Гази у зовнішньому силовому полі та основи термодинаміки (стр. 3 из 4)
Кількість енергії, що передають системі зовнішні тіла при взаємодії, називається роботою. Якщо система нерухома, то виконання роботи відбувається при зміні об’єму системи зовнішніми силами:
По закону збереження енергії робота
, що виконують зовнішні сили над системою, чисельно дорівнює роботі DA, що виконує система проти зовнішніх сил: 
Кількість енергії, що передають системі зовнішні тіла шляхом теплообміну, називають кількістю теплоти, наданої системі
де с – питома теплоємність, це – фізична величина, яка дорівнює кількості теплоти, що необхідно надати одиниці маси речовини, щоб змінити її температуру на I K.
Крім цього, використовують молярну теплоємність
, яка зв’язана з питомою співвідношенням: 
,де m– молярна маса речовини.
Тоді:
В механіці виконується закон збереження механічної енергії. А оскільки тепловий рух – це також механічний рух окремих молекул, то при всіх змінах енергії повинен виконуватись закон збереження енергії з урахуванням не тільки зовнішнього, а й внутрішнього рухів. Тому. Зміна внутрішньої енергії повинна дорівнювати сумі роботи
, що виконують зовнішні сили над системою та кількості теплоти, що надасться системі. 
.Частіше розглядають не роботу зовнішніх сил над системою, а роботу системи проти зовнішніх сил /
/, а оскільки 
, то
, або 
/1/ _це – математичний запис закону збереження енергії в теплових процесах, або перший закон термодинаміки: теплота, що надасться системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії системи та на виконання системою роботи проти зовнішніх сил.
З першого закону термодинаміки виходить, що якщо DQ = 0, то DA = -DU. Таким чином, якщо система не одержує енергії, то вона виконує роботу тільки за рахунок зменшення внутрішньої енергії, яка кінцева. Кінцевою буде і робота. Отже: вічний двигун першого роду неможливий – це також формуліровка першого закону термодинаміки.
Розглянемо використання 1-го закону термодинаміки до ізопроцесів в ідеальному газі. Оскільки
, а 
V,то
.1. Ізохоричний процес /V=const/ здійснюється при нагріванні газу в замкненому об’ємі. Оскільки DV = 0, то А=0, і тоді I закон термодинаміки запишеться так:
DQ =DU– вся теплота, що надасться системі, використовується на зміну внутрішньої енергії:
, /2/де
– молярна теплоємність при сталому об’ємі /V=const/.
. 
2. Ізобаричний процес /р =const/.
В цьому випадку
/площа прямокутника/ і тоді I закон термодинаміки: .Теплота, що надасться системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії і на виконання роботи проти зовнішніх сил.
Молярна теплоємність в ізобаричному процесі
дорівнює 
,але
і тоді 
. Для одного моля pV = RT 
.Таким чином,
- рівняння Майєра:Молярна теплоємність при сталому тиску більша молярної теплоємності при сталому об’ємі на величину універсальної газової сталої.
3. Ізотермічний процес / Т = const /. Оскільки DE = 0, то DU = 0 – внутрішня енергія газу не змінюється, і тоді
- теплота, що надасться системі в ізотермічному процесі витрачається на роботу розширення газу. Розрахунки показують, що 
. 
4. Адіабатичний процес – це процес без теплообміну системи з зовнішнім середовищем: DQ = 0. Тоді з I закону термодинаміки слідує:
DA = -DU, тобто в адіабатичному процесі робота виконується за рахунок внутрішньої енергії газу. Для ідеального газу:
.В адіабатичному процесі розширення газу (DA = PDn>0) супроводжується його охолодженням (DT< 0), а при стисканні DA< 0, а DT> 0 – газ нагрівається.
Процес можна вважати адіабатичним, якщо він протікає так швидко, що за час його здійснення не відбувається теплообмін з навколишнім середовищем / в двигунах внутрішнього згорання при стисканні температура зростає до 500–600о С, а рідке паливо запалюється та інше /.
В адіабатичному процесі стан ідеального газу описується рівнянням Пуассона:
,де
.Другий закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки, який є законом збереження енергії в теплових процесах, може описати будь-який тепловий процес, але він не показує напрямку його протікання. З точки зору першого закону кожний процес, що не суперечить закону збереження енергії, можливий. Наприклад, він не суперечить можливості передачі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого, тобто не заперечує протіканню процесу передачі теплоти в будь-якому напрямку.
Перший закон термодинаміки забезпечує можливість побудови вічного двигуна 1 роду, тобто такої машини, яка виконувала б роботу без затрати будь-якої енергії, але не заперечує можливості побудови такої машини, яка всю енергію перетворювала б у роботу. Наприклад, згідно з першого закону можна побудувати машину, джерелом енергії для якої було б охолодження води в океані. Обчислення показують, що коли охолодити воду в світовому океані на 0,1о, то можна одержати енергію, яка рухала б усі машини, що є на Землі, біля двох тисяч років. Така машина була б рівнозначною вічному двигуну, який називають вічним двигуном другого роду. Напрям протікання процесів, які відбуваються в природі і пов’язані з перетворенням енергії, визначає 2 закон термодинаміки. Його формулювання:
– У природі неможливий процес, єдиним результатом якого був би перехід теплоти повністю в роботу /М. Планк/.
– Теплота не може сама собою переходити від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою /К. Клаузіус/.
– Неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто двигун, який працював за рахунок охолодження якого-небудь одного тіла.
Наведені формулювання другого закону термодинаміки – це одержані в результаті дослідів аксіоми. Строге математичне формулювання цього закону можна подати за допомогою нової функції стану-ентропії:
З другого закону термодинаміки слідує, що дві форми передачі енергії і робота і теплота нерівноцінні.
Максимальний ККД теплової машини
Всі теплові двигуни незалежно від їх конструкції рішають одну і ту ж задачу – перетворення внутрішню енергію палива в механічну. Енергія, яка виділяється під час згорання палива через теплообмін передається газу. Газ, розширяючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і приводить в рух будь-який механізм. Принципова схема теплового двигуна наведена на рис. 1а Тепловий двигун складається з 3 основних часин: робочого тіла, Р нагрівника, холодильника.
