Первый закон термодинамики — ЗФТШ, МФТИ
Внутренняя энергия тела (термодинамической системы) может меняться при совершении работы и в процессе теплопередачи. Закон сохранения и превращения энергии, распространённый на тепловые явления, называется первым законом термодинамики (первым началом термодинамики) и записывается в виде
Здесь $$ Q$$ – количество теплоты, сообщённое системе. $$ Q$$ считается положительным, если система в процессе теплопередачи получает энергию, и отрицательным, если отдаёт энергию, $$ ∆U$$ – изменение внутренней энергии системы, $$ A$$ – работа, совершаемая системой над окружающими телами. В зависимости от характера процесса $$ Q$$, $$ ∆U$$ и $$ A$$ могут быть любого знака и даже нулевыми.
Покажем, что для любого идеального газа (одноатомного, двухатомного, многоатомного) изменение внутренней энергии $$ ∆U$$ в любом процессе можно находить по формуле
Здесь $$ Q$$ – изменение температуры в этом процессе, $$ \nu $$ – число молей газа, $$ {c}_{V}$$ – молярная теплоёмкость газа при постоянном объёме.
У идеального газа при $$ T=0$$ значение внутренней энергии полагается равным нулю. Если считать ещё, что $$ {c}_{V}$$ не зависит от температуры, т. е. `c_V=”const”`, то можно записать, что
Найдём значение молярной теплоёмкости при постоянном объёме у одноатомного идеального газа. Поскольку $$ ∆U=\nu {c}_{V}∆T$$ и $$ ∆U={\displaystyle \frac{3}{2}}R\nu ∆T$$, то $$ {c}_{V}={\displaystyle \frac{3}{2}}R$$. Интересно заметить, что молярная теплоёмкость при постоянном объёме у всех одноатомных идеальных газов получилась одна и та же:
Оказывается, что молярные теплоёмкости при постоянном объёме у всех двухатомных идеальных газов равны $$ {\displaystyle \frac{5}{2}}R$$, а у трёхатомных и многоатомных (атомы у которых расположены не на одной прямой) – $$ 3R$$. Удельные же теплоёмкости у всех одноатомных идеальных газов различные и зависят от молярной массы. Аналогично для двухатомных и многоатомных газов. Заметим, что указанные значения молярной теплоёмкости верны, если температура газа не слишком велика, и поэтому колебания атомов в молекуле не учитываются.
Приведём полезную таблицу с выражениями для молярной теплоёмкости $$ {c}_{V}$$ и средней кинетической энергии `barE` поступательного и вращательного движений молекулы у одноатомного, двухатомного и многоатомного идеального газа (в этой таблице $$ k$$ – постоянная Больцмана):
| Газ | |||
| одноатомный | двухатомный | многоатомный | |
| `barE` | `3/2kT` | `5/2kT` | `3kT` |
| `c_V` | `3/2R` | `5/2R` | `3R` |
В заключение выведем уравнение Роберта Майера
связывающее молярные теплоёмкости при постоянном давлении $$ {c}_{p}$$ и постоянном объёме $$ {c}_{V}$$ для любого идеального газа.
Энергетическое образование
2. Основные законы термодинамики
В технической термодинамике используются три основные функции состояния: удельная внутренняя энергия $u$, удельная энтальпия $h$ и удельная энтропия $s$.
{v_2} p\mathrm{d}v.$$
Для нахождения удельной работы изменения объема по выражению выше надо знать функциональную связь между $p$ и $v$ в ходе процесса. Для анализа работы рабочего тела удобно пользоваться диаграммой $p-v$.
Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения энергии, примененный к процессам, протекающим в термодинамических системах. Этот закон можно сформулировать так: энергия изолированной термодинамической системы остается неизменной независимо от того, какие процессы в ней протекают. Для незамкнутого термодинамического процесса, протекающего в простейшей изолированной системе, состоящей из источника теплоты, рабочего тела и объекта работы, уравнение баланса энергии примет вид:
$$\mathrm{d}q=\mathrm{d}u+\mathrm{d}l.$$
или
$$\mathrm{d}q=\mathrm{d}u+p\mathrm{d}v.$$
Последнее выражение можно видоизменить, введя в него энтальпию и техническую работу:
$$\mathrm{d}q=\mathrm{d}u+\mathrm{d}(pv)-vd\mathrm{d}=\mathrm{d}(u+pv)-vd\mathrm{d}=\mathrm{d}h+\mathrm{d}l’.
{p_2} v \mathrm{d}p.$$
Второй закон термодинамики определяет напавление, в котором протекают процессы, устанавливает условия преобразования тепловой энергии в механическую, а также определяет максимальное значение работы, которое может быть произведена тепловым двигателем.
Второй закон термодинамики математически может быть выражен следующим образом:
Знак неравенства соответствует необратимым процессам, а знак равенства – обратимым. Следовательно, аналитическое выражение второго закона термодинамики для бесконечно малого обратимого процесса имеет вид:
$$\mathrm{d}q=T\mathrm{d}s.$$
Тогда согласно первому закону термодинамики:
$$T\mathrm{d}s=\mathrm{d}u+p\mathrm{d}v.$$
Удельная энтропия – функция состояния термодинамической системы, определяемая тем, что ее дифференциал $\mathrm{d}s$ при элементарном равновесном (обратимом) процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты $\mathrm{d}q$, сообщенной системе, к термодинамической температуре $T$ системы:
$$\mathrm{d}s=\frac{\mathrm{d}q}{T}.
p \frac{R}{p} \mathrm{d}p.$$
Максимальная полезная работа, которую может произвести система – это часть максимальной работы за вычетом работы, затрачиваемой на сжатие окружающей среды:
$$l_{max}=l-l_0.$$
Предположим далее, что температура $T_0$ и давление $p_0$ окружающей среды неизменны или, во всяком случае, не зависят от того, сообщается ли теплота среде или забирается у нее. Поскольку в общем случае $p≠p_0$ и $T≠T_0$, то рассматриваемая изолированная система неравновесна и, следовательно, способна произвести работу.
Учитывая первый закон термодинамики, можно написать выражение для максимальной полезной работы изолированной системы:
$$l_{max}=(u-u_0 )+p_0·(v-v_0 )-T_0·(s-s_0 ).$$
Как видно из этого соотношения, максимальная полезная работа системы однозначно определяется начальными параметрами источника работы и параметрами окружающей среды.
Эксергия. Максимальную полезную работу (работоспособность) в современной термодинамике принято называть эксергией. В данном случае величина $l_{max}$ – это эксергия источника работы.
Законы термодинамики | Определения и факты
- Ключевые люди:
- Уильям Томсон, барон Кельвин
- Похожие темы:
- второй закон термодинамики сохранение энергии четвертый закон термодинамики нулевой закон термодинамики третий закон термодинамики
См. весь связанный контент →
законы термодинамики , четыре соотношения, лежащие в основе термодинамики, раздел физики, касающийся теплоты, работы, температуры и энергии.
Нулевой закон термодинамики
Первый и второй законы были формально сформулированы в работах немецкого физика Рудольфа Клаузиуса и шотландского физика Уильяма Томсона около 1860 года.
Третий закон был разработан немецким химиком Вальтером Нернстом с 1906 по 1912 год. понял, что для полного описания изменений энергии в системах необходим еще один закон. Этот «закон» был основным пониманием, которое всегда считалось истинным, но его нужно было официально изложить. Поскольку остальные три закона уже были пронумерованы, а дополнительный закон является основой для остальных трех, Ральф Фаулер в XIX веке назвал его нулевым законом термодинамики.30 с.
Закон гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии каждое с третьим телом, они также должны находиться в равновесии друг с другом. Это означает, что если два объекта имеют одинаковую температуру и находятся в тепловом равновесии с другим объектом, то этот третий объект также имеет ту же температуру, что и два других объекта. Это свойство делает целесообразным использование термометров в качестве «третьего тела» и для определения температурной шкалы.
Первый закон термодинамики
В изолированной системе полная энергия системы постоянна, даже если энергия была преобразована из одной формы в другую.
(Это еще одна формулировка закона сохранения энергии.) Если система не изолирована, то изменение внутренней энергии системы Δ U равно разнице между теплотой Q , переданной системе от ее окружение и работа W , проделанная системой над своим окружением; то есть Δ U = Q − Вт .
Второй закон термодинамики
энтропия и стрела времени
Посмотреть все видео к этой статьеТепло не перетекает самопроизвольно из более холодной области в более горячую; или, что то же самое, теплота при данной температуре не может быть полностью преобразована в работу. Следовательно, энтропия (мера беспорядка материала) замкнутой системы, или тепловая энергия на единицу температуры, со временем увеличивается до некоторого максимального значения. Таким образом, все закрытые системы стремятся к равновесному состоянию, в котором энтропия максимальна и нет энергии для выполнения полезной работы.
Третий закон термодинамики
Энтропия изолированной системы приближается к постоянному значению, когда температура системы приближается к абсолютному нулю (-273,15 °C или -459,67 °F).
На практике эта теорема подразумевает невозможность достижения абсолютного нуля, поскольку по мере приближения системы к абсолютному нулю дальнейшее извлечение энергии из этой системы становится все более и более трудным.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Кен Стюарт
Законы термодинамики | Учебники
Основные понятия
Существуют три фундаментальных закона термодинамики, которые касаются движения и передачи энергии. Давайте узнаем о них в этом уроке. Мы обсудим первый закон термодинамики, второй закон термодинамики и третий закон термодинамики.
Простые законы термодинамики
Что такое термодинамика?
Термодинамика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь между теплом, работой и энергией. Он касается способов, которыми теплота может быть преобразована в работу, и влияния этого преобразования на свойства материи.
Проще говоря, термодинамика имеет дело с тем, как ведет себя тепло и как его можно использовать для выполнения работы.
Например, если вы потрите руки друг о друга, вы создадите тепло, преобразовывая энергию своих движений в тепло. Затем это тепло можно использовать для согревания рук.
Хороший способ понять термодинамику — подумать о четырех законах термодинамики. Эти законы описывают основные принципы, управляющие поведением тепла и энергии.
Термодинамика — увлекательная и важная область исследования, имеющая множество практических применений в реальном мире. Это помогает нам понять поведение тепла и энергии и позволяет нам проектировать системы, которые могут эффективно преобразовывать тепло в работу.
Простое объяснение первого закона термодинамики
Первый закон термодинамики — это основной принцип физики, описывающий взаимосвязь между энергией и теплом. В нем говорится, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только передана или преобразована из одной формы в другую. Другими словами, общее количество энергии в системе остается постоянным, даже если эта энергия передается или преобразуется.
Простой способ понять первый закон термодинамики — представить себе закрытую систему, например герметичный контейнер с газом внутри. Если к газу добавить тепло, температура газа повысится, и газ расширится, совершая работу над окружающей средой. Это увеличение температуры и давления газа связано с передачей тепла от окружающей среды к газу. Первый закон термодинамики говорит нам, что общее количество энергии в системе (газе и его окружении) остается постоянным, даже если тепло передается от окружения к газу.
Другими словами, первый закон термодинамики можно рассматривать как утверждение о сохранении энергии. Он говорит нам, что энергия всегда сохраняется, даже когда она передается или преобразуется из одной формы в другую. Этот принцип имеет множество важных применений в различных областях, включая термодинамику, инженерию и химию.
Второй закон термодинамики Простое объяснение
Второй закон термодинамики — это основной принцип физики, описывающий поведение тепла и направление, в котором оно течет.
Он утверждает, что тепло всегда будет перетекать от более горячего объекта к более холодному и что этот процесс необратим.
Проще говоря, второй закон термодинамики говорит нам, что тепло всегда переходит от более горячих объектов к более холодным и что невозможно преобразовать тепло в работу со 100% эффективностью. Например, если у вас есть чашка горячего кофе и чашка холодной воды, тепло от кофе естественным образом перейдет в холодную воду, в результате чего кофе остынет, а вода нагреется. Этот процесс необратим, то есть вы не можете обратить его вспять, просто перемешав чашки или содержимое.
Хороший способ понять второй закон термодинамики — подумать о концепции энтропии. Энтропия — это мера беспорядка или случайности в системе. Второй закон термодинамики говорит нам, что энтропия замкнутой системы всегда будет возрастать с течением времени. Другими словами, естественная тенденция любой системы состоит в том, чтобы стать более неупорядоченной и случайной.
Например, если у вас есть герметичный контейнер с газом внутри, молекулы газа будут беспорядочно перемещаться и сталкиваться друг с другом.
Со временем газ будет становиться все более и более неупорядоченным, а энтропия системы будет возрастать. Это увеличение энтропии является результатом второго закона термодинамики, который говорит нам, что тепло всегда будет перетекать от более горячих объектов к более холодным, и что этот процесс необратим.
В целом, второй закон термодинамики является фундаментальным принципом физики, который имеет множество важных приложений в различных областях, включая термодинамику, инженерию и химию. Это помогает нам понять поведение тепла и направление, в котором оно течет, и позволяет нам проектировать системы, которые могут эффективно преобразовывать тепло в работу.
Простое объяснение третьего закона термодинамики
Третий закон термодинамики — это фундаментальный принцип физики, описывающий поведение энтропии при очень низких температурах. В нем говорится, что по мере того, как температура системы приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимальному значению.
Проще говоря, третий закон термодинамики говорит нам, что по мере того, как температура системы становится все ближе и ближе к абсолютному нулю, энтропия системы будет приближаться к постоянному минимальному значению. Абсолютный ноль — это самая низкая возможная температура, равная -273,15 градуса Цельсия или -459,67 градуса по Фаренгейту. При этой температуре частицы в системе перестают двигаться, и система приходит в состояние полного беспорядка и хаотичности.
Хороший способ понять третий закон термодинамики — подумать о концепции энтропии. Энтропия — это мера беспорядка или случайности в системе. Третий закон термодинамики говорит нам, что когда температура системы приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимальному значению.
Например, если у вас есть герметичный контейнер с газом внутри, молекулы газа будут беспорядочно двигаться и сталкиваться друг с другом. По мере понижения температуры газа молекулы газа будут двигаться все медленнее и медленнее, и энтропия системы будет уменьшаться.
В конце концов, когда температура приблизится к абсолютному нулю, молекулы газа вообще перестанут двигаться, и энтропия системы достигнет постоянного минимального значения.
В целом, третий закон термодинамики является фундаментальным принципом физики, который имеет множество важных приложений в различных областях, включая термодинамику, инженерию и химию. Это помогает нам понять поведение энтропии при очень низких температурах и позволяет нам предсказывать поведение систем по мере их приближения к абсолютному нулю.
Что такое система?
Прежде чем углубляться в три закона термодинамики, важно понять концепцию системы и ее окружения.
Термодинамика становится намного проще, когда проводится четкая граница. Все, что находится внутри границы, называется «системой», а все, что находится за ее пределами, называется «окружением». После того, как диаграмма границ нарисована, движение и передача энергии могут быть охарактеризованы потоком через границы системы .
Термин «вселенная» является всеобъемлющим. Другими словами, относится как к системе, так и к окружению.
Типы систем
В зависимости от типа права и обменов существует три типа систем: открытые системы, закрытые системы и изолированные системы. Во-первых, в открытой системе происходит обмен как веществом, так и энергией. Далее, в замкнутой системе происходит не обмен веществом, а некоторый обмен энергией. Наконец, в открытой системе происходит обмен как веществом, так и энергией. Понимание различий между этими системами имеет решающее значение для понимания законов термодинамики.
Что такое термодинамика?
Термодинамика — это раздел физики, изучающий отношения между работой, теплом, температурой и энергией. Кроме того, термодинамика рассматривает науку о том, как тепловая энергия преобразуется между формами энергии и как тепловая энергия влияет на материю. Тепловая энергия определяется как энергия, полученная от тепла.
Законы термодинамики: первый
Первый закон термодинамики резюмируется следующим образом: энергия не может быть создана или уничтожена .
Другими словами, полная энергия Вселенной должна оставаться постоянной или сохраняться.
∆U вселенная = 0
Однако важно отметить, что энергия принимает разные формы. Другой способ переформулировать первый закон – сказать, что изменение энергии равно тепловому потоку через систему (Q) плюс работа, выполненная над системой или системой (W).
∆E система = Q + W
∂E = ∂ Q + ∂ Вт в дифференциальной форме
Итак, теплота и работа — это два процесса, которые могут изменить внутреннюю энергию системы. Если в систему поступает тепло, то Q положительна. Это означает, что система получает тепло, а окружающая среда теряет такое же количество тепла (эндотермическая реакция). Если теплота уходит из системы, то Qотрицательно. Это означает, что потери тепла системой равны по величине теплу, полученному окружающей средой (экзотермическая реакция).
Та же идея для работы. Если окружение действует на систему, то работа положительна. Если система работает над своим окружением, то работа отрицательна. В любом случае полная энергия сохраняется. Это кратко изложено ниже:
Законы термодинамики: Второй закон
Второй закон термодинамики касается энтропии и в некоторой степени ограничивает первый закон. Согласно второму закону, энтропия самопроизвольного процесса должна возрастать, а энтропия Вселенной как изолированной системы всегда должна возрастать. Это связано с тем, что достижение максимальной энтропии означает, что система находится в равновесии. Все системы всегда пытаются достичь равновесия и увеличить свою свободную энергию Гиббса.
∆S вселенная > 0
Процессы могут допускать уменьшение энтропии системы, но в этом случае энтропия окружающей среды будет увеличиваться. Это не нарушает второй закон.
∆S universe = ∆S system + ∆S surroundings
Spontaneous Processes
A spontaneous process is one that occurs without any input.
Согласно второму закону термодинамики при самопроизвольном процессе энтропия должна возрастать. Под энтропией можно понимать либо достижение равновесия, либо увеличение беспорядка в системе.
Примером самопроизвольного процесса является переход тепла от горячего тела к холодному. Тепло будет естественным образом переходить от горячего к холодному без какого-либо внешнего воздействия, потому что вся система пытается достичь равномерной температуры.
По мере того, как тепло покидает горячую систему, его собственная энтропия уменьшается, а затем, когда тепло поступает в холодную систему, его энтропия увеличивается. Это спонтанный процесс.
С другой стороны, неспонтанный процесс — это процесс, в котором энтропия уменьшается.
Обратите внимание, что спонтанность не относится к скорости! Это относится к процессу, который происходит естественным образом без вмешательства. Самопроизвольный процесс может иметь очень низкую скорость реакции.
Законы термодинамики: третий
Третий закон термодинамики утверждает, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда ее температура приближается к абсолютному нулю.