Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 17. Примеры применения первого закона термодинамикиПервый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений. Энергетический баланс. Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе. В этом параграфе мы рассмотрим примеры использования первого закона термодинамики. Теплота и внутренняя энергия. Прежде всего сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определено как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты. Теплота и работа. Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе. Пример применения первого закона термодинамики. Применяя первый закон термодинамики, нужно всегда внимательно следить за тем, к каким изменениям в самой системе может привести подведение к ней теплоты и совершение работы. Поясним это на следующем примере. Представьте себе, что в комнате на некоторое время включили электрический нагреватель, в результате чего температура воздуха увеличилась от
где Воспользовавшись уравнением Менделеева—Клапейрона
Объем V комнаты не изменяется при работе нагревателя, не изменяется и давление Итак, внутренняя энергия воздуха в комнате при работе нагревателя не меняется, несмотря на повышение температуры. Но никакого парадокса в этом нет. Первый закон термодинамики, разумеется, справедлив и в этом случае. Просто при нагревании изменяется сама рассматриваемая система: количество воздуха в комнате уменьшается. Еще один пример применения первого закона термодинамики. Рассмотрим теперь стационарный поток идеального газа, протекающего через длинную спиральную трубку — змеевик (рис. 55). На входе змеевика поддерживаются постоянные давление О какой работе идет речь? Мы знаем, что газ, а точнее, сила давления газа, совершает работу при перемещении поршня или любого другого тела, ограничивающего занимаемый газом объем. Таким телом является, например, оболочка резинового шарика, деформирующаяся при его наполнении газом. Общее выражение для работы силы давления газа дается формулой (12) предыдущего параграфа:
Отметим, что наличие тела, ограничивающего объем газа, совершенно необходимо для того, чтобы можно было говорить о совершаемой газом работе: газ, расширяющийся в пустоту, работы не совершает! Поясним это. Представим себе сосуд, разделенный перегородкой на две части: по одну сторону от перегородки находится газ, по другую — вакуум. При внезапном удалении перегородки газ заполняет весь сосуд, объем газа увеличивается Наряду с работой, совершаемой газом, можно рассматривать работу внешних сил, совершаемую над газом при перемещении поршня. Очевидно, что при равномерном перемещении поршня работа Рассмотрим газ, заключенный между входным Пусть объем, занимаемый массой
где
Рис. 55. Прохождение газа через змеевик Поэтому совершаемая над одним молем газа работа равна
Теперь обратим внимание на одну особенность рассматриваемого примера: в то время как температура газа на входе в змеевик задается, температура на выходе
получаем
Подставляя выражения (5) и (7) в уравнение (6) и учитывая, что в отсутствие теплообмена
а так как Таким образом, температура идеального газа при адиабатическом прохождении через змеевик не меняется, а совершаемая при этом работа, как видно из (5), равна нулю. Для того чтобы работа была отлична от нуля, необходим теплообмен. Легко убедиться, что, когда газ получает теплоту
Сумма
Из этого выражения видно, что знак Змеевик как тепловая машина. Исходя из полученных результатов попытаемся представить себе, как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т. е. отдает теплоту подводится к газу Как было выяснено, при адиабатическом протекании газа через змеевик совершаемая над ним работа равна нулю. Не кажется ли вам странным этот результат? Легко придумать такой опыт, в котором над газом работа совершается, а теплообмена с окружающей средой нет. Действительно, попробуем при помощи компрессора прокачивать через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно было считать стационарным, сечение выходного отверстия сделаем много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды. Совершаемая компрессором над газом работа положительна и равна полной совершаемой над газом работе, ибо, как уже отмечалось, выходя в вакуум, газ работы не совершает. Так как нет обмена теплотой, налицо противоречие с утверждением о том, что при адиабатическом протекании работа равна нулю. Это противоречие возникло потому, что при прокачивании газа в вакуум происходят и такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны в разобранном выше примере. Действительно, первый закон термодинамики использовался в виде Если вход и выход змеевика расположены на разной высоте, то в уравнении закона сохранения энергии необходимо учитывать и изменение потенциальной энергии газа в поле тяжести, подобно тому как это делалось в гидродинамике при выводе уравнения Бернулли. Измерение теплоемкости газа. Змеевик, помещенный в калориметр, можно использовать для измерения теплоемкости газа. Дело в том, что непосредственное измерение теплоемкости газа при постоянном объеме можно пропустить большую массу газа, так что температура воды в калориметре может заметно измениться. Таким образом удается преодолеть отмеченную выше трудность. Зная теплоемкость калориметра с водой, по изменению его температуры можно подсчитать количество переданной газу теплоты ЗадачаВ вертикальном цилиндрическом сосуде под массивным поршнем находится 1 моль идеального газа. Приложим к поршню некоторую силу и сожмем газ настолько, чтобы эта сила совершила заданную работу А. Затем поршень отпускаем и через некоторое время он устанавливается в новом положении равновесия. Определить, на сколько градусов температура газа в конечном состоянии отличается от начальной температуры, считая газ адиабатически изолированным. Решение. До приложения внешней силы поршень находился в механическом равновесии: разность сил давления газа под поршнем и атмосферы над ним уравновешивала действующую на поршень силу тяжести. Приложив дополнительную силу, мы нарушаем это равновесие, и поршень перемещается вниз. При перемещении поршня все действующие на него внешние силы совершают положительную работу: кроме заданной в условии работы А приложенной силы это еще работа действующей на поршень сверху силы атмосферного давления и работа силы тяжести. Работа всех этих сил равна изменению внутренней энергии газа и кинетической энергии поршня. При сжатии адиабатически изолированного газа его температура и давление возрастают. Поэтому после прекращения действия приложенной силы газ начинает расширяться, и поршень будет перемещаться вверх. При этом сила атмосферного давления и сила тяжести совершают отрицательную работу. В конце концов кинетическая энергия поршня обратится в нуль, и он установится в новом положении равновесия. Это новое положение равновесия поршня будет расположено выше исходного на некоторую величину Полная работа, складывающаяся из работы А приложенной силы, работы силы тяжести и работы Латм силы атмосферного давления на всем перемещении поршня от начального положения, в соответствии со сказанным выше, равна изменению внутренней энергии газа
Так как конечное положение поршня на
где
Подставляя (11) и (12) в (10), получаем
Во втором слагаемом левой части (13) вынесем за скобки площадь поршня
Применяя уравнение Менделеева—Клапейрона к начальному и конечному состояниям газа, имеем
Теперь соотношение (14) принимает вид
Так как • Можно ли применять первый закон термодинамики к процессам, в которых изменяется химический состав или количество вещества в рассматриваемой системе? • Всегда ли подведение теплоты к системе приводит к увеличению ее внутренней энергии? • По показаниям какого прибора — термометра или барометра — можно судить о внутренней энергии всего воздуха, находящегося в вашей комнате? • При прохождении газа через змеевик мы составляем уравнение энергетического баланса, в котором не учитываем кинетическую энергию потока газа, считая малой его скорость. При этом мы не заботимся о законе сохранения импульса. Медленность протекания газа можно обеспечить, например, с помощью пористой перегородки внутри змеевика. Поясните, почему такая перегородка, обеспечивая сохранение импульса, не влияет на энергетический баланс. • Почему теплоемкость газа при постоянном объеме • В приведенном решении задачи утверждалось, что конечное положение поршня расположено выше начального. Докажите, что это действительно так. • В условии задачи предполагалось, что приложенная сила перемещает поршень вниз. Изменится ли ответ, если считать, что она перемещает поршень вверх? Опишите процессы, происходящие в системе в этом случае.
|
1 |
Оглавление
|