Количество теплоты не является функцией состояния.

Лекция 13. ЗАДАЧА ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ. РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ. КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Задача термодинамики: изучить состояние системы и макропроцессы в ней, исходя из общих принципов (начал) без выяснения микроскопических механизмов изучаемых явлений.

Равновесным называется состояние системы, при котором макропараметры по всей системе имеют одно и то же значение, поэтому на графиках зависимости макропараметров друг от друга равновесное состояние изображается точкой (рис. 1).

(1)

Процессом в термодинамике называется переход системы из одного состояние в другое.

Квазистатический процесс (равновесный) представляется непрерывной последовательностью промежуточных равновесных состояний.Число параметров для описания то же, что и для равновесного состояния. Графическое изображение – кривая.

Неравновесный процесс – промежуточные состояния неравновесные.Для описания требуется бесконечное множество параметров. Графически не изображается.

Обратимым называется процесс, для которого возможен обратный переход из конечного состояния в начальное состояние через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе (рис. 2).

Свойства обратимого процесса:

1)нет изменений в окружающей среде, если в прямом процессе тепло поглощается, то в обратном выделяется, и наоборот;

2)внешнее давление равно внутреннему, работа внешних равна по модулю работе внутренних сил;

3) при бесконечно малом изменении параметров

направление процесса изменяется.

Изопроцессами называются процессы, при которых один из макропараметров остается постоянным.

Для идеального газа рассматривают равновесные обратимые процессы:

изотермический Т=const, р и V изменяются;

изобарный р=const, Т и V изменяются;

изохорный V=const, р и T изменяются;

адиабатический – процесс без теплообмена с окружающей средой, все макропараметры р, Т, и V изменяются.

Необратимым называется процесс, для которого обратный переход через те же промежуточные состояния не возможен. Неравновесный процесс всегда необратим, сопровождается изменениями в окружающей среде.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. РАБОТА. ТЕПЛОТА. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.

Внутренней энергией тела (вещества) называется его энергия в системе отсчета, связанной с центром масс или энергия всевозможных движений и взаимодействий частиц его составляющих.

U=U₁+U₂+U₃(2), где

U₁ – кинетическая энергия движения молекул и атомов,

U₂– потенциальная энергия взаимодействия молекул и атомов,

U₃ – энергия внутриатомных и внутриядерных движений и взаимодействий ( в молекулярной физике процессы с изменением этого вида энергии не рассматриваются).

Для идеального газа из N частиц: (3), потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю.

Поэтому внутренняя энергия идеального газа (4),

т.е. является функцией абсолютной температуры U=U(T).

Внутренняя энергия является функцией состояния идеального газа.

Общий случай: U=U(T, V), т.е. внутренняя энергия является функцией состояния вещества.

При изменении объема (рис. 3) термодинамической системы может совершаться работа.

Величина совершенной силой давления газа

работы: (5),

где dV – малое изменение объема газа.

Работа, совершенная газом при изменении объема от V₁ до V₂, рассчитывается по формуле: (6).

При расширении газа работа положительна, при сжатии – отрицательна.

На диаграмме (рис. 4) рV величина работы численно равна площади под графиком процесса.

Работа не является функцией состояния газа, т.к. величина работы зависит от вида совершенного процесса.

Количеством теплоты Q называется количество энергии переданной системе (или полученной от нее) в результате теплообмена (без совершения работы).

Теплообмен может происходить за счет различных процессов:

Теплопроводность конвекция излучение

Количество теплоты не является функцией состояния.

Первым началом термодинамики называется закон сохранения энергии для тепловых процессов: количество теплоты, полученное системой идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами (7).

Различное обозначение малой величины: для работы и количества теплоты , а для внутренней энергии dU принято для того, чтобы подчеркнуть, что первые две величины не являются функциями состояния системы, а внутренняя энергия – функция состояния системы и dU представляет собой полный дифференциал.