальный газ. При изохорном процессе объем газа не меняется, и поэтому работа газа равна нулю.
Изменение внутренней энергии газа согласно первому закону термодинамики равно количеству переданной ему теплоты.
Если системе передается какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия увеличивается, и газ нагревается. Если же система отдает теплоту, то газ охлаждается, и его внутренняя энергия уменьшается.
Если системе передается какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия увеличивается, и газ нагревается. Если же система отдает теплоту, то газ охлаждается, и его внутренняя энергия уменьшается.
При изотермическом процессе температура газа не изменяется, значит, не меняется внутренняя энергия идеального газа.
Согласно первому закону термодинамики, все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы газа против внешних сил. Если газ получает тепло, то он совершает положительную работу и при этом расширяется. Если, наоборот, газ отдает тепло окружающим телам, то он совершает отрицательную работу и при этом сжимается, а работа внешних сил над газом положительна.
При изобарном процессе согласно первому закону термодинамики, передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении. Количество теплоты, переданное системе, равно сумме изменения внутренней энергии и произведению давления газа на изменение объема.
Рассмотрим теперь процесс, протекающий в теплоизолированной системе, которая не получает и не отдает тепла окружающим телам. Такой процесс называют адиабатным.
При адиабатном процессе по первому закону термодинамики изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы.
Если внешние тела совершают над газом положительную работу, например, при сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается, соответственно температура газа повышается. И наоборот, если сам газ совершает положительную работу над внешними телами, то его внутренняя энергия уменьшается и газ охлаждается.
Нагревание воздуха при быстром сжатии используется в дизельных двигателях. Они имеют следующий принцип действия. В цилиндр засасывается атмосферный воздух, который с большой скоростью сжимается. При сжатии температура воздуха в цилиндре сильно повышается. В конце такта сжатия в цилиндр через специальную форсунку впрыскивается жидкое топливо. К этому моменту температура воздуха так велика, что горючее вспыхивает. Двигатели Дизеля имеют больший коэффициент полезного действия, чем обычные, но более массивны и сложны в изготовлении и эксплуатации.
С помощью первого закона термодинамики можно объяснить образование облаков в атмосфере Земли. Нагретый около поверхности Земли воздух поднимается вверх. В верхних слоях атмосферы давление значительно ниже, чем в нижних, поэтому поднявшийся воздух расширяется. Это расширение происходит в условиях, близких к адиабатным и, поэтому, сопровождается сильным охлаждением. В результате водяные пары конденсируются и образуют облака.
Рассмотрим теплообмен внутри системы, состоящей из нескольких тел, имеющих первоначально различные температуры, например, теплообмен между горячей водой в стакане и опущенной в воду холодной ложкой. Будем считать, что система достаточно изолирована от окружающих тел, и ее внутренняя энергия не изменяется. Никакой работы внутри этой системы не совершается. После наступления теплового равновесия, по первому закону термодинамики, увеличение внутренней энергии ложки в стакане будет равно количеству теплоты, отданному водой. Тогда сумма изменений внутренней энергии ложки и воды равна нулю. И сумма количества теплоты, полученного ложкой, и количества теплоты, полученного водой, равна нулю.
Если распространить наши рассуждения на систему, имеющую произвольное число тел, мы получим, что в изолированной системе суммарная внутренняя энергия не меняется. А, значит, и сумма количеств теплоты, полученных и отданных телами изолированной системы, равна нулю. Мы получили уравнение теплового баланса.
Внутренняя энергия идеального газа не изменяется только при изотермическом процессе. При изохорном она изменяется за счет теплообмена, 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.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ