Формулы термодинамики: Ошибка: 404 Материал не найден

Первый закон термодинамики – формулы и определение с примерами

Содержание:

Первый закон термодинамики:

При изучении физики в 9 классе вы узнали, что полная механическая энергия замкнутой системы тел сохраняется только при отсутствии трения, а при наличии трения она уменьшается. Куда девается механическая энергия? Если бутылку, заполненную до половины водой при комнатной температуре, встряхивать в течение нескольких минут, то окажется, что вода нагрелась на 1—2 °С. Каким образом нагрелась вода?

В середине XIX века известный английский физик Дж. Джоуль (1818— 1889), проведя многочисленные опыты, показал, что совершённая при перемешивании воды механическая работа практически равна увеличению её внутренней энергии. Опыты Джоуля, а также исследования немецкого врача и естествоиспытателя Р. Майера (1814—1878), немецкого профессора физиологии и одного из самых знаменитых физиков второй половины XIX века Г. Гельмгольца (1821 —1894) позволили сформулировать закон сохранения и превращения энергии, распространив его на все явления природы.

Согласно этому закону при любых взаимодействиях материальных объектов энергия не исчезает и не возникает из ничего, она только передаётся от одних объектов к другим или превращается из одной формы в другую.

Для термодинамических систем (в термодинамике обычно рассматривают макроскопически неподвижные системы) закон сохранения и превращения энергии называют первым законом термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, приращение внутренней энергии термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое равно алгебраической сумме работы, совершённой внешними силами, и количества теплоты, полученного или отданного системой при взаимодействии с внешними телами:

Поскольку работа внешних сил равна работе, совершаемой термодинамической системой, взятой с противоположным знаком (

Если система представляет собой действующее устройство, периодически возвращающееся в исходное состояние, то при этом AU-0 и A-Q. Механизм, который мог бы совершать работу без изменения состояния составляющих его тел и без теплопередачи от внешних тел, называют «вечным двигателем первого рода». Поэтому первый закон термодинамики можно сформулировать и следующим образом: невозможен вечный двигатель первого рода, т. е. такой двигатель, который при неизменном значении собственной внутренней энергии совершал бы работу большую, чем энергия, получаемая им извне.

Применим первый закон термодинамики к различным изопроцессам, происходящим с идеальным одноатомным газом.

Изохорный процесс

Пусть идеальный одноатомный газ находится в цилиндрическом сосуде, закрытом неподвижным поршнем (V = const). Нагреем сосуд с газом. Объём газа остаётся практически постоянным (тепловым расширением сосуда пренебрегаем) (рис. 60), следовательно, работа силы давления газа А= 0. Тогда первый закон термодинамики примет вид
(11.З)

Это означает, что всё передаваемое газу количество теплоты идёт на увеличение его внутренней энергии. При этом приращение внутренней энергии газа (рис. 61, а). А если газ при изохорном

процессе отдаёт количество теплоты, то его внутренняя энергия убывает:

(рис. 61, б).

Изотермический процесс

Пусть цилиндрический сосуд с газом под поршнем находится в термостате — устройстве, в котором поддерживается постоянная температура. В этом случае внутренняя энергия идеального одноатомного газа остаётся постоянной, а её изменение Тогда первый закон термодинамики примет вид
(11.4)

Какие выводы следуют из этого? Если с помощью внешнего устройства медленно перемещать поршень в сосуде так, чтобы объём газа увеличивался (, поскольку ) (рис. 62), то работа силы давления расширяющегося газа А > 0 (рис. 63, а). При одинаковой первоначальной температуре термостата и газа теплопередачи не происходит. Положительная работа силы давления расширяющегося газа совершается за счёт уменьшения его внутренней энергии, а значит, и температуры. Тут же возникает теплопередача от термостата газу. При медленном перемещении поршня в сосуде температура газа успевает выравняться, а реально происходящий процесс близок к изотермическому процессу, при котором расширяющийся газ получает некоторое количество теплоты (Q > 0) от термостата.

Если же внешнее устройство обеспечивает медленное уменьшение объёма газа в сосуде (, так как ), то работа силы давления при сжатии газа А 0.

Изобарный процесс

Пусть газ находится в цилиндрическом сосуде, закрытом поршнем, который может свободно или под постоянной нагрузкой перемещаться (рис. 64). Нагреем газ, передав ему некоторое количество теплоты (Q > 0). Согласно первому закону термодинамики (11.2) переданное газу количество теплоты частично расходуется на увеличение внутренней энергии ) системы и частично идёт на совершение работы силой давления газа при его расширении (A>0)(рис. 65, a):

При изобарном процессе работа расширения (сжатия) газа , и первый закон термодинамики принимает вид

(11.5)

При изобарном сжатии газа внешние силы совершают работу А’ > 0. Чтобы давление газа при этом оставалось постоянным, газ необходимо охлаждать, т. е. он должен отдавать в окружающую среду некоторое количество теплоты (Q

Удельная теплоёмкость вещества зависит не только от его свойств, но и от характера осуществления процесса теплопередачи. Действительно, из формулы (10.4) следует, что удельная теплоемкость

Тогда согласно первому закону термодинамики при изохорном процессе (11.3)

удельная теплоёмкость идеального газа а при изобарном (11.5) —

Таким образом, для одинакового увеличения температуры при изобарном нагревании единице массы газа необходимо передать большее количество теплоты, чем при изохорном нагревании, т. е.

Это объясняется тем, что при постоянном давлении часть подводимой энергии расходуется на совершение силой давления газа работы при расширении.

Расширение жидких и твёрдых тел при нагревании при постоянном давлении значительно меньше, чем газов, поэтому для них и их удельные теплоёмкости слабо зависят от характера процесса.

Адиабатный процесс

Адиабатным называют процесс, в ходе которого термодинамическая система не получает и не отдаёт энергию путём теплопередачи. Таким образом, при адиабатном процессе

Q = 0.
Применяя к этому процессу первый закон термодинамики, получим:
(11. 6)
или

При адиабатном процессе изменение внутренней энергии системы происходит только за счёт совершения работы. Если внешние силы совершают работу по сжатию газа () (рис. 66, а, б), то внутренняя энергия газа увеличивается (), газ нагревается. Если сила давления газа совершает работу по расширению () (рис. 67, а, б), то внутренняя энергия газа уменьшается (), газ охлаждается не допускает теплопередачи), а за счёт скорости протекания процесса.

Если процесс протекает очень быстро, то теплопередача практически не сказывается. Очень нагляден опыт, иллюстрирующий уменьшение температуры газа при его адиабатном расширении. Используя насос, через отверстие в пробке будем накачивать в стеклянный сосуд воздух (рис. 68). Через некоторый промежуток времени накачивания сжатый воздух совершит работу по преодолению силы трения, с которой сосуд действует на пробку, и силы атмосферного давления. Теплопередача между сосудом и окружающими телами не успевает проявиться за тот малый промежуток времени, пока пробка вылетает из сосуда.

Уменьшение внутренней энергии воздуха в сосуде выражается в понижении его температуры, что приводит к конденсации водяных паров, т. е. к образованию тумана.

В качестве примера адиабатного процесса можно привести охлаждение воздуха в атмосфере. Нагретый возле поверхности Земли воздух при быстром подъёме в верхние слои атмосферы расширяется почти адиабатно и при этом резко охлаждается. Водяной пар в нём конденсируется в маленькие капли воды и кристаллики льда, образуя облака. Близкий к адиабатному процесс используют в двигателях внутреннего сгорания.

Обратимый адиабатный процесс относят к изопроцессам, так как он характеризуется постоянством функции состояния, называемой энтропией. В отличие от остальных изопроцессов при обратимом адиабатном процессе происходят изменения давления, объёма и температуры. График адиабатного процесса в координатах (р, V) похож на график изотермического процесса (рис. 69). Однако одному и тому же изменению объёма при адиабатном процессе соответствует большее изменение давления, чем при изотермическом: (рис.

69).

Это объясняется тем, что в случае адиабатного расширения давление уменьшается не только за счёт увеличения объёма газа (и уменьшения концентрации частиц), но и за счёт уменьшения температуры. При изотермическом расширении давление газа уменьшается только за счёт уменьшения концентрации частиц.

1. Приращение внутренней энергии термодинамической системы при

переходе из одного состояния в другое равно алгебраической сумме работы, совершённой внешними силами, и количества теплоты, полученного или отданного системой при взаимодействии с внешними телами:

2.    Количество теплоты, полученное или отданное термодинамической системой при взаимодействии с внешними телами при её переходе из одного состояния в другое, идёт на приращение внутренней энергии системы и на работу, которую система совершает при расширении:

3.    При изохорном процессе всё передаваемое системе количество теплоты идёт на увеличение её внутренней энергии:

4.     При изотермическом процессе работа расширения или сжатия идеального газа сопровождается теплопередачей между газом и термостатом:

A=Q.

5.    При изобарном процессе переданное идеальному газу количество теплоты частично расходуется на увеличение внутренней энергии газа и частично идёт на совершение работы газом при его расширении:

6.    При адиабатном процессе приращение внутренней энергии газа равно работе, которую совершает сила давления газа, взятой с противоположным знаком:

Пример №1

Идеальный газ, масса которого постоянна, переводят из состояния / в состояние 3 двумя различными способами: и (рис. 70), где — изотермы, а — изохоры. Одинаковы ли при каждом переходе: а)    приращения внутренней энергии газа; б) работы, совершаемые силами давления газа; в) количества теплоты, сообщённые газу?

Решение, а) Так как начальное и конечное состояния для обоих переходов одинаковы, то будут одинаковы и приращения внутренней энергии:

б)    Из рисунка 70 видно, что площадь фигуры, ограниченной осью OV, изотермой и изохорами, проходящими через точки 3 и 4, меньше площади фигуры, ограниченной осью ОV, изотермой и изохорами, проходящими через точки 1 и 2. Следовательно, в процессе перехода сила давления газа совершает большую работу, чем в процессе перехода

в)    Из первого закона термодинамики следует:

Поскольку приращения внутренней энергии в обоих случаях одинаковы, а совершённая силой давления газа работа больше при переходе , то количество теплоты, сообщённое газу, при переходе также будет больше:

Ответ: а)

Пример №2

Идеальный одноатомный газ, давление которого , изобарно расширяется так, что его объём возрастает на . Определите приращение внутренней энергии газа и количество теплоты, получаемое газом в этом процессе.

Дано:

р = 2,0 • Па

=0,40 м3

р =const

— ? Q — ?
Решение. Приращение внутренней энергии идеального одноатомного газа При изобарном расширении идеального газа изменение его температуры связано с изменением объёма газа соотношением (см. пример решения задачи после § 9). Тогда Согласно первому закону термодинамики для изобарного процесса

Отсюда

Ответ: 

Пример №3

В сосуд налита вода массой = 800 г, температура которой = 60°С. В воду добавили некоторое количество льда при температуре = — 10 °С. Определите массу льда, если после достижения теплового равновесия температура содержимого сосуда =40°С. Теплоёмкостью сосуда можно пренебречь. Удельная теплоёмкость водыльда —
удельная теплота плавления льда

Дано

Решение. Если пренебречь потерями энергии в окружающую среду, то термодинамическая система «сосуд—вода—лёд» является изолированной. Поэтому учитываем только обмен энергией между входящими в систему телами при теплопередаче. Рассмотрим тепловые процессы, происходящие в системе: 1) нагревание льда от температуры до температуры плавления ; 2) плавление льда: , 3) нагревание холодной воды, получившейся при плавлении льда, от температуры до температуры ; 4) охлаждение тёплой воды
массой от температуры до температуры

Составим уравнение теплового баланса:или

Отсюда масса льда

Ответ: = 0,13 кг.

Первый закон термодинамики

В 9-м классе вы узнали, что полная механическая энергия замкнутой системы тел сохраняется только при отсутствии трения, а при наличии трения она уменьшается. Куда девается механическая энергия?

Закон сохранения энергии

В середине XIX в. известный английский физик Дж. Джоуль (1818—1889), проведя многочисленные опыты, показал, что совершённая при перемешивании воды механическая работа практически равна увеличению её внутренней энергии. Опыты Джоуля, а также исследования немецкого врача и естествоиспытателя Р. Майера (1814—1878), немецкого профессора физиологии и одного из самых знаменитых физиков второй половины XIX в. Г. Гельмгольца (1821 — 1894) позволили сформулировать закон сохранения и превращения энергии, распространив его на все явления природы.

Закон сохранения и превращения энергии: при любых взаимодействиях материальных объектов энергия не исчезает и не возникает из ничего, она только передаётся от одних объектов к другим или превращается из одной формы в другую.

Закон сохранения и превращения энергии является всеобщим законом природы и связывает воедино все физические явления. Этот закон выполняется абсолютно точно, на нём базируется всё современное естествознание.

Первый закон термодинамики:

В предыдущих параграфах мы рассматривали процессы, в которых внутренняя энергия системы изменялась или при совершении работы, или в результате теплообмена. Однако чаще всего при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется как за счёт совершения работы, так и за счёт теплообмена с окружающими телами.

Для термодинамических систем закон сохранения и превращения энергии называют первым законом термодинамики. 

Первый закон термодинамики: приращение внутренней энергии термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое равно алгебраической сумме работы, совершённой внешними силами, и количества теплоты, полученного (или отданного) системой при взаимодействии с внешними телами.

Поскольку работа внешних сил равна работе, совершаемой термодинамической системой, взятой с противоположным знаком то первый закон термодинамики можно сформулировать иначе:

Количество теплоты, полученное (или отданное) термодинамической системой при взаимодействии с внешними телами при её переходе из одного состояния в другое, идёт на приращение внутренней энергии системы и на работу, которую она совершает против внешних сил:

Применим первый закон термодинамики к различным изопроцессам изменения состояния идеального одноатомного газа.

Рассмотрим в качестве термодинамической системы идеальный одноатомный газ, находящийся в цилиндрическом сосуде, закрытом поршнем.

Изохорный процесс:

Если сосуд закрыт неподвижным поршнем, то при нагревании объём газа остаётся постоянным (рис. 78). Следовательно, работа силы давления газа А = 0. Тогда первый закон термодинамики примет вид:

При изохорном процессе всё передаваемое газу количество теплоты идёт на увеличение его внутренней энергии:

Если газ при изохорном процессе отдаёт количество теплоты, то его внутренняя энергия убывает:

Изотермический процесс:

Поместим сосуд с газом, находящимся под подвижным поршнем, в термостат — устройство, в котором поддерживается постоянная температура (рис. 79). С помощью внешнего устройства медленно переместим поршень в сосуде так, чтобы объём газа увеличился (или уменьшился). Значения температуры газа в начальном и конечном состояниях одинаковы. В этом случае внутренняя энергия идеального одноатомного газа остаётся постоянной, а её изменение Тогда первый закон термодинамики примет вид:

При изотермическом процессе переданное газу количество теплоты расходуется на совершение газом работы.

Изобарный процесс:

Если сосуд закрыт подвижным поршнем, то при нагревании увеличится как температура газа, так и его объём (рис. 80). Тогда первый закон термодинамики имеет вид:

При изобарном процессе переданное газу количество теплоты частично расходуется на увеличение внутренней энергии системы и частично идёт на совершение работы силой давления газа при его расширении.

С учётом того, что при изобарном процессе работа расширения (сжатия) газа первый закон термодинамики примет вид:

Пример №4

Идеальный одноатомный газ, давление которого  изобарно расширяется так, что его объём возрастает на Определите приращение внутренней энергии газа и количество теплоты, получаемое им в этом процессе.

Решение. 11риращение внутренней энергии идеального одноатомного газа При изобарном расширении идеального газа изменение его температуры  связано с изменением объёма газа соотношением

Тогда Согласно первому закону термодинамики для изобарного процесса

Следовательно,

Ответ:

Пример №5

На рисунке 81 представлен график процесса изменения состояния некоторой массы идеального газа (участок  — изотерма). На каком участке графика работа силы давления газа: а) положительная; б) отрицательная? На каком участке графика газ: а) получал количество теплоты; б) отдавал? Как изменялась внутренняя энергия газа?

Решение. Участок Поскольку при постоянном давлении увеличивается объём газа то растёт и его температура Следовательно, работа силы давления газа и приращение его внутренней энергии Из первого закона термодинамики, записанного в виде следует, что

Участок Поскольку температура газа не изменяется то приращение его внутренней энергии Объём газа уменьшается (изотермическое сжатие), и работа силы давления газа Из первого закона термодинамики, записанного в виде дует, что

Ответ:

Определение первого закона термодинамики

Невозможно представить себе повседневную жизнь без разноцелевой техники, облегчающей нашу жизнь. При помощи этой техники люди вспахивают землю, добывают нефть, газ, руду и другие полезные ископаемые, “сокращают” большие расстояния и т.д. Главное свойство всей техники – способность совершения ими работы.

По этой причине еще с древних времен люди пытались создать способный работать вечно perpetuum mobile, то есть вечный двигатель. Как одну из интересных работ в этом направлении можно показать оригинальный проект, предложенный английским священником Джоном Уилкенсином в XVII веке, основанный на действии магнитного поля. По идее проекта, вечный двигатель должен работать так: шарообразный магнит помещен на высокую опору, к которой прикрепляются две наклонные плоскости, верхняя плоскость прямолинейная, а нижняя изогнутая (а).

В результате притяжения магнитом шарик, помещенный в нижней части прямой плоскости, начинает подниматься вверх и проваливается на нижнюю плоскость через отверстие 1 в верхней части плоскости. Затем, скатываясь вниз по изогнутой плоскости, снова попадает на прямую плоскость через отверстие 2, и всё повторяется снова.

Первый закон термодинамики:

Согласно одному из фундаментальных законов природы – закону сохранения энергии, полная энергия (механическая и внутренняя энергия) замкнутой системы остается постоянной при всех процессах, происходящих внутри этой системы:

Закон сохранения энергии, применяемый к тепловым процессам, называют первым законом термодинамики:

Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно количеству теплоты, переданному этой системе, и работе внешних сил, совершенной над системой:

Над замкнутой и изолированной системой внешние силы не совершают работу и не происходит теплообмена с окружающими телами В этом случае, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия замкнутой и изолированной системы не изменяется:

Так как работа, совершаемая системой над внешними силами, равна работе, совершаемой внешними силами над системой с противоположным знаком: то первый закон термодинамики можно записать так:

Количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, затрачивается на изменение ее внутренней энергии и работу, которую система совершает против внешних сил:

После открытия закона сохранения энергии стала очевидной невозможность создания вечного двигателя первого рода:

Вечный двигатель первого рода (perpetuum mobile I) – это двигатель, который будучи однажды приведен в действие и не получая энергию извне, совершает работу вечно.

Согласно выражению (7.11), для совершения работы система или должна получать энергию извне, или использовать свою внутреннюю энергию:

В противном случае, то есть если и то и работа а это означает, что работающий вечный двигатель невозможен.

Применение первого закона термодинамики к разным процессам

1. Изотермический процесс 

Так как в этом процессе температура системы остается постоянной, то и ее внутренняя энергия остается постоянной, изменение же внутренней энергии равно нулю:

Из выражений первого закона термодинамики (7.11) и (7.12) получаем:

• При изотермическом процессе все количество теплоты, переданное системе, затрачивается на совершение работы.

2. Изохорный процесс

Так как в этом процессе объем системы остается постоянным, то из выражения (7.10) следует, что работа не совершается Первый закон термодинамики приобретает вид:

Для одноатомного идеального газа:

• При изохорном процессе количество теплоты, переданное системе, целиком затрачивается на изменение внутренней энергии.

Удельная теплоемкость одноатомного идеального газа, при постоянном объеме

Если в выражении (7.17) учесть выражения внутренней энергии одноатомного идеального газа (7.7) и количества теплоты (7.4), то получим формулу для удельной теплоемкости при постоянном объеме:

3. Изобарный процесс 

В этом процессе давление системы остается постоянным, а температура и объем изменяются. Для этого процесса первый закон термодинамики записывается, так: 

• При изобарном процессе (расширении) переданное системе количество теплоты затрачивается на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы против внешних сил.

Удельная теплоемкость одноатомного идеального газа при постоянном давлении

Приняв в (7.19) во внимание выражения для одноатомного идеального газа:

получим:

С учетом этих выражений можно определить удельную теплоемкость одноатомного идеального газа при постоянном давлении как:

Из сравнения выражений (7.20) и (7.21) видно, что при изобарном процессе для одноатомного идеального газа существуют следующие соотношения между переданным количеством теплоты, изменением внутренней энергии и совершенной работой:

4. Адиабатный процесс

Адиабатный процесс – это процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой.

Так как в этом процессе отсутствует теплообмен системы со сторонними телами, то первый закон термодинамики можно записать так:

или

При адиабатном расширении газа его температура и внутренняя энергия уменьшаются, то есть газ охлаждается, а при адиабатном же сжатии, наоборот, его температура и внутренняя энергия увеличиваются, то есть газ нагревается.

История первого закона термодинамики

Один из фундаментальных законов природы — закон сохранения и превращения энергии. Первым этот закон сформулировал немецкий врач и физик Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878). интересно, что к открытию ученого подтолкнули наблюдения над цветом крови у людей. Майер заметил, что венозная кровь у жителей тропиков светлее, чем у жителей его страны, и по цвету напоминает артериальную. он сделал вывод, что разница в цвете обусловлена количеством потребления кислорода, или «силой процесса сгорания», происходящего в организме. независимо от Майера и совсем иначе к открытию закона сохранения энергии пришли английский промышленник и ученый Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) и немецкий физик, физиолог и психолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894). закон сохранения и превращения энергии управляет всеми явлениями природы, неизвестно ни одного случая, когда бы этот закон не выполнялся.

В термодинамике рассматривают системы, механическая энергия которых при переходе из одного термодинамического состояния в другое не изменяется. Тогда, если внешние силы совершили работу A′ и одновременно системе передано определенное количество теплоты Q, вся энергия идет на изменение внутренней энергии системы (∆U) . Закон сохранения и превращения энергии в таком случае называют первым законом (началом) термодинамики:

Изменение внутренней энергии системы ( ∆U) при переходе из одного термодинамического состояния в другое равно сумме работы A′ внешних сил и количества теплоты Q, сообщенного системе или переданного системой окружающим телам в процессе теплообмена:

Рис. 38.1. согласно третьему закону ньютона сила , с которой газ давит на поршень, равна по модулю и противоположно направлена внешней силе , с которой поршень давит на газ. Поэтому работа внешних сил равна работе газа, взятой с противоположным знаком: A = −A ′

Обратите внимание! Если система получает некоторое количество теплоты, то в приведенной формуле Q берется со знаком «+», если отдает, то со знаком «–». На практике чаще рассматривают не работу A′ внешних сил, а работу A совершаемую данной системой против внешних сил. Учитывая, что A = −A ′ (рис. 38.1), первый закон (начало) термодинамики можно сформулировать так:

Количество теплоты Q, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы (∆U) и на совершение системой работы A против внешних сил:

Согласно первому закону термодинамики невозможно создать вечный двигатель первого рода — циклическое устройство, которое совершало бы механическую работу без потребления энергии извне (рис. 38.2, а) или совершало бы работу большую, чем потребляемая им энергия (рис. 38.2, б).

Рис. 38.2. Циклические процессы, которые невозможны с точки зрения первого закона термодинамики

Какой вид имеет первый закон термодинамики для изопроцессов

Рассмотрим, какой вид принимает первый закон термодинамики в случаях, когда идеальному газу неизменной массы передают некоторое количество теплоты таким образом, что один из макроскопических параметров газа (V, p или T) остается неизменным.

• Изохорный процесс (рис. 38.3). В ходе изохорного процесса объем газа не изменяется (∆V=0) и газ работу не совершает (A = 0), поэтому уравнение первого закона термодинамики имеет вид: Q=∆U . При изохорном процессе все переданное газу количество теплоты расходуется на увеличение внутренней энергии газа. Если идеальный газ одноатомный, то количество теплоты, переданное газу, равно:
• Изотермический процесс (рис. 38.4). В ходе изотермического процесса температура, а значит, и внутренняя энергия газа не изменяются (∆U=0), поэтому уравнение первого закона термодинамики имеет вид: Q=A.

При изотермическом процессе все переданное газу количество теплоты идет на совершение механической работы.

• Изобарный процесс (рис. 38.5). В ходе изобарного процесса совершается работа и изменяется внутренняя энергия газа, поэтому уравнение первого закона термодинамики имеет вид: Q=∆U + A. При изобарном процессе переданное газу количество теплоты идет и на увеличение внутренней энергии газа, и на совершение механической работы. Если идеальный газ одноатомный, то работа газа A=p∆V, изменение его внутренней энергии Количество теплоты, переданное газу, равно:

Каковы особенности адиабатного процесса

Адиабатный процесс — это процесс, который происходит без теплообмена с окружающей средой. При адиабатном процессе количество теплоты Q, переданное системе, равно нулю, поэтому первый закон термодинамики имеет вид: Q=∆U + A, или A = −∆U.

При адиабатном расширении газ совершает положительную работу за счет уменьшения внутренней энергии; температура газа уменьшается.

Поскольку p =nkT, при адиабатном сжатии давление газа возрастает намного быстрее, чем при изотермическом, ведь одновременно с увеличением концентрации молекул газа увеличивается и его температура (рис. 38.6).

Рис. 38.6. изменение давления газа в ходе адиабатного сжатия. синим цветом показана адиабата, красным — изотермы

Аналогично при адиабатном расширении давление падает быстрее, чем при изотермическом, ведь одновременно уменьшаются и концентрация, и температура газа.

В реальных условиях процесс, близкий к адиабатному, можно осуществить, если газ будет находиться в оболочке с очень хорошими термоизоляционными свойствами. Адиабатными можно считать и процессы, которые происходят очень быстро: в таком случае газ не успевает обменяться теплотой с окружающей средой (например, расширение и сжатие воздуха при распространении звуковых волн, расширение газа при взрыве).

Увеличение температуры при резком сжатии воздуха используется в дизельном двигателе, в котором нет системы зажигания горючей смеси.

Пример №6

При изобарном расширении неон совершил работу 56 Дж. Какое количество теплоты передано газу? Каково изменение его внутренней энергии? При каком давлении происходил процесс, если объем газа увеличился на 2,0 л?

Решение:

Для изобарного процесса работа газа равна: A=p∆V. Отсюда . Изменение внутренней энергии идеального одноатомного газа равно:

Согласно первому закону термодинамики: Проверим единицу, найдем значения искомых величин

Ответ: Q = 140 Дж; ∆U = 84 Дж; p = 28 кПа.

Выводы:

• Закон сохранения энергии, записанный для тепловых процессов, называют первым законом (началом) термодинамики: количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил: Q=∆U + A.
• При изохорном процессе газ не выполняет работу (A = 0 ) , поэтому вся теплота, переданная газу, идет на увеличение его внутренней энергии: Q=∆U.
• При изотермическом процессе внутренняя энергия газа не изменяется (∆U=0), поэтому вся теплота, переданная газу, идет на совершение газом работы: Q=A.
• При изобарном процессе теплота, переданная газу, идет как на увеличение внутренней энергии газа, так и на совершение газом работы: Q=∆U + A.
• При адиабатном процессе газ не получает теплоты (Q = 0) , поэтому увеличение его внутренней энергии происходит за счет совершения над газом работы (адиабатное сжатие): ∆U=A′. Если газ сам совершает работу (адиабатное расширение), его внутренняя энергия уменьшается: A = −∆U.

Второй закон термодинамики

Определение второго закона термодинамики (2 формулировки):

Формулировка Кельвина и Планка Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу. (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты)

Формулировка Клаузиуса Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара)

Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает.

Второй закон связан с понятием энтропии (S).

Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии – стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое измение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако, энтропия вселенной при этом не уменьшается.{(1)}_{(2)}{dS}}=S_1-S_2\le 0 \qquad (1),\]

где S – энтропия; L – путь по которому система переходит из одного состояния в другое.

В данной формулировке второго начала термодинамики следует обратить внимание на то, что рассматриваемая система должна быть замкнутой. В незамкнутой системе энтропия может вести себя как угодно (и убывать, и возрастать, и оставаться постоянной). Заметим, что энтропия не изменяется в замкнутой системе при обратимых процессах.

Рост энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах — это переход термодинамической системы из состояний с меньшей вероятностью в состояния с большей вероятностью. Известная формула Больцмана дает статистическое толкование второго закона термодинамики:

\[S=kln\ w\ \qquad (2),\]

где k – постоянная Больцмана; w – термодинамическая вероятность (количество способов при помощи которых, может реализовываться рассматриваемое макросостояние системы). Так, второй закон термодинамики является статистическим законом, который связан с описанием закономерностей теплового (хаотического) движения молекул, которые составляют термодинамическую систему.

Эффективность теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя, действующего между двумя энергетическими уровнями , определена в пересчете на абсолютные температуры

\[ \eta = \dfrac{T_h – T_c}{T_h} = \frac{1 – T_c }{T_h} \]

где: η – эффективность, T_h – верхняя граница температуры (K), T_c – нижняя граница температуры (K)

Для того, чтобы достичь максимальной эффективности T_c должна быть на столько низкой, на сколько это возможно. Чтобы эффект был 100% -м, T_c должна равнятся 0 по шкале Kельвина. Практически это невозможно, поэтому эффективность всегда меньше 1 (менее 100%).

• Изменение энтропии > 0 Необратимый процесс
• Изменение энтропии = 0 Двусторонний процесс (обратимый)
• Изменение энтропии < 0 Невозможный процесс (неосуществимый)

Энтропия определяет относительную способность одной системы влиять на другую. Когда энергия двигается к нижнему энергетическому уровню, где уменьшается возможность влияния на окружающую среду, энтропия увеличивается.

Определение энтропии

Энтропия определяется как :

\[ S = \dfrac{H}{T} \]

где: S = энтропия (кДж/кг*К), H – энтальпия> (кДж/кг), T = абсолютная температура (K)

Изменение энтропии системы вызвано изменением содержания темпла в ней. Изменение энтропии равно изменению темпла системы деленной на среднюю абсолютную температуру ( T_a):

\[ dS = \frac{dH}{T_a} \]

Сумма значений (H / T) для каждого полного цикла Карно равна 0. Это происходит из-за того, что каждому положительному H противостоит отрицательное значение H.

Тепловой цикл Карно

Цикл Карно— идеальный термодинамический цикл.

В тепловом двигателе, газ (реверсивно) нагревается (reversibly heated), а затем охлаждается. Модель цика следующая:

Положение 1 — (изотермическое расширение) → Положение 2 — (адиабатическое расширение) → Положение 3 –(изотермическое сжатие) → Положение 4 –(адиабатическое сжатие) → Положение 1

Положение 1 – Положение 2: Изотермическое расширение Изотермическое расширение. В начале процесса рабочее тело имеет температуру T_h , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты Q_H. При этом объём рабочего тела увеличивается. Q_H=∫Tds=T_h (S₂-S₁) =T_h ΔS

Положение 2 – Положение 3: Адиабатическое расширение Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Положение 3 – Положение 4: Изотермическое сжатие Изотермическое сжатие. Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру T_c, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты Q_c. Q_c=T_c(S₂-S₁)=T_c ΔS

Положение 4 – Положение 1: Адиабатическое сжатие Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия.

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

Законы термодинамики были определены эмперическим путем (эксперементально). Второй закон термодинамики – это обощение экспериментов, связанных с энтропией. Известно, что dS системы плюс dS окружающей среды равно или больше 0.

Энтропия адиабатически изолированной системы не меняется!

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!Больше интересного в телеграм @calcsbox

Основные законы и формулы – PDF Free Download

Учитель: Горшкова Л.А. МБОУ СОШ 44 г. Сургут

Учитель: Горшкова Л.А. МБОУ СОШ 44 г. Сургут Цель: повторение основных понятий, законов и формул ТЕРМОДИНАМИКИ в соответствии с кодификатором ЕГЭ 1. Тепловое равновесие и температура. 2. Внутренняя энергия.

Подробнее

v – среднее значение квадрата скорости

Теоретическая справка к лекции 3 Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) Газы принимают форму сосуда и полностью заполняют объѐм, ограниченный непроницаемыми для газа стенками Стремясь расшириться,

Подробнее

Фамилия. Вариант Каково давление азота (в кпа), если средняя квадратичная скорость его молекул 400 м/с, а его плотность 1,35 кг/м 3?

Домашние задания – Группы НТС, ВД, ТО, ТПР, ГФ–, ТПУ-_, 4 6 7 8 9 0 Вариант. Каково давление азота (в кпа), если средняя квадратичная скорость его молекул 400 м/с, а его плотность, кг/м?. Некоторая масса

Подробнее

Основные положения термодинамики

Основные положения термодинамики (по учебнику А.В.Грачева и др. Физика: 10 класс) Термодинамической системой называют совокупность очень большого числа частиц (сравнимого с числом Авогадро N A 6 10 3 (моль)

Подробнее

Занятие 8. Термодинамика

Занятие 8. Термодинамика Вариант 4… Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при повышении его температуры?. Увеличивается. Уменьшается. Не изменяется 4. Это не связанные величины 4… Давление

Подробнее

ПОДГОТОВКА к ОГЭ ЧАСТЬ 1

ПОДГОТОВК к ОГЭ ЧСТЬ 1 ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ 1.В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём 1.конвекции 2.излучения и конвекции 3.теплопроводности 4.конвекции и теплопроводности 2.Внутренняя энергия

Подробнее

ТЕМА.

ТЕМА Лекция 8. Работа газа в циклическом процессе. Тепловые двигатели. Цикл Карно. Матрончик Алексей Юрьевич кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики НИЯУ МИФИ, эксперт ГИА-11 по

Подробнее

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2 ВАРИАНТ 1

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2 ВАРИАНТ 1 1. В закрытом сосуде объемом 20 л содержатся водород массой 6 г и гелий массой 12 г. Определить: 1) давление; 2) молярную массу газовой смеси в сосуде, если температура смеси

Подробнее

8 класс «а», «с», «н» 1 триместр

Основные понятия: Тепловые явления Обязательный минимум по предмету физика 8 класс «а», «с», «н» 1 триместр Тепловое движение. Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии: работа и теплопередача.

Подробнее

ПОДГОТОВКА К ЕГЭ по ФИЗИКЕ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» ПОДГОТОВКА К ЕГЭ по ФИЗИКЕ Лекция 8. Внутренняя энергия газа. Первый закон термодинамики. Работа газа в циклическом процессе. Тепловые двигатели

Подробнее

Отложенные задания (81)

Отложенные задания (81) На стол поставили две одинаковые бутылки, наполненные равным количеством воды комнатной температуры. Одна из них завернута в мокрое полотенце, другая в сухое. Измерив через некоторое

Подробнее

ИТТ Вариант 1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

ИТТ- 10.5.1 Вариант 1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 1. Тело, состоящее из атомов или молекул, обладает: 1) Кинетической энергией беспорядочного теплового движения частиц. 2) Потенциальной энергией взаимодействия

Подробнее

Молекулярно-кинетическая теория

Оглавление 2 Молекулярно-кинетическая теория 2 21 Строение вещества Уравнение состояния 2 211 Пример количество атомов 2 212 Пример химический состав 2 213 Пример воздух в комнате 3 214 Пример воздушный

Подробнее

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ТЕРМОДИНАМИКА

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ТЕРМОДИНАМИКА Распределение Максвелла Начала термодинамики Цикл Карно Распределение Максвелла В газе, находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не

Подробнее

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Техническая термодинамика (основные положения и определения) 2. Внутренние параметры состояния (давление, температура, плотность). Понятие о термодинамическом

Подробнее

1) 1 2) 2 3) 0,5 4) 2

Физика. класс. Демонстрационный вариант (9 минут) Диагностическая тематическая работа по подготовке к ЕГЭ по ФИЗИКЕ Физика. класс. Демонстрационный вариант (9 минут) Часть К заданиям 4 даны четыре варианта

Подробнее

ИТТ Вариант 2 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

ИТТ- 10.5.2 Вариант 2 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 1. Тело, состоящее из атомов или молекул, обладает: 1) Кинетической энергией беспорядочного теплового движения частиц. 2) Потенциальной энергией взаимодействия

Подробнее

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Основные положения и определения Два подхода к изучению вещества Вещество состоит из огромного числа микрочастиц – атомов и молекул Такие системы называют макросистемами

Подробнее

Тема 6 Термодинамическая система

Тема 6 Термодинамическая система 1. Параметры состояния. 2. Термодинамическое равновесие. 3. Внутренняя энергия. 4. Работа и теплообмен, как формы передачи энергии. 5. Равновесные и неравновесные процессы.

Подробнее

/ /11

Вариант 3580291 1. Задание 9 7729 Идеальный газ медленно переводят из состояния 1 в состояние 3. Процесс 1 2 3 представлен на графике зависимости давления газа p от его объёма V (см. рисунок). Считая,

Подробнее

Строение вещества. Тепловые явления

Физика. 9 класс. Тренинг «Строение вещества. Тепловые явления» 1 Строение вещества. Тепловые явления Вариант 1 1 В одинаковые сосуды с равными массами воды при одинаковой температуре погрузили латунный

Подробнее

Задачи на составление теплового баланса

Задачи на составление теплового баланса Решая задачи на данную тему, будем полагать, что изменение внутренней энергии тела равно количеству теплоты, полученной телом. Будем считать теплоту, потраченную

Подробнее

ИДЗ_2 (СТО и МФиТ) / Вариант 1.

ИДЗ_2 (СТО и МФиТ) / Вариант 1. 1. В K-системе отсчета частица, движущаяся со скоростью 0,99 c, пролетела от места своего рождения до точки распада расстояние 2 км. Определить собственное время жизни этой

Подробнее

Термодинамика в физике: основные формулы

В термодинамике рассматривают процессы перехода тепловой энергии от одних тел к другим. Каждое тело обладает своей внутренней энергией.

Внутренней энергией называется сумма кинетических и потенциальных энергий всех молекул тела.

Так как у молекул идеального газа нет потенциальной энергии взаимодействия, то внутренней энергией идеального газа называется сумма только кинетических энергий его молекул.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа определяется формулой

Изменить внутреннюю энергию можно двумя путями: путем совершения работы и путем теплопередачи.

Теплопередачей называют передачу тепла от одного тела другому без совершения механической работы или без превращения тепловой энергии в иные виды.

Теплопередачу делят на теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — это передача тепла от горячего тела холодному при их соприкосновении.

Конвекция — это передача тепла путем взаимного перемещения теплых и холодных слоев жидкости и газа.

Излучение — это передача тепла с помощью электромагнитных волн.

При теплопередаче тела передают друг другу количество теплоты.

Количество теплоты Q — это мера изменения внутренней энергии тела, происшедшего без совершения механической работы.

Количество теплоты — скалярная величина. Единица измерения ее в СИ — джоуль (Дж).

При нагревании, плавлении и парообразовании тело получает извне количество теплоты, а при охлаждении, кристаллизации и конденсации выделяет его во внешнюю среду. Для характеристики способности вещества поглощать теплоту при нагревании, плавлении или парообразовании и выделять ее при охлаждении, кристаллизации и конденсации, а также при сгорании, введены понятия удельной теплоемкости с, удельной теплоты плавления , удельной теплоты парообразования r (или L) и удельной теплоты сгорания q.

Удельная теплоемкость с — это величина, равная отношению количества теплоты, полученного при нагревании тела или выделенного при его охлаждении, к массе этого тела и изменению его температуры:

Удельная теплоемкость — скалярная величина. Ее единица в СИ — Дж/(кг- К). Удельная теплоемкость разных твердых и жидких веществ приведена в справочной литературе.

Иногда в условии задачи речь идет не об удельной теплоемкости вещества, а о теплоемкости тела С. Это другая величина.

Теплоемкость тела — это величина, равная отношению количества теплоты Q, поглощенной телом при нагревании, к изменению его температуры :

Единица теплоемкости тела в СИ — Дж/К.

Теплоемкость тела равна произведению удельной теплоемкости на массу тела:

Зная удельную теплоемкость или теплоемкость тела, можно определить количество теплоты, которое поглотится при нагревании или выделится при охлаждении данной массы тела на известную разность температур по формулам:

Удельная теплота плавления — это величина, равная отношению количества теплоты, полученного при плавлении тела или выделенного при его кристаллизации, к массе тела:

Удельная теплота плавления кристаллического вещества — скалярная положительная величина. Ее единица в СИ — Дж/кг.

Удельная теплота плавления данного вещества равна удельной теплоте его кристаллизации. Определив по справочнику удельную теплоту плавления данного кристаллического вещества, можно вычислить количество теплоты, требуемое для того, чтобы расплавить некоторую массу этого вещества при температуре его плавления по формуле:

Следует знать, что вода и лед могут находиться в тепловом равновесии, когда лед не тает, а вода не замерзает, при О °C.

Пока лед не нагреется до О °C, он таять не начнет. Так и вода, пока не охладится до О °C, не начнет превращаться в лед.

Удельная теплота парообразования r (или L) — это величина, равная отношению количества теплоты, полученной при парообразовании или выделенной при конденсации, к массе вещества:

Удельная теплота парообразования — скалярная величина. Единица удельной теплоты парообразования в СИ — Дж/кг.

Удельная теплота парообразования данной жидкости равна ее удельной теплоте конденсации. Ее величину можно найти для каждой жидкости в справочной литературе. Зная удельную теплоту парообразования данной жидкости и ее массу, можно определить количество теплоты, которое поглотит эта жидкость при полном превращении ее в пар в процессе кипения, по формуле

Температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении 100 °C — и при этих условиях до более высокой температуры воду нагреть нельзя.

Удельная теплота сгорания q — это величина, равная отношению количества теплоты, выделившегося при сгорании вещества, к его массе:

Удельная теплота сгорания — скалярная величина. Ее единица в СИ — Дж/кг. Удельную теплоту сгорания данного топлива можно найти в справочной литературе.

Зная удельную теплоту сгорания топлива и его массу, можно определить количество теплоты, которое выделится при его полном сгорании, по формуле:

Работа А при изобарном изменении объема газа равна произведению давления газа р на изменение его объема :

Графически в координатных осях p-V (рис. 145, а) работа А изобарного расширения газа от объема до объема равна площади прямоугольника, одной стороной которого служит отрезок аб, численно равный давлению газа р, а другой — отрезок бc, численно равный изменению объема газа . При круговом процессе, когда термодинамическая система возвращается в исходное состояние, работа численно равна площади замкнутой фигуры, ограниченной графиком (рис. 145, б).

При расширении газа силы давления совершают положительную работу, увеличивая объем газа. При сжатии газа внешние силы совершают отрицательную работу, поскольку изменение объема газа в этом случае меньше нуля, ведь при сжатии конечный объем меньше начального объема .

Если газ содержится в закрытом сосуде, т.е. его объем постоянный, то процесс, происходящий с ним, изохорный. При этом изменение объема газа равно нулю и, значит, работа изменения его объема тоже равна нулю:

при .

Таким образом, при изохорном процессе газ работу не совершает.

В термодинамике любую группу тел или частиц называют термодинамической системой. Если термодинамической системе извне передается некоторое количество теплоты Q, то оно расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил А:

Полученное выражение получило название первого закона термодинамики (первого начала термодинамики).

Если система получает извне количество теплоты, то в этой формуле перед Q ставится плюс, если отдает его во внешнюю среду, то — минус. Если температура системы повышается, т.е. ее внутренняя энергия увеличивается, то в этой формуле перед ставится плюс, если она уменьшается, то — минус. Если система расширяется, совершая работу против внешних сил, то в этой формуле перед А ставится плюс, если внешние силы сжимают систему, то — минус.

Применение первого закона термодинамики к изотермическим процессам:

• к изотермическому: при Т = const

• к изохорному: при V = const

• к изобарному: при р = const

Здесь Т — абсолютная температура, — изменение внутренней энергии, Q — количество теплоты, А — работа, V — объем, р — давление.

Адиабатным называется процесс, протекающий в термодинамической системе без теплообмена с внешней средой.

Поскольку при адиабатном процессе термодинамическая система не получает и не отдает тепло, то количество теплоты в формуле первого закона термодинамики равно нулю, поэтому применительно к адиабатному процессу первый закон термодинамики примет вид:

при .

При адиабатном процессе изменение внутренней энергии термодинамической системы равно работе системы, взятой со знаком «минус».

При адиабатном сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается и, согласно формуле,

температура газа повышается, т.е. он нагревается. И наоборот, при адиабатном расширении газа его внутренняя энергия уменьшается и, согласно той же формуле, температура понижается, т.е. газ охлаждается.

На графике в координатах p-V адиабата изображается кривой, которая идет круче гиперболы — изотермы (рис. 146).

Процесс в реальном газе можно считать адиабатным, если

он протекает столь быстро, что газ не успевает обменяться теплом с внешней средой. Примером такого процесса может служить процесс истечения отработанного газа из сопла ракеты, который резко расширяется и при этом сильно охлаждается.

Некоторые формулировки второго закона термодинамики:

а) любые самопроизвольные про-

цессы в термодинамической системе, состоящей из статистически огромного числа частиц, всегда переводят эту систему из менее вероятного состояния в более вероятное и никогда наоборот;

б) невозможен самопроизвольный процесс передачи тепла от тел, менее нагретых, телам, более нагретым;

в) невозможно изготовить вечный двигатель второго рода — устройство, в котором бы все тепло, полученное от нагревателя, полностью превращалось бы в механическую работу.

Тепловые двигатели — это устройства, в которых тепловая энергия превращается в механическую.

Основными частями любого теплового двигателя являются: нагреватель, рабочее тело и холодильник. На рис. 147 изображена условная схема любого теплового двигателя.

Нагреватель (паровой котел, горючая смесь, различные виды топлива) выделяет тепловую энергию, нагревая рабочее тело, которое находится в рабочей камере двигателя. Рабочим телом может быть пар или газ. Получив количество теплоты , газ расширяется, поскольку его давление больше внешнего давления (например, атмосферного), и перемещает поршень, совершая положительную работу.

Работа А, совершенная двигателем, равна разности количества теплоты , полученной от нагревателя, и количества теплоты , отданной холодильнику:

Работоспособность разных двигателей при одинаковых затратах тепловой энергии характеризуется их коэффициентом полезного действия (КПД ).

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называется отношение работы, совершенной этим двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Французский инженер Сади Карно в 1824 г. вывел формулу максимального КПД идеального теплового двигателя, в котором рабочим телом являлся идеальный газ и цикл которого состоял из двух изотерм и двух адиабат — цикла Карно.

Формула КПД цикла Карно, т.е. максимального КПД теплового двигателя, имеет вид:

Здесь — абсолютная температура нагревателя, — абсолютная температура холодильника.КПД любого реального теплового двигателя всегда меньше КПД цикла Карно такой же конструкции. Анализ формулы максимального КПД позволяет наметить пути повышения КПД реальных тепловых двигателей. Для этого нужно увеличить числитель этой формулы, т.е. разность температур нагревателя и холодильника (внешней среды) . Поскольку изменить температуру внешней среды невозможно, нужно повысить температуру нагревателя, выбирая соответствующие виды топлива. Очевидно, что КПД данного теплового двигателя при одинаковой температуре нагревателя зимой выше, чем летом, так как зимой температура внешней среды ниже. Кроме того, для повышения КПД тепловых двигателей необходимо искать пути уменьшения тепловых потерь, улучшая теплоизоляцию, уменьшая трение в узлах двигателя и потери энергии из-за неполного сгорания топлива, улучшая конструкцию двигателей, и т. п. Повышение КПД тепловых двигателей — важная техническая задача.

Эта теория со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:

Задачи по физике с решением

Возможно вам будут полезны эти страницы:

Дифференциальные формы фундаментальных уравнений

Основные термодинамические уравнения следуют из пяти основных термодинамических определений и описывают внутреннюю энергию, энтальпию, энергию Гельмгольца и энергию Гиббса в терминах их естественных переменных. Здесь они будут представлены в их дифференциальной форме.

Введение

Основные термодинамические уравнения описывают термодинамические величины U, H, G и A в терминах их естественных переменных. Термин «естественная переменная» просто обозначает переменную, которая является одной из удобных переменных для описания U, H, G или A.В целом четыре фундаментальных уравнения демонстрируют, как четыре важные термодинамические величины зависят от переменных, которые можно контролировать и измерять экспериментально. Таким образом, они, по сути, являются уравнениями состояния, и, используя фундаментальные уравнения, экспериментальные данные могут быть использованы для определения искомых величин, таких как \ (G \) или \ (H \).

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики представлен ниже в его дифференциальной форме

\ [dU = đq + đw \]

где

• \ (U \) – внутренняя энергия системы,
• \ (q \) – тепловой поток системы, а
• \ (w \) – это работа системы.

Символ «đ» представляет неточных дифференциалов и указывает, что и \ (q \), и \ (w \) являются функциями пути. Напомним, что \ (U \) – это функция состояния. Первый закон гласит, что изменения внутренней энергии происходят только в результате теплового потока и проделанной работы.

Предполагается, что w относится только к фотоэлектрическим работам, где

\ [w = – \ int {pdV} \]

Основное термодинамическое уравнение для внутренней энергии следует непосредственно из первого закона и принципа Клаузиуса:

\ [dU = đq + đw \] \ [dS = \ dfrac {\ delta q_ {rev}} {T} \]

у нас

\ [dU = TdS + \ delta w \]

Поскольку выполняется только работа \ (PV \),

\ [dU = TdS – pdV \ label {DefU} \]

Приведенное выше уравнение является основным уравнением для \ (U \) с натуральными переменными энтропии \ (S \) и объема \ (V \).

Принцип Клаузиуса

Принцип Клаузиуса гласит, что изменение энтропии системы равно отношению теплового потока в обратимом процессе к температуре, при которой этот процесс происходит. Математически это записывается как

\ [dS = \ dfrac {\ delta q_ {rev}} {T} \]

где

• \ (S \) – энтропия системы,
• \ (q_ {rev} \) – тепловой поток обратимого процесса, а
• \ (T \) – температура в Кельвинах.

Энтальпия

Математически энтальпия определяется как

\ [H = U + pV \ label {DefEnth} \]

где \ (H \) – энтальпия системы, p – давление, V – объем. Основное термодинамическое уравнение для энтальпии следует непосредственно из его определения (Equation \ (\ ref {DefEnth} \)) и основного уравнения для внутренней энергии (Equation \ (\ ref {DefU} \)):

\ [dH = dU + d (pV) \] \ [= dU + pdV + VdP \] \ [dU = TdS – pdV \] \ [dH = TdS – pdV + pdV + Vdp \] \ [dH = TdS + Впп \]

Приведенное выше уравнение является основным уравнением для H.Естественными переменными энтальпии являются S и p, энтропия и давление.

Энергия Гиббса

Математическое описание энергии Гиббса выглядит следующим образом:

\ [G = U + pV – TS = H – TS \ label {Defgibbs} \]

где \ (G \) – энергия Гиббса системы. Основное термодинамическое уравнение для энергии Гиббса следует непосредственно из его определения \ (\ ref {Defgibbs} \) и основного уравнения для энтальпии \ (\ ref {DefEnth} \):

\ [dG = dH – d (TS) \] \ [= dH – TdS – SdT \]

С

\ [dH = TdS + Vdp \]

\ [dG = TdS + Vdp – TdS – SdT \]

\ [dG = Vdp – SdT \]

Приведенное выше уравнение является основным уравнением для G.Естественными переменными энергии Гиббса являются p и T, давление и температура.

Энергия Гельмгольца

Математически энергия Гельмгольца определяется как

\ [A = U – TS \ label {DefHelm} \]

где \ (A \) – энергия Гельмгольца системы, которую часто обозначают символом \ (F \). Основное термодинамическое уравнение для энергии Гельмгольца следует непосредственно из его определения (Equation \ (\ ref {DefHelm} \)) и основного уравнения для внутренней энергии (Equation \ (\ ref {DefU} \)):

\ [dA = dU – d (TS) \] \ [= dU – TdS – SdT \]

С

\ [dU = TdS – pdV \]

\ [dA = TdS – pdV -TdS – SdT \]

\ [dA = -pdV – SdT \]

Вышеупомянутое уравнение является основным уравнением для A с натуральными переменными \ (V \) и \ (T \).Для соблюдения определений предполагается, что выполняется только PV, а используются только обратимые процессы . Эти допущения необходимы для сохранения силы первого закона и принципа Клаузиуса. Кроме того, в этих уравнениях не учитывается число молей n в качестве переменной. При включении \ (n \) уравнения выглядят иначе, но суть их значения улавливается без включения зависимости от n.

Химический потенциал

Выведенные выше фундаментальные уравнения не зависели от изменений количества веществ в системе.{N} \ mu_idn_i \]

, где μ _i – химический потенциал вида i, а dn _i – изменение количества молей вещества i.

Важность / актуальность фундаментальных уравнений

Дифференциальные фундаментальные уравнения описывают U, H, G и A в терминах их естественных переменных. Естественные переменные становятся полезными не только для понимания того, как термодинамические величины связаны друг с другом, но и для анализа взаимосвязей между измеряемыми величинами (т.е. P, V, T), чтобы узнать о термодинамике системы. Ниже приведена таблица, в которой суммируются естественные переменные для U, H, G и A:

.

Термодинамическая величина	Натуральные переменные
U (внутренняя энергия)	S, V
H (энтальпия)	S, П
G (энергия Гиббса)	Т, П
А (энергия Гельмгольца)	Т, В

Максвелл Отношения

Основные термодинамические уравнения являются средством вывода соотношений Максвелла ^1,4 .Соотношения Максвелла, в свою очередь, можно использовать для группировки термодинамических функций и соотношений в более общие «семейства» ^2,3 . См. Примеры задач и раздел «Отношения Максвелла» для получения подробной информации.

Список литературы

1. DOI: 10.1063 / 1.1749582
2. DOI: 10.1063 / 1.1749549
3. DOI: 10.1103 / PhysRev.3.273
4. Трактат по физической химии, 3-е изд .; Тейлор, Х.С. и Гласстон, С., ред .; D. Van Nostrand Company: Нью-Йорк, 1942 г .; Vol.1; С. 454-485.

Проблемы

1. Если бы допущения, сделанные в вышеприведенных выводах, не были сделаны, какой бы это отразился? Попробуйте вспомнить примеры, когда эти предположения были бы нарушены. Можно ли по-прежнему использовать определения, принципы и законы, использованные для вывода фундаментальных уравнений? Почему или почему нет?
2. Для какой системы количество родинок не меняется? При этом применимы ли фундаментальные уравнения без зависимости от n к широкому кругу процессов и систем?
3. Выведите отношения Максвелла.
4. Вывести выражение

\ [\ left (\ dfrac {\ partial H} {\ partial P} \ right) _ {T, n} = -T \ left (\ dfrac {\ partial V} {\ partial T} \ right ») _ {P, n} + V \]

Затем примените это уравнение к идеальному газу. Результат кажется разумным?
5. Используя определение энергии Гиббса и условия, наблюдаемые при фазовых равновесиях, выведите уравнение Клапейрона.

ответов

1. Если бы не предполагалось, что PV-работа была единственной выполненной работой, то рабочий член во втором законе уравнения термодинамики включал бы другие члены (например,грамм. для электромонтажных, механических работ). Если бы не предполагались обратимые процессы, нельзя было бы использовать принцип Клаузиуса. Одним из примеров таких ситуаций может быть движение заряженных частиц к области с одинаковым зарядом (электрическая работа) или необратимый процесс, такой как горение углеводородов или трение.
2. В общем, этому описанию подходит замкнутая система не реагирующих компонентов. Например, количество молей не изменится для закрытой системы, в которой газ запечатан (для предотвращения утечек) в контейнере и может расширяться / сжиматься.
3. См. Раздел «Отношения Максвелла».
4. \ ((\ dfrac {\ partial H} {\ partial P}) _ {T, n} = 0 \) для идеального газа. Поскольку взаимодействия между молекулами идеального газа отсутствуют, изменение давления не приведет к образованию или разрыву каких-либо межмолекулярных взаимодействий или связей.
5. См. Третью внешнюю ссылку.

Авторы и авторство

• Андреана Росник, Hope College

Термодинамический анализ цикла Отто

Термодинамика это раздел физики, имеющий дело с энергией и работа системы.Он родился в 19 веке как ученые. впервые открыли, как строить и эксплуатировать паровые двигатели. Термодинамика имеет дело только с крупномасштабный ответ системы которые мы можем наблюдать и измерять в экспериментах. Как аэродинамики, нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки а также высокоскоростные потоки. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный внутреннее сгорание двигатель. Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов с двигателем внутреннего сгорания (IC) , как и двигатель в вашем семейном автомобиле.

Работа двигателя состоит из двух основных частей: механическая операция принадлежащий части двигателя, и термодинамика через который двигатель производит Работа а также власть. На этой странице мы обсуждаем основные термодинамические уравнения, которые позволяют для проектирования и прогнозирования характеристик двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания топливо и воздух воспламеняется внутри цилиндра. Горячий выхлоп толкает поршень, который соединен к коленчатый вал производить мощность. Сжигание топлива не является непрерывным процессом, но происходит очень быстро через равные промежутки времени.Между возгоранием детали двигателя двигаться в повторяющейся последовательности, называемой циклом . Двигатель называется четырехтактным, потому что в нем четыре движения, или удары поршня за один цикл.

На рисунке мы показываем сюжет давление против газа объем на протяжении одного цикла. Мы разорвали цикл на шесть пронумерованные этапы на основе механической операции двигателя. Для идеального четырехтактного двигателя впускной ход (1-2) а также ход выхлопа (6-1) делаются при постоянном давлении и не способствуют генерации мощности двигателем.(гамма – 1)

где p – давление, T – температура, а гамма это соотношение удельные плавки. В течение процесс горения (3-4), объем поддерживается постоянным и выделяется тепло. Изменение температуры составляет дано

T4 = T3 + f * Q / cv

где Q – количество тепла, выделяемое на фунт топлива, которое зависит от топлива, f – соотношение топливо / воздух для сгорания, которое зависит от нескольких факторов. связанные с конструкцией и температурой в камере сгорания, и cv – удельная теплоемкость при постоянном объеме.(1 – гамма)

Между этапом 5 и этапом 6 остаточное тепло переведен к окружающей среде так что температура и давление возвращаются к начальным условиям 1 этап (или 2).

Во время цикла Работа производится на газе поршнем между ступенями 2 и 3. Работа выполняется газ на поршне между ступенями 4 и 5. Разница между работой, проделанной на газ и работа, проделанная с газом, показаны желтым цветом и являются произведенной работой. по циклу. Мы можем рассчитать работу, определив прилегающую площадь по циклу на p-V диаграмме.Но поскольку процессы 2-3 и 4-5 кривые, это сложно. расчет. Мы также можем оценить работу W по разнице тепла в газ минус тепло, отводимое газом. Зная температуры, это более простой расчет.

W = cv * [(T4 – T3) – (T5 – T2)]

Время работы, умноженное на скорость цикла (циклов в секунду cps ), равно в мощность P производится двигателем.

P = W * cps

На этой странице у нас есть показан идеальный цикл Отто , в котором нет поступления тепла (или уходящий) газ при сжатии и силовых тактах, трения нет потери и мгновенное горение, происходящее при постоянном объеме.В реальности, идеального цикла не происходит, и есть много потерь, связанных с каждый процесс. Эти потери обычно учитываются коэффициентами эффективности. которые умножают и видоизменяют идеальный результат. Для реального цикла форма диаграммы p-V аналогичен идеальному, но площадь (работа) равна всегда меньше идеального значения.

---

Деятельность:

---

Экскурсии с гидом

---

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Термодинамические уравнения | Усовершенствованная паровая тяга

Страница в разработке

Эта страница все еще «в разработке».Пожалуйста, свяжитесь с [email protected], если вы хотите помочь, разместив текст на этой или любой другой странице.

Номенклатура термодинамики:

T = температура ( o K)

V = объем системы (кубические метры)

P или p = давление на границе системы и ее окружающей среды (в паскалях)

W = работа, выполняемая системой или над системой (джоули)

Q = теплопередача в системе или из системы (джоули)

q = удельная теплопередача в системе или из нее (джоулей на кг)

U = внутренняя энергия системы, в основном содержащаяся в твердых и жидких компонентах (джоули)

u = удельная внутренняя энергия системы (джоулей на кг)

H = энтальпия системы (джоули)

ч = удельная энтальпия (джоуль на кг)

S = энтропия (джоуля на o K)

с = удельная энтропия (джоулей на кг на o K)

n = коэффициент теплоемкости (= C v / C p )

Уравнения термодинамики:

Термодинамика уравнений может быть трудно понять.Ниже приводится упрощенное резюме, в котором термин «система» может быть приравнен к цилиндру паровоза:

Первый закон термодинамики (сохранение энергии) можно выразить как « Увеличение внутренней энергии системы = тепла, подаваемого в систему, за вычетом энергии, которая истекает в форме Работы, которую система выполняет на нем среду »[см. Википедию]. В данном случае внешней «средой» является поршень локомотива, поэтому определение можно сформулировать уравнением:

δU = Q – W _{поршень} ………… (1)

, что также можно записать:

dU = dQ – dW _{поршень} ……….(1а)

Однако работа, проделанная с системой (цилиндром локомотива) путем изменения ее объема, составляет dW = p.dV , отсюда:

dU = dQ – p.dV …………. (1b)

Если процесс (расширение пара) предполагается адиабатическим – то есть без теплопередачи внутрь или наружу, то dQ = 0 , откуда

dU = – p.dV ………………. (1c)

Однако Энтальпия (см. Отдельную страницу) определяется как сумма внутренней энергии системы плюс произведение ее давления и объема – i.е.

H = U + P.V …………… .. (2)

, из которого изменение энтальпии может быть определено (путем дифференцирования) как

dH = dU + p.dV + V.dp …………… .. (2a)

Таким образом, объединив уравнений (1c) и (2a), мы получим ( для адиабатического расширения ): dH = -p.dV + p.dV + V.dp, или

dH = V.dp …………… .. (3)

Объединение уравнений (1c) и (3) дает:

dH / dU = – V.dP / P.dV …………….. (4)

---

Второй закон термодинамики (тепло всегда течет в области с более низкой температурой) можно выразить как « изменение энтропии ( S) системы – это бесконечно малая передача тепла ( Q) к замкнутая система, управляющая обратимым процессом, деленная на равновесную температуру ( T) системы »[ссылка на Википедию]. Это определение формулируется уравнением:

dS = δQ / T или dQ = T.DS ……………… (5)

Комбинируя уравнение (4) с (1b), можно получить изменение внутренней энергии по формуле:

dU = T.dS – p.dV …………………………. (6)

Законы идеального газа (из физики): Закон идеального газа определяется уравнением:

pV ⁿ = k …………………………. (7)

, где n – «коэффициент теплоемкости»: n = C _p / C _v = – V.dp / p.dV [ссылка Википедия]

Таким образом, из уравнения (4):

n = dH / dU

———— Страница в процессе по состоянию на 10 марта 2011 г. ———–

Таблица формул главы 6 | Термодинамика

	Формула	шт.
Всего работ
Тепловой КПД
Тепловой КПД Карно
Чистая мощность теплового двигателя
Коэффициент полезного действия
Тепловой насос Real
Рейтинг энергоэффективности
Неравенство Клаузиуса
Энтропия		кДж / К
Изменение энтропии		кДж / К
Удельная энтропия		кДж / К
Изменение энтропии		кДж / К
Цикл Карно	Изотермический теплообмен:
	Обратимая адиабатика (изэнтропический процесс):
	Обратимый изотермический процесс:
	Обратимая адиабатика (изэнтропический процесс): уменьшение энтропии в процессе 3-4 = увеличение энтропии в процессе 1-2.
Обратимый процесс теплопередачи
Генерация энтропии
Принцип увеличения энтропии
Изменение энтропии
Твердые вещества и жидкости
Идеальный газ	Постоянный объем: Постоянное давление: Постоянная удельная теплоемкость:
Стандартная энтропия
Изменение стандартной энтропии
Идеальный газ в изэнтропическом процессе
Обратимый политропный процесс для идеального газа
Работа
Значения для n

Формулы Кубо для коэффициентов термодинамического переноса

[1]

C.Гейл, С. Чон и Б. Шенке, Гидродинамическое моделирование столкновений тяжелых ионов , Int. J. Mod. Phys. A 28 (2013) 1340011 [arXiv: 1301.5893] [INSPIRE].

[2]

С. Чон и У. Хайнц, Введение в гидродинамику , Int. J. Mod. Phys. E 24 (2015) 1530010 [arXiv: 1503.03931] [INSPIRE].

[3]

Р. Байер, П. Роматшке, Д. Т. Сон, А.О. Старинец, М.А.Стефанов, Релятивистская вязкая гидродинамика, конформная инвариантность и голография , JHEP 04 (2008) 100 [arXiv: 0712.2451] [INSPIRE].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[4]

С. Бхаттачарья, В.Е. Хубени, С. Минвалла и М. Рангамани, Нелинейная гидродинамика от силы тяжести , JHEP 02 (2008) 045 [arXiv: 0712.2456] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS Статья Google ученый

[5]

К. Йенсен, М. Камински, П. Ковтун, Р. Мейер, А. Ритц и А. Яром, Гидродинамика с нарушением четности в 2 + 1 измерениях , JHEP 05 (2012) 102 [arXiv: 1112.4498] [INSPIRE].

[6]

Н. Банерджи, Дж. Бхаттачарья, С. Бхаттачарья, С. Джайн, С. Минвалла и Т. Шарма, Ограничения на динамику жидкости из равновесных функций распределения , JHEP 09 (2012) 046 [arXiv: 1203.3544] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[7]

К. Йенсен, М. Камински, П. Ковтун, Р. Мейер, А. Ритц и А. Яром, К гидродинамике без энтропийного тока , Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 101601 [arXiv: 1203.3556] [INSPIRE].

ADS Статья Google ученый

[8]

S.Бхаттачарья, Ограничения на коэффициенты переноса второго порядка незаряженной жидкости , JHEP 07 (2012) 104 [arXiv: 1201.4654] [INSPIRE].

ADS Google ученый

[9]

F.M. Хаэль, Р. Логанаягам и М. Рангамани, Адиабатическая гидродинамика: восьмеричный путь к диссипации , JHEP 05 (2015) 060 [arXiv: 1502.00636] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[10]

Г.Д. Мур и К.А. Sohrabi, Формулы Кубо для гидродинамических коэффициентов второго порядка , Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 122302 [arXiv: 1007.5333] [INSPIRE].

ADS Статья Google ученый

[11]

П.Арнольд, Д. Ваман, К. Ву и В. Сяо, Гидродинамические коэффициенты второго порядка из 3 -точечных корреляторов тензора напряжений через AdS / CFT , JHEP 10 (2011) 033 [arXiv: 1105.4645] [INSPIRE].

[12]

Г.Д. Мур и К.А. Sohrabi, Термодинамические гидродинамические коэффициенты второго порядка , JHEP 11 (2012) 148 [arXiv: 1210.3340] [INSPIRE].

ADS Статья Google ученый

[13]

П.Romatschke, D.T. Son, Спектральные правила сумм для кварк-глюонной плазмы , Phys. Сборка D 80 (2009) 065021 [arXiv: 0903.3946] [INSPIRE].

[14]

Э. Мегиас и М. Валле, Статистическая сумма второго порядка невзаимодействующей хиральной жидкости в измерениях 3 + 1 , JHEP 11 (2014) 005 [arXiv: 1408.0165] [INSPIRE].

[15]

М.Бузцеголи, Э. Гросси и Ф. Бекаттини, Гидродинамические коэффициенты второго порядка общего равновесия для свободных квантовых полей , JHEP 10 (2017) 091 [ Erratum ibid. 07 (2018) 119] [arXiv: 1704.02808] [INSPIRE].

[16]

С. Чепмен, К. Хойос и Й. Оз, Сверхтекучие формулы Кубо из статистической суммы , JHEP 04 (2014) 186 [arXiv: 1310.2247] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[17]

О. Филипсен, К. Шефер, Гидродинамический коэффициент переноса κ второго порядка для глюонной плазмы из решетки , JHEP 02 (2014) 003 [arXiv: 1311.6618] [INSPIRE].

ADS Статья Google ученый

[18]

S.И. Финаццо, Р. Ружмонт, Х. Маррочио и Дж. Норонья, Коэффициенты гидродинамического переноса для неконформной кварк-глюонной плазмы из голографии , JHEP 02 (2015) 051 [arXiv: 1412.2968] [INSPIRE].

ADS Google ученый

[19]

С. Бхаттачарья, Энтропийный ток из функции распределения: один пример , JHEP 07 (2014) 139 [arXiv: 1403.7639] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS Статья Google ученый

[20]

К. Йенсен, Р. Логанаягам и А. Яром, Аномальный приток и тепловое равновесие , JHEP 05 (2014) 134 [arXiv: 1310.7024] [INSPIRE].

ADS Статья Google ученый

[21]

П. Ковтун, Термодинамика поляризованной релятивистской материи , JHEP 07 (2016) 028 [arXiv: 1606.01226] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[22]

Р. Толман и П. Эренфест, Температурное равновесие в статическом гравитационном поле , Phys. Сборка 36 (1930) 1791 [INSPIRE].

ADS Статья Google ученый

[23]

М.Дж. Дафф, Двадцать лет аномалии Вейля , класс .Quant. Грав. 11 (1994) 1387 [hep-th / 9308075] [INSPIRE].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[24]

J.F. Fuini, L.G. Yaffe, Далекая от равновесной динамики сильно связанной неабелевой плазмы с ненулевой плотностью заряда или внешним магнитным полем , JHEP 07 (2015) 116 [arXiv: 1503.07148] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[25]

К. Элинг, Й. Оз, С. Тайзен и С. Янкилович, Конформные аномалии в гидродинамике , JHEP 05 (2013) 037 [arXiv: 1301.3170] [INSPIRE].

ADS Статья Google ученый

[26]

M.L. Bellac, Теория теплового поля , Cambridge University Press, Cambridge, U.К., (1996) [ВДОХНОВЕНИЕ].

[27]

J.I. Капуста и К. Гейл, Теория поля при конечных температурах , Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания, (2011) [INSPIRE].

[28]

L.E. Паркер и Д. Томс, Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени , Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания, (2009) [INSPIRE].

[29]

Дж. Эрнандес и П. Ковтун, Релятивистская магнитогидродинамика , JHEP 05 (2017) 001 [arXiv: 1703.08757] [ВДОХНОВЕНИЕ].

ADS MathSciNet Статья МАТЕМАТИКА Google ученый

[30]

П. Ковтун, Лекции по гидродинамическим флуктуациям в релятивистских теориях , J. Phys. A 45 (2012) 473001 [arXiv: 1205.5040] [INSPIRE].

Термодинамическое понимание вирусных инфекций 2: эмпирические формулы, молекулярный состав и термодинамические свойства вирусов SARS, MERS и SARS-CoV-2 (COVID-19)

Текущая ситуация с пандемией SARS-CoV-2 указывает на важность новых подходов в разработке вакцин.Для разработки новых аттенуированных вакцин, снижающих вирулентность вирусов дикого типа, важно понимать, что позволяет вирусу нарушать метаболизм своей клетки-хозяина, свойство всех вирусов. Последовательности РНК и белков, полученные из баз данных, были использованы для подсчета количества атомов каждого элемента в вирионах SARS, MERS и SARS-CoV-2. Количество копий белка и углеводный состав взяты из литературы. Количество липидных молекул оценивали по площади поверхности оболочки.На основе элементного состава уравнения роста были сбалансированы, а термодинамические свойства вирусов были определены с использованием уравнений Пателя-Эриксона и Бэтти. Обнаружены элементный и молекулярный состав SARS, MERS и SARS-CoV-2, а также их стандартные термодинамические свойства образования и роста. Стандартная энергия Гиббса роста вирусных нуклеокапсидов оказалась значительно более отрицательной, чем у их ткани хозяина. Отношение энергий Гиббса роста нуклеокапсидов вируса и клетки-хозяина больше единицы.Более отрицательная энергия Гиббса роста вирусов подразумевает, что размножение вирусов имеет большую движущую силу, чем синтез компонентов клетки-хозяина, что дает физическое объяснение того, почему вирусы могут нарушать метаболизм своей клетки-хозяина. Знание механизма нарушения вирусного метаболизма может открыть новые пути для разработки вакцины. Манипулируя химическим составом вирусов, вирулентность можно уменьшить, сделав энергию Гиббса их роста менее отрицательной, что приведет к снижению скорости размножения при сохранении антигенных свойств.

Ключевые слова: Биофизика; Энергия Гиббса; MERS; Микробиология; ОРВИ; SARS-CoV-2; Термодинамика; Вирусное заболевание; Вирусология; Скорость размножения вирусов; Вирусы.

Правила термохимических уравнений

Термохимические уравнения подчиняются некоторым легко запоминающимся правилам, которые делают их полезными для приложений, которые будут использоваться позже в этом модуле.

1.Если у определенного процесса есть изменение энтальпии DH, обратный процесс имеет изменение энтальпии -DH.

H ₂ O (т) H ₂ O (л) DH = 6,00 кДж

Например, чтобы превратить один моль льда в жидкую воду, требуется ввести 6,00 кДж энтальпии. Таким образом, жидкая вода имеет на 6,00 кДж больше энтальпии, чем лед. Если должен произойти обратный процесс – замораживание воды до льда, вода должна потерять эту энтальпию. Таким образом, при замораживании одного моля жидкой воды до льда изменение энтальпии составляет -6.00 кДж.

Между прочим, как вы можете видеть, энтальпия и другие термодинамические изменения во многом зависят от фаз реагентов и продуктов в термохимическом уравнении. Поэтому при написании термохимических уравнений необходимо всегда тщательно указывать фазы.

Примечание: процесс с положительной температурой DH называется эндотермическим . Процесс с отрицательной температурой DH называется экзотермическим . Таким образом, обратный эндотермический процесс является экзотермическим, а обратный экзотермический процесс является эндотермическим.

2. Умножение термохимического уравнения на константу также умножает термодинамическую величину на эту константу.

Если для плавления одного моля льда требуется 6,00 кДж энтальпии, то потребуется 2 * 6,00 или 12,0 кДж, чтобы растопить два моля льда, и 0,5 * 6,00 или 3,00 кДж, чтобы растопить 0,5 моль льда.

3. Термодинамическая величина для реакции применяется как , так как уравнение записывается как . Таким образом, его можно использовать как стехиометрическое соотношение с любым из реагентов или продуктов реакции.Например, в реакции:

H ₂ (г) + Cl ₂ (г) 2 HCl (г) DHº = -183 кДж

Вы можете использовать -183 кДж / моль H ₂ , -183 кДж / моль Cl ₂ или -183 кДж / 2 моль HCl в качестве стехиометрических соотношений в задаче фактор-метка.