Закон термодинамики. Теплоёмкость вещества

Количество теплоты - энергия, переданная системе внешними телами путем теплообмена(процесс обмена внутренними энергиями при контакте тел с разными температурами). Можно говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии, применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных.
Первое начало термодинамики : теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил. В дифференциальной форме уравнение будет иметь вид :
Или в более корректной форме: ,
где – бесконечно малое изменение внутренней энергии системы,
– элементарная работа,
- бесконечно малое количество теплоты.
В СИ количество теплоты измеряется в джоулях (Дж).
Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение её внутренней энергии . Тогда, согласно первому началу термодинамики, .


Удельная теплоемкость вещества – величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания одного килограмма на один Кельвин: ,
Единица удельной теплоемкости: джоуль на кг-кельвин (Дж/(кг*К)).


Молярная теплоемкость – величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моль вещества на 1 К: ,
где количество вещества.
Единица молярной теплоемкости: джоуль на моль-кельвин (Дж/(моль*К)).
Удельная теплоемкость с связана с молярной С_m отношением: , где
М – молярная масса в-ва.

Молярная теплоемкость газа при постоянном объеме равна изменению внутренней энергии 1 моль газа при повышении его температуры на 1 К. Тогда:

Уравнение Майера: оно показывает, что С_P всегда больше С_V на величину молярной газовой постоянной.



Использовав уравнение: ,
Уравнение Майера можно записать в виде:



При рассмотрении термодинамических процессов важно знать характерное для каждого газа отношение C_P к C_V :


17. Второй закон термодинамики. Тепловые машины, их КПД. Цикл Карно.
Второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает. Можно дать более краткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает.
Формулой Больцмана ( ) позволяет объяснить постулируемой вторым началом термодинамики возрастание энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах: возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния. Таким образом, формула Больцмана позволяет дать статистическое толкование второго начала термодинамики.
Укажем еще 2 формулировки второго начала термодинамики:

1. 
   по Кельвину: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.
   
2. 
   по Клаузиусу: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.
   

Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты,- невозможен.
Французский инженер и физик Карно показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее 2х источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики. Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему: из всех периодических действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольшим КПД обладают обратимые машины, при этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами),а определяются только температурами нагревателя и холодильника.
Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из 2х изотерм и 2х адиабат. Его называют циклом Карно. Прямой цикл Карно: в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем. Для цикла Карно КПД действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его увеличения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин, тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть – получается за счет механической работы.
Теорема Карно послужила основанием для установления термодинамической шкалы температур. Для сравнения температур необходимо осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тело используется в качестве нагревателя, другое – холодильника.
18. Строение и свойства жидкостей. Поверхностное натяжение. Давление Лапласа. Капиллярные явления.
Жидкость является агрегатным состоянием в-ва, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых в-в. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны , и газ занимает предоставленный ему объем. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия хаотического (теплового) движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.
Характер расположения частиц жидкости промежуточен между твердым телом и газом. В газах молекулы движутся хаотично. Для твердых тел наблюдается дальний порядок в расположении частиц. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок.
Молекулярное(внутреннее)давление- результирующие силы всех молекул поверхностного слоя, оказывающие давление на жидкость. Молекулярное давление не действует на тело, помещенное в жидкость, т.к. оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости.