Із механіки відомо, що будь-яке тіло, або система тіл можуть мати кінетичну і потенціальну енергію і являє собою матеріальну точку. Але кожне тіло складається з дуже великого числа частинок (атомів, іонів, молекул), які безперервно рухаються і взаємодіють між собою. Отже всі частинки тіла називаються внутрішньою енергією – U. Отже повна енергія тіла буде
.
Внутрішня енергія U є однозначною функцією стану тіла, або системи і визначається його параметрами.
Обрахувати внутрішню енергію дуже складно, а на практиці, здебільшого обраховують зміну внутрішньої енергії DU. Якщо наприклад, взяти ідеальний газ, молекули якого – матеріальні точки, що не взаємодіють між собою, то враховуючи що середня кінетична енергія молекули , для моля або , а для будь-якої маси газу , а зміна внутрішньої енергії .
В загальному ж випадку внутрішня енергія складається із
А) кінетичної енергії поступального руху частинок,
Б) потенціальної енергії взаємодії частинок,
В) енергії коливального руху частинок біля положення рівноваги,
|
|
Г) енергії електронних оболонок атомів та молекул,
Д) енергій взаємодії нуклонів в ядрі.
Внутрішня енергія тіла або системи буде змінюватись при взаємодії з зовнішніми тілами, причому в випадках: або при здійсненні роботи, або при теплообміні.
Якщо система нерухома, то робота виконується при зміні об’єму тіла – це робота яку здійснюють зовнішні сили. По закону збереження енергії , де DA – робота яку здійснює система проти зовнішніх сил. Якщо ж система одержує також енергію у вигляді тепла DQ, то на основі закону збереження енергії , або , отже
(7)
це і є перший закон термодинаміки: теплота, одержана системою витрачається на зміну внутрішньої енергії системи і на виконання роботи системою проти зовнішніх сил.
Перший закон термодинаміки являє собою закон збереження і перетворення енергії.
Із першого закону (7) випливає, що якщо DQ = 0, то DA = – DU, отже робота системою може виконуватись, без споживання зовнішньої енергії, але за рахунок зменшення внутрішньої енергії. Але внутрішня енергія – величина кінетична, отже кінетичною буде і робота. Таким чином: вічний двигун першого роду неможливий, це також формулювання першого закону термодинаміки.
Перший закон термодинаміки – це загальний закон збереження енергії, але він нічого не говорить про напрямок передачі теплоти. На основі численних дослідів було встановлено:
теплота ніколи не може переходити сама собою від тіл з більш низькою температурою до тіл з більш високою температурою – це другий закон термодинаміки, який можна формулювати і так: неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення всієї теплоти, одержаної від деякого тіла, в еквівалентну їй роботу.
|
|
Якщо, наприклад, від нагрівника з температурою Т, одержується певна кількість теплоти, то щоб теплова машина працювала, необхідно щоб був і холодильник з температурою Т2 Т1, якому передається частина теплоти. Отже, не вся одержана теплота перетворюється в роботу. Частина її втрачається – віддається холодильнику, або розсіюється в просторі.
Розрахунки показують, що максимальний КПД теплової машини рівний:
(8)
Із другого закону термодинаміки витікає, що величина
(9)
є повним диференціалом функції S яку назвали ентропією.
Ентропія S це величина, яка однозначно (як і внутрішня енергія) характеризує стан системи. Відношення називають зведеною кількістю теплоти.
Із другого закону термодинаміки слідує, що ентропія замкненої системи може тільки збільшитись і всі процеси протікають так, що ймовірність стану системи може тільки збільшитись. Отже при будь-якому процесі система переходить із менш ймовірного стану в більш ймовірний стан.
Висновки
1. Якщо газ знаходиться в силовому полі, то розподіл молекул описується формулою Больцмана – чим більшу потенціальну енергію мають молекули, тим таких молекул менше. Тиск атмосфери із збільшенням висоти експоненціально зменшується.
2. Атмосфера Землі має складну будову і на розповсюдження радіохвиль великий вплив мають іонізаційні шари.
3. Середня довжина вільного пробігу молекул l обернено пропорційна тиску газу. Якщо l більше розмірів посудини то такий стан називають вакуумом.
4. Перший закон термодинаміки – це один із загальних законів природи – закон збереження енергії. Другий закон термодинаміки характеризує напрям протікання теплових процесів. Самовільно теплота передається тільки від нагрітих тіл до холодних.
План