Теория:
1. Термодинамическая система и её внутренняя энергия
Термодинамической системой — совокупность тел, которые могут обмениваться энергией и веществом между собой и с окружающей средой.
Системы бывают изолированными (нет обмена ни энергией, ни веществом), закрытыми (обмен только энергией) и открытыми (обмен и энергией, и веществом).
Состояние системы описывается макроскопическими параметрами: температурой, давлением, объемом. Важнейшей характеристикой является внутренняя энергия — сумма кинетической энергии теплового движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Для идеального газа потенциальная составляющая равна нулю.
Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами:
- совершением работы (над системой или самой системой);
- теплопередачей (без совершения работы).
Изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики.
Если работу совершают силы:
\(\Delta U = A + Q\)
Если работу совершает сама система:
\(Q=\Delta U + A' \)
где \(\Delta U\) — изменение внутренней энергии;
\(Q\) — количество теплоты, получаемое системой;
\(A\) — работа внешних сил;
\(A'\) — работа системы;
2. Количество теплоты и работа
Количество теплоты — это энергия, переданная в процессе теплообмена.
Единица измерения — джоуль (Дж). В зависимости от процесса его рассчитывают по формулам.
| \(Q=cm \Delta T\) | при нагревании и охлаждении |
| \(Q= \lambda m\) | при плавлении и кристаллизации |
| \(Q=rm\) | при парообразовании и конденсации |
| \(Q=qm\) | при сгорании топлива |
Обрати внимание!
Работа в термодинамике связана с изменением объема. Например, для изобарного процесса работа газа равна: \(A=p \Delta V\)
На графике в координатах \(p-V\) работа численно равна площади под кривой процесса.
 |  |
| Рис. \(1\). График изобарного процесса | Рис. \(2\). График изотермического процесса |
Для одноатомного идеального газа (гелий, неон, аргон) внутренняя энергия определяется только кинетической энергией молекул:
\(U=\frac{3}{2} \nu RT\),
где \(\nu\) — количество вещества;
\(R=8,31\) \(Дж/(моль \cdot К)\) — универсальная газовая постоянная;
\(T\) — абсолютная температура.
4. Способы теплопередачи
Теплопередача осуществляется тремя способами.
- Теплопроводность — передача энергии за счет хаотического движения частиц без переноса вещества. Наиболее высокая теплопроводность у металлов, низкая — у газов.
- Конвекция — передача энергии потоками жидкости или газа. Возникает из-за разницы плотностей нагретых и холодных слоёв. Бывает естественной и вынужденной.
- Излучение — передача энергии электромагнитными волнами. Все тела излучают энергию; темные поверхности поглощают и излучают её быстрее светлых.
5. Удельная теплоемкость и количество теплоты
Удельная теплоёмкость \(c\) показывает, сколько тепла нужно передать \(1\) \(кг\) вещества, чтобы нагреть его на \(1^oC\) (или \(1\) \(К\)):
\(c=\frac{Q}{m \Delta T}\)
Единица измерения: \(Дж/(кг \cdot ^oC)\). Значения теплоёмкости зависят от вещества и его агрегатного состояния. Количество теплоты при нагревании или охлаждении рассчитывают по формуле:
\(Q=cm \Delta T\)
6. Адиабатный процесс
Адиабатным называют процесс, при котором система не обменивается теплотой с окружающей средой (\(Q=0\)). В этом случае изменение внутренней энергии происходит только за счет работы. При адиабатном сжатии температура газа повышается, при расширении — понижается. Связь параметров газа описывается уравнением Пуассона:
\(pV^{\gamma}=const\),
где \(\gamma = \frac{C_p}{C_v}\) — показатель адиабаты.
7. Необратимость процессов в природе
Большинство процессов в природе необратимы. Это значит, что их самопроизвольное протекание в обратном направлении невозможно без внешнего воздействия. Причины необратимости: трение, теплопередача при конечной разности температур, диффузия. Все эти процессы ведут к рассеянию энергии и увеличению энтропии.
8. Тепловые машины
Тепловые машины преобразуют теплоту в механическую работу. Основные элементы любой тепловой машины:
- нагреватель — источник теплоты;
- рабочее тело (обычно газ), которое получает теплоту, расширяется и совершает работу;
- холодильник, который забирает часть теплоты, чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние.
Эффективность теплового двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД):
\(\eta=\frac{A}{Q_H}\),
где \(A\) — полезная работа;
\(Q_H\) — теплота, полученная от нагревателя.
КПД всегда меньше единицы.
Кроме тепловых двигателей существуют холодильные машины. Они переносят теплоту от холодного тела к горячему за счет совершения механической работы.
9. Преобразование энергии и экологические аспекты
В тепловых машинах энергия сгорающего топлива превращается во внутреннюю энергию рабочего тела, а затем — в механическую работу. Цикл работы состоит из подвода тепла, расширении (совершения работы), отвода тепла и сжатия.
Теплоэнергетика оказывает существенное воздействие на окружающую среду. При сжигании топлива в атмосферу поступают оксиды серы и азота, пылевые частицы, продукты неполного сгорания, что приводит к загрязнению воздуха и тепловому загрязнению водоёмов.
10. Примеры технических устройств
- Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу. Применяется в автомобилях, часто в гибридных схемах с электромотором.
- Бытовой холодильник переносит тепло из внутренней камеры наружу, поддерживая низкую температуру для хранения продуктов.
- Кондиционер работает по тому же принципу, что и холодильник, но может как охлаждать, так и нагревать воздух в помещении, меняя направление движения хладагента.