Термодинамика — теория наиболее общих энергетических превращений макроскопических систем. Внутренняя энергия тела — сумма кинетической энергии хаотического движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия.
Внутренняя энергия идеального газа
где i — число степеней свободы молекул газа (i = 3 для одноатомного газа, i = 5 для двухатомного газа). Число степеней свободы — число возможных независимых направлений движения молекулы. Внутренняя энергия замкнутой теплоизолированной системы сохраняется.
Изменение внутренней энергии возможно в результате теплообмена, а также при совершении работы. Теплообмен — процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Количество теплоты, получаемое телом, — энергия, передаваемая телу извне в результате теплообмена. Работа, совершаемая газом,
где ΔV = V2 - V1 — изменение объема газа.
При расширении газа ΔV > 0, при его сжатии ΔV < 0.
Первый закон термодинамики:
количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы:
Первый закон термодинамики: 1) при изохорном процессе:
2) при изотермическом процессе:
3) при изобарном процессе
4) при адиабатном процессе
Адиабатный процесс — термодинамический процесс в теплоизолированной системе (Q = 0). Тепловые двигатели — устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Наличие нагревателя и холодильника — необходимое условие для непрерывной работы теплового двигателя.
Замкнутый цикл — совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Для циклического процесса требуется сжатие газа, которое не может происходить самопроизвольно. Необходимое уменьшение объема газа возможно при его охлаждении. Коэффициент полезного действия теплового двигателя — отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя-
КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.
Цикл Карно — цикл работы теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов.
В цикле Карно исключена теплопередача без совершения работы, поэтому его КПД максимален.
где T1, T2 — температура нагревания и холодильника соответственно. Использование тепловых двигателей неблагоприятно влияет на окружающую среду.
Второй закон термодинамики:
в циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.
Второй закон термодинамики — следствие необратимости тепловых процессов.
Необратимый процесс — процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит.
Второй закон термодинамики определяет статистическую направленность изменения состояния системы, состоящей из большого числа частиц.
Статистическая формулировка второго закона термодинамики: замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное (или из менее вероятного в более вероятное).