Trang 1
Một hệ nhiệt động, giống như bất kỳ hệ vật lý nào khác, có một lượng năng lượng nhất định, thường được gọi là nội năng của hệ.
Một hệ nhiệt động được gọi là cô lập nếu nó không thể trao đổi năng lượng hoặc vật chất với môi trường bên ngoài. Một ví dụ về hệ thống như vậy là một chất khí được đựng trong một bình có thể tích không đổi. Một hệ nhiệt động được gọi là đoạn nhiệt nếu nó không thể trao đổi năng lượng với các hệ khác bằng cách trao đổi nhiệt.
Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể, ở mức độ này hay mức độ khác, có thể trao đổi năng lượng và vật chất giữa chúng và môi trường.
Các hệ nhiệt động được chia thành hệ kín, không trao đổi vật chất với hệ thống khác và hệ mở, trao đổi vật chất và năng lượng với các hệ thống khác. Trong trường hợp một hệ không trao đổi năng lượng và vật chất với các hệ khác thì gọi là hệ cô lập, khi không có sự trao đổi nhiệt thì hệ được gọi là đoạn nhiệt.
Hệ thống nhiệt động có thể bao gồm hỗn hợp các chất tinh khiết. Một hỗn hợp (dung dịch) được gọi là đồng nhất khi thành phần hóa học và tính chất vật lý ở bất kỳ hạt nhỏ nào đều giống nhau hoặc thay đổi liên tục từ điểm này sang điểm khác của hệ thống. Mật độ, áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp đồng nhất giống hệt nhau ở bất kỳ điểm nào. Một ví dụ về hệ thống đồng nhất là một thể tích nước nhất định, thành phần hóa học của nó giống nhau, nhưng các tính chất vật lý khác nhau tùy theo từng điểm.
Một hệ nhiệt động có tỷ lệ định lượng nhất định của các thành phần được gọi là hệ thống hóa lý đơn lẻ.
Các hệ nhiệt động (vật thể vĩ mô), cùng với cơ năng E, còn có nội năng U, phụ thuộc vào nhiệt độ, thể tích, áp suất và các thông số nhiệt động khác.
Một hệ nhiệt động được gọi là không cô lập, hay hệ hở, nếu nó có thể nhận hoặc tỏa nhiệt ra môi trường và tạo ra công, còn môi trường bên ngoài có thể thực hiện công lên hệ. Một hệ thống được gọi là cô lập hoặc đóng cửa nếu nó không trao đổi nhiệt với môi trường và sự thay đổi áp suất bên trong hệ thống không ảnh hưởng đến môi trường và môi trường không thể thực hiện công trên hệ thống.
Các hệ thống nhiệt động lực học bao gồm một số lượng lớn các hạt có tính thống kê.
Trong một số điều kiện bên ngoài nhất định, một hệ nhiệt động lực học (hoặc một hệ cô lập) chuyển sang trạng thái được đặc trưng bởi sự không đổi của các tham số của nó theo thời gian và không có dòng vật chất và nhiệt trong hệ thống. Trạng thái này của hệ thống được gọi là trạng thái cân bằng hoặc trạng thái cân bằng. Hệ thống không thể tự động thoát khỏi trạng thái này. Trạng thái của một hệ không có trạng thái cân bằng được gọi là trạng thái không cân bằng. Quá trình chuyển dần dần của một hệ thống từ trạng thái không cân bằng do tác động bên ngoài sang trạng thái cân bằng được gọi là thời gian thư giãn và khoảng thời gian để hệ thống trở lại trạng thái cân bằng được gọi là thời gian thư giãn.
Trong trường hợp này, hệ nhiệt động thực hiện công giãn nở bằng cách giảm nội năng của hệ.
Hệ nhiệt động lực học là đối tượng nghiên cứu của nhiệt động lực học và là một tập hợp các vật thể tương tác năng lượng với nhau và với môi trường và trao đổi vật chất với nó.
Một hệ nhiệt động, được để yên trong các điều kiện bên ngoài không đổi, sẽ đạt đến trạng thái cân bằng, được đặc trưng bởi sự không đổi của tất cả các tham số và không có các chuyển động vĩ mô. Trạng thái này của hệ được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt động.
Một hệ nhiệt động được đặc trưng bởi một số hữu hạn các biến độc lập - các đại lượng vĩ mô gọi là các thông số nhiệt động. Một trong những thông số vĩ mô độc lập của hệ nhiệt động, giúp phân biệt nó với hệ cơ học, là nhiệt độ dùng làm thước đo cường độ chuyển động nhiệt. Nhiệt độ cơ thể có thể thay đổi do trao đổi nhiệt với môi trường và tác động của các nguồn nhiệt và là kết quả của chính quá trình biến dạng. Mối quan hệ giữa biến dạng và nhiệt độ được thiết lập bằng nhiệt động lực học.
Hệ nhiệt động là bất kỳ hệ vật lý nào bao gồm một số lượng lớn các hạt - nguyên tử và phân tử, trải qua chuyển động nhiệt vô tận và tương tác với nhau, trao đổi năng lượng. Những hệ nhiệt động như vậy, và những hệ đơn giản nhất, là các chất khí, các phân tử của chúng thực hiện các chuyển động tịnh tiến và quay ngẫu nhiên và trao đổi động năng trong quá trình va chạm. Chất rắn cũng là hệ nhiệt động.
và các chất lỏng. Các phân tử chất rắn trải qua những dao động ngẫu nhiên xung quanh vị trí cân bằng của chúng; Sự trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra do sự tương tác liên tục của chúng, do đó sự dịch chuyển của một phân tử khỏi vị trí cân bằng của nó được phản ánh ngay lập tức vào vị trí và tốc độ chuyển động của các phân tử ở giữa. Vì năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử, theo công thức (1.7) và (1.8), có liên quan đến nhiệt độ, nên nhiệt độ là đại lượng vật lý quan trọng nhất đặc trưng cho các trạng thái khác nhau của hệ nhiệt động. Ngoài nhiệt độ, trạng thái của các hệ thống như vậy còn được xác định bởi thể tích mà chúng chiếm giữ và áp suất bên ngoài hoặc các lực bên ngoài tác dụng lên hệ thống.
Một tính chất quan trọng của hệ nhiệt động lực học là sự tồn tại của trạng thái cân bằng trong đó chúng có thể duy trì trong một thời gian dài tùy ý. Nếu một số tác động bên ngoài tác động lên một hệ nhiệt động đang ở một trong các trạng thái cân bằng và sau đó nó dừng lại, thì hệ đó sẽ tự động chuyển sang trạng thái cân bằng mới. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng xu hướng chuyển sang trạng thái cân bằng luôn vận hành liên tục, ngay cả trong thời gian hệ thống chịu tác động từ bên ngoài. Xu hướng này, hay chính xác hơn là sự tồn tại liên tục của các quá trình dẫn đến đạt được trạng thái cân bằng, là đặc điểm quan trọng nhất của hệ nhiệt động.
Đối với một chất khí được đặt trong một bình chứa nhất định, trạng thái cân bằng là trạng thái trong đó nhiệt độ, áp suất và mật độ (hoặc số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích) trong thể tích của chất khí ở mọi nơi đều giống nhau. Nếu sự nóng lên hoặc nén cục bộ xảy ra ở bất kỳ nơi nào trong thể tích này, thì quá trình cân bằng nhiệt độ và áp suất sẽ bắt đầu trong hệ thống; quá trình này sẽ tiếp tục diễn ra chừng nào còn có tác động từ bên ngoài, nhưng chỉ sau khi tác động này chấm dứt thì quá trình cân bằng mới đưa hệ thống đến trạng thái cân bằng mới.
Các trạng thái của các hệ nhiệt động cô lập, mặc dù không có tác động từ bên ngoài, không tồn tại trong khoảng thời gian hữu hạn, được gọi là trạng thái không cân bằng. Hệ thống, ban đầu ở trạng thái không cân bằng, chuyển sang trạng thái cân bằng theo thời gian. Thời gian chuyển từ trạng thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng gọi là thời gian hồi phục. Sự chuyển đổi ngược lại từ trạng thái cân bằng sang trạng thái không cân bằng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các tác động bên ngoài lên hệ thống. Đặc biệt, trạng thái của một hệ có nhiệt độ khác nhau ở những nơi khác nhau là trạng thái không cân bằng; Cân bằng nhiệt độ trong chất khí, chất rắn và chất lỏng là sự chuyển các vật này sang trạng thái cân bằng với cùng nhiệt độ trong thể tích của vật. Một ví dụ khác về trạng thái không cân bằng có thể được đưa ra bằng cách xem xét các hệ thống hai pha bao gồm chất lỏng và hơi của nó. Nếu có hơi không bão hòa phía trên bề mặt chất lỏng trong một bình kín thì trạng thái của hệ là không cân bằng: số lượng phân tử thoát ra khỏi chất lỏng trong một đơn vị thời gian lớn hơn số lượng
các phân tử chuyển từ thể hơi sang thể lỏng trong cùng thời gian. Kết quả là, theo thời gian, số lượng phân tử ở trạng thái hơi tăng lên (tức là mật độ hơi tăng lên) cho đến khi thiết lập trạng thái cân bằng với
Sự chuyển đổi từ trạng thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng trong hầu hết các trường hợp xảy ra liên tục và tốc độ của quá trình chuyển đổi này có thể được điều chỉnh trơn tru bằng cách sử dụng các tác động bên ngoài thích hợp, làm cho quá trình thư giãn trở nên rất nhanh hoặc rất chậm. Ví dụ, bằng cách khuấy cơ học, bạn có thể tăng đáng kể tốc độ cân bằng nhiệt độ trong chất lỏng hoặc chất khí; Bằng cách làm lạnh một chất lỏng, bạn có thể làm cho quá trình khuếch tán của chất hòa tan trong đó diễn ra rất chậm, v.v.
Đối với một số hệ thống, có những trạng thái được gọi là siêu bền, trong đó các hệ thống này có thể tồn tại trong một thời gian tương đối dài, nhưng ngay khi tác động từ bên ngoài có tính chất nhất định lên hệ thống, sự chuyển đổi đột ngột tự phát sang trạng thái cân bằng sẽ xảy ra. Trong những trường hợp này, tác động bên ngoài chỉ mở ra khả năng chuyển sang trạng thái cân bằng. Ví dụ, nước đủ tinh khiết có thể được đun nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi vài độ với nguồn cung cấp nhiệt chậm. Trạng thái nước này có thể di chuyển được; nếu bạn lắc nước như vậy (hoặc thêm một số lượng nhỏ hạt bụi - trung tâm hình thành bọt hơi), nó sẽ sôi bùng nổ và nhiệt độ của nó đột ngột giảm xuống điểm sôi. Do đó, trạng thái siêu bền được đặc trưng bởi thực tế là khi bị loại khỏi trạng thái này, hệ thống không những không quay trở lại trạng thái đó mà ngược lại, còn di chuyển ra xa nó hơn nữa, chuyển sang trạng thái cân bằng hiện có của hệ thống này.
Giới thiệu. 2
Nhiệt động lực học. Khái niệm chung. 3
Khái niệm về hệ nhiệt động lực học.. 4
Các loại hệ nhiệt động.. 6
Các quá trình nhiệt động lực học.. 7
Các quá trình có thể đảo ngược và không thể đảo ngược.. 7
Nội năng của hệ.. 10
Định luật không của nhiệt động lực học.. 11
Định luật nhiệt động thứ nhất.. 12
Định luật nhiệt động thứ hai.. 14
Định luật thứ ba nhiệt động lực học... 16
Hậu quả. 17
Không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối. 17
Hành vi của các hệ số nhiệt động. 17
Giới thiệu
Chúng ta liên tục gặp phải không chỉ chuyển động cơ học mà còn cả các hiện tượng nhiệt liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ cơ thể hoặc sự chuyển đổi của các chất sang các trạng thái kết tụ khác nhau - lỏng, khí hoặc rắn.
Các quá trình nhiệt có tầm quan trọng lớn đối với sự tồn tại của sự sống trên Trái đất, vì protein chỉ có khả năng hoạt động quan trọng trong một phạm vi nhiệt độ nhất định. Sự sống trên Trái đất phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.
Con người đạt được sự độc lập tương đối với môi trường sau khi họ học cách tạo ra lửa. Đây là một trong những khám phá vĩ đại nhất về buổi bình minh của nhân loại.
Nhiệt động lực học là khoa học về các hiện tượng nhiệt không tính đến cấu trúc phân tử của vật thể. Các định luật nhiệt động lực học và ứng dụng của chúng sẽ được thảo luận trong bài viết này.
Nhiệt động lực học. Khái niệm chung
Các nguyên lý nhiệt động lực học là một tập hợp các định đề cơ bản của nhiệt động lực học. Những quy định này được thiết lập như là kết quả của nghiên cứu khoa học và đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Chúng được chấp nhận như những định đề để nhiệt động lực học có thể được xây dựng một cách tiên đề.
Sự cần thiết của các nguyên lý nhiệt động lực học là do nhiệt động lực học mô tả các tham số vĩ mô của các hệ thống mà không có các giả định cụ thể về cấu trúc vi mô của chúng. Vật lý thống kê giải quyết các vấn đề về cấu trúc bên trong.
Các nguyên lý của nhiệt động lực học là độc lập, nghĩa là không có nguyên lý nào trong số chúng có thể bắt nguồn từ các nguyên lý khác.
Danh sách các nguyên lý nhiệt động lực học
· Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho hệ nhiệt động lực học.
· Định luật thứ hai của nhiệt động lực học áp đặt các hạn chế về chiều của các quá trình nhiệt động, cấm sự truyền nhiệt tự phát từ vật ít nóng hơn sang vật nóng hơn. Cũng được xây dựng dưới dạng định luật tăng entropy.
· Định luật thứ ba của nhiệt động lực học cho biết entropy hoạt động như thế nào ở nhiệt độ gần không độ tuyệt đối.
· Định luật 0 (hoặc tổng quát) của nhiệt động lực học đôi khi được gọi là nguyên lý theo đó một hệ kín, bất kể trạng thái ban đầu, cuối cùng sẽ đi đến trạng thái cân bằng nhiệt động và không thể tự rời bỏ nó.
Khái niệm về hệ nhiệt động
Hệ nhiệt động lực học là bất kỳ hệ thống vật lý nào bao gồm một số lượng lớn các hạt-nguyên tử và phân tử trải qua chuyển động nhiệt vô tận và tương tác với nhau và trao đổi năng lượng. Những hệ nhiệt động như vậy, và những hệ đơn giản nhất, là các chất khí, các phân tử của chúng trải qua chuyển động tịnh tiến và quay ngẫu nhiên và trao đổi động năng trong quá trình va chạm. Các chất rắn và lỏng cũng là hệ nhiệt động.
Các phân tử chất rắn trải qua các dao động ngẫu nhiên xung quanh vị trí cân bằng của chúng, sự trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra do sự tương tác liên tục của chúng, do đó sự dịch chuyển của một phân tử khỏi vị trí cân bằng của nó được phản ánh ngay lập tức vào vị trí và tốc độ chuyển động của phân tử lân cận. phân tử. Vì năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử có liên quan đến nhiệt độ nên nhiệt độ là đại lượng vật lý quan trọng nhất đặc trưng cho các trạng thái khác nhau của hệ nhiệt động. Ngoài nhiệt độ, trạng thái của các hệ thống như vậy còn được xác định bởi thể tích mà chúng chiếm giữ và áp suất bên ngoài hoặc các lực bên ngoài tác động lên hệ thống.
Một tính chất quan trọng của hệ nhiệt động là sự tồn tại của trạng thái cân bằng trong đó chúng có thể duy trì trong một khoảng thời gian bất kỳ. Nếu một số tác động bên ngoài tác động lên một hệ nhiệt động đang ở một trong các trạng thái cân bằng và sau đó nó dừng lại, thì hệ đó sẽ tự động chuyển sang trạng thái cân bằng mới. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng xu hướng chuyển sang trạng thái cân bằng luôn hoạt động liên tục, kể cả ngoài thời gian hệ thống chịu tác động từ bên ngoài.
Xu hướng này, hay chính xác hơn là sự tồn tại liên tục của các quá trình dẫn đến đạt được trạng thái cân bằng, là đặc điểm quan trọng nhất của hệ nhiệt động.
Các trạng thái của một hệ nhiệt động cô lập, mặc dù không có tác động từ bên ngoài nhưng không tồn tại trong khoảng thời gian hữu hạn, được gọi là trạng thái không cân bằng. Hệ thống, ban đầu ở trạng thái không cân bằng, chuyển sang trạng thái cân bằng theo thời gian. Thời gian chuyển từ trạng thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng gọi là thời gian hồi phục. Sự chuyển đổi ngược lại từ trạng thái cân bằng sang trạng thái không cân bằng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các tác động bên ngoài lên hệ thống.
Cụ thể, trạng thái của một hệ có nhiệt độ khác nhau ở những nơi khác nhau là không cân bằng; sự cân bằng của t 0 trong các chất khí, chất rắn và chất lỏng là sự chuyển các vật này sang trạng thái cân bằng có cùng t 0 trong thể tích của hệ. thân hình. Một ví dụ khác về trạng thái không cân bằng có thể được đưa ra bằng cách xem xét các hệ thống hai pha bao gồm chất lỏng và hơi của nó. Nếu có hơi không bão hòa phía trên bề mặt chất lỏng trong một bình kín thì trạng thái của hệ là không cân bằng: số lượng phân tử thoát ra khỏi chất lỏng trong một đơn vị thời gian lớn hơn số lượng phân tử quay trở lại từ hơi sang chất lỏng. trong cùng thời gian. Kết quả là, theo thời gian, số lượng phân tử ở trạng thái hơi tăng lên cho đến khi thiết lập được trạng thái cân bằng.
Sự chuyển đổi từ trạng thái cân bằng sang trạng thái cân bằng trong hầu hết các trường hợp xảy ra liên tục và tốc độ của quá trình chuyển đổi này có thể được điều chỉnh trơn tru bằng cách sử dụng các tác động bên ngoài thích hợp, làm cho quá trình thư giãn trở nên rất nhanh hoặc rất chậm. Ví dụ, bằng cách khuấy cơ học, bạn có thể tăng đáng kể tốc độ cân bằng nhiệt độ trong chất lỏng hoặc chất khí; bằng cách làm mát chất lỏng, bạn có thể làm cho quá trình khuếch tán của chất hòa tan trong đó rất chậm.
Giới thiệu. Chuyên đề kỹ thuật nhiệt. Các khái niệm và định nghĩa cơ bản. Hệ thống nhiệt động lực học. Các tham số trạng thái Nhiệt độ. Áp lực. Khối lượng cụ thể. Phương trình trạng thái. Phương trình Van der Waals .
Tỷ lệ giữa các đơn vị:
1 bar = 10 5 Pa
1 kg/cm2 (khí quyển) = 9,8067 10 4 Pa
1mmHg st (milimét thủy ngân) = 133 Pa
1mm nước Nghệ thuật. (mm cột nước) = 9,8067 Pa
Tỉ trọng - tỉ số giữa khối lượng của một chất và thể tích mà chất đó chiếm.
khối lượng cụ thể - nghịch đảo của mật độ, tức là tỉ số giữa thể tích chiếm bởi một chất và khối lượng của nó.
Sự định nghĩa: Nếu trong một hệ nhiệt động lực học, ít nhất một trong các tham số của vật bất kỳ có trong hệ thay đổi thì hệ đó sẽ trải qua quá trình nhiệt động .
Các thông số nhiệt động cơ bản của trạng thái P, V, T các vật thể đồng nhất phụ thuộc vào nhau và có quan hệ lẫn nhau bởi phương trình trạng thái:
F (P, V, T)
Đối với khí lý tưởng, phương trình trạng thái được viết là:
P- áp lực
v- khối lượng cụ thể
T- nhiệt độ
R- hằng số khí (mỗi khí có giá trị riêng)
Nếu phương trình trạng thái đã biết thì để xác định trạng thái của các hệ đơn giản nhất chỉ cần biết hai biến độc lập trong số 3 biến là đủ.
P = f1(v,t); v = f2(P,T); T = f3(v, P).
Các quá trình nhiệt động lực học thường được mô tả trên đồ thị trạng thái, trong đó các tham số trạng thái được vẽ dọc theo các trục. Các điểm trên mặt phẳng của đồ thị như vậy tương ứng với một trạng thái nhất định của hệ, các đường trên đồ thị tương ứng với các quá trình nhiệt động chuyển hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Chúng ta hãy xem xét một hệ nhiệt động bao gồm một khối khí nào đó đựng trong một bình có pít-tông, bình và pít-tông trong trường hợp này là môi trường bên ngoài.
Ví dụ, cho khí được đun nóng trong bình, có thể xảy ra hai trường hợp:
1) Nếu pít-tông được cố định và thể tích không thay đổi thì áp suất trong bình sẽ tăng. Quá trình này được gọi là đẳng âm(v = const), chạy ở mức âm lượng không đổi;
Cơm. 1.1. Các quá trình đẳng tích trong P-T tọa độ: v 1 >v 2 >v 3
2) Nếu piston tự do thì khí nóng lên sẽ nở ra ở áp suất không đổi, quá trình này được gọi là đẳng áp (P= const), chạy ở áp suất không đổi.
Cơm. 1.2 Các quá trình đẳng áp trong v - T tọa độ: P 1 >P 2 >P 3
Nếu bằng cách di chuyển pít-tông, bạn thay đổi thể tích của khí trong bình thì nhiệt độ của khí cũng sẽ thay đổi, tuy nhiên, bằng cách làm mát bình trong quá trình nén khí và đốt nóng trong quá trình giãn nở, bạn có thể đạt được nhiệt độ không đổi. với những thay đổi về thể tích và áp suất, quá trình này được gọi là đẳng nhiệt (T= hằng).
Cơm. 1.3 Quá trình đẳng nhiệt trong P-v tọa độ: T 1 >T 2 >T 3
Một quá trình trong đó không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trường được gọi là đoạn nhiệt, trong khi lượng nhiệt trong hệ thống không đổi ( Q= hằng). Trong đời sống thực, các quá trình đoạn nhiệt không tồn tại vì không thể cách ly hoàn toàn hệ thống khỏi môi trường. Tuy nhiên, các quá trình thường xảy ra trong đó sự trao đổi nhiệt với môi trường rất nhỏ, ví dụ, nén nhanh khí trong bình bằng pít-tông, khi nhiệt không có thời gian để loại bỏ do pít-tông và bình bị nung nóng.
Cơm. 1.4 Đồ thị gần đúng của một quá trình đoạn nhiệt trong P-v tọa độ
Định nghĩa: Quy trình tuần hoàn (Chu kỳ) - là tập hợp các tiến trình đưa hệ thống về trạng thái ban đầu. Có thể có nhiều tiến trình riêng biệt trong một vòng lặp.
Khái niệm về một quá trình tuần hoàn là chìa khóa đối với chúng ta trong nhiệt động lực học, vì hoạt động của nhà máy điện hạt nhân dựa trên chu trình hơi nước-nước, nói cách khác, chúng ta có thể xem xét sự bay hơi của nước trong lõi, chuyển động quay của tuabin. rôto bằng hơi nước, sự ngưng tụ hơi nước và dòng nước chảy vào lõi như một loại quá trình hoặc chu trình nhiệt động khép kín.
định nghĩa: Cơ quan làm việc - một lượng chất nhất định, tham gia vào chu trình nhiệt động, thực hiện công có ích. Chất lỏng hoạt động trong nhà máy lò phản ứng RBMK là nước, sau khi bay hơi trong lõi dưới dạng hơi nước sẽ hoạt động trong tuabin, làm quay rôto.
Sự định nghĩa: Sự truyền năng lượng trong một quá trình nhiệt động từ vật này sang vật khác, gắn liền với sự thay đổi thể tích của chất lỏng làm việc, với sự chuyển động của nó trong không gian bên ngoài hoặc với sự thay đổi vị trí của nó được gọi là quá trình làm việc .
Hệ nhiệt động
Nhiệt động lực học kỹ thuật (t/d) kiểm tra các mô hình chuyển đổi lẫn nhau của nhiệt thành công. Nó thiết lập mối quan hệ giữa các quá trình nhiệt, cơ và hóa học xảy ra trong máy nhiệt và làm lạnh, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong khí và hơi, cũng như tính chất của các vật thể này trong các điều kiện vật lý khác nhau.
Nhiệt động lực học dựa trên hai định luật (nguyên lý) cơ bản của nhiệt động lực học:
Định luật nhiệt động đầu tiên- định luật biến đổi và bảo toàn năng lượng;
Định luật nhiệt động II- thiết lập các điều kiện cho sự xuất hiện và hướng của các quá trình vĩ mô trong các hệ thống bao gồm một số lượng lớn các hạt.
Công nghệ kỹ thuật, áp dụng các định luật cơ bản vào các quá trình biến nhiệt thành công cơ học và ngược lại, giúp phát triển các lý thuyết về động cơ nhiệt, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong chúng, v.v.
Đối tượng của nghiên cứu là hệ thống nhiệt động lực học, có thể là một nhóm cơ thể, một cơ thể hoặc một bộ phận của cơ thể. Những gì bên ngoài hệ thống được gọi là môi trường. Hệ thống T/D là tập hợp các vật thể vĩ mô trao đổi năng lượng với nhau và với môi trường. Ví dụ: hệ thống t/d là chất khí nằm trong một xi lanh có pít-tông và môi trường là xi-lanh, pít-tông, không khí và tường phòng.
Hệ cô lập - Hệ thống t/d không tương tác với môi trường.
Hệ thống đoạn nhiệt (cách nhiệt) - hệ thống có vỏ đoạn nhiệt, loại trừ sự trao đổi nhiệt (trao đổi nhiệt) với môi trường.
Hệ thống đồng nhất - một hệ thống có cùng thành phần và tính chất vật lý ở tất cả các bộ phận của nó.
Hệ thống đồng nhất - một hệ thống đồng nhất về thành phần và cấu trúc vật lý, bên trong không có các bề mặt tiếp xúc (nước đá, nước, khí).
Hệ thống không đồng nhất
- một hệ thống bao gồm một số phần (pha) đồng nhất với các tính chất vật lý khác nhau, được ngăn cách với nhau bằng các bề mặt có thể nhìn thấy được (nước đá và nước, nước và hơi nước).
Trong động cơ nhiệt (động cơ), công cơ học được thực hiện với sự trợ giúp của chất lỏng làm việc - khí, hơi nước.
Các tính chất của mỗi hệ thống được đặc trưng bởi một số đại lượng, thường được gọi là các thông số nhiệt động. Chúng ta hãy xem xét một số trong số chúng, sử dụng các khái niệm động học phân tử đã biết từ khóa học vật lý về một loại khí lý tưởng là một tập hợp các phân tử có kích thước cực kỳ nhỏ, chuyển động nhiệt ngẫu nhiên và chỉ tương tác với nhau khi va chạm.
Áp suất được gây ra bởi sự tương tác của các phân tử của chất lỏng làm việc với bề mặt và bằng số với lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt của cơ thể bình thường đối với bề mặt sau. Theo lý thuyết động học phân tử, áp suất khí được xác định bởi mối quan hệ
Ở đâu N- số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích;
T- khối lượng của phân tử; từ 2- căn bậc hai tốc độ bình phương của chuyển động tịnh tiến của phân tử.
Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), áp suất được biểu thị bằng pascal (1 Pa = 1 N/m2). Vì đơn vị này nhỏ nên sử dụng 1 kPa = 1000 Pa và 1 MPa = 10 6 Pa sẽ thuận tiện hơn.
Áp suất được đo bằng đồng hồ đo áp suất, phong vũ biểu và đồng hồ đo chân không.
Đồng hồ đo áp suất chất lỏng và lò xo đo áp suất đo, là sự chênh lệch giữa áp suất tổng hoặc áp suất tuyệt đối rđo áp suất trung bình và khí quyển
P atm, tức là
Dụng cụ đo áp suất dưới khí quyển được gọi là máy đo chân không; số đọc của chúng cho giá trị chân không (hoặc chân không):
tức là áp suất khí quyển vượt quá áp suất tuyệt đối.
Cần lưu ý rằng tham số trạng thái là áp suất tuyệt đối. Đây là những gì được bao gồm trong các phương trình nhiệt động lực học.
Nhiệt độđược gọi là đại lượng vật lý, đặc trưng cho mức độ nóng lên của cơ thể. Khái niệm nhiệt độ được rút ra từ phát biểu sau: nếu hai hệ tiếp xúc nhiệt thì nếu nhiệt độ của chúng không bằng nhau thì chúng sẽ trao đổi nhiệt với nhau, nhưng nếu nhiệt độ của chúng bằng nhau thì sẽ không có sự trao đổi nhiệt.
Theo quan điểm của các khái niệm động học phân tử, nhiệt độ là thước đo cường độ chuyển động nhiệt của các phân tử. Giá trị số của nó liên quan đến động năng trung bình của các phân tử của chất:
Ở đâu k- Hằng số Boltzmann bằng 1,380662,10? 23 J/K. Nhiệt độ T được xác định theo cách này được gọi là nhiệt độ tuyệt đối.
Đơn vị nhiệt độ SI là kelvin (K); trong thực tế, độ C (° C) được sử dụng rộng rãi. Mối quan hệ tuyệt đối T và độ C TÔI nhiệt độ có dạng
Trong điều kiện công nghiệp và phòng thí nghiệm, nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế lỏng, nhiệt kế, cặp nhiệt điện và các dụng cụ khác.
khối lượng cụ thể v— là thể tích của một đơn vị khối lượng của một chất. Nếu một khối lượng đồng nhất M chiếm khối lượng v, thì theo định nghĩa
v= V/M.
Trong hệ SI, đơn vị của thể tích riêng là 1 m 3 /kg. Có một mối quan hệ rõ ràng giữa thể tích riêng của một chất và mật độ của nó:
Để so sánh các đại lượng đặc trưng cho các hệ thống ở trạng thái giống hệt nhau, khái niệm “điều kiện vật lý bình thường” được đưa ra:
P= 760 mm Hg. = 101,325 kPa; T= 273,15 K.
Các ngành công nghệ khác nhau và các quốc gia khác nhau giới thiệu “điều kiện bình thường” của riêng họ, hơi khác so với những điều kiện được đưa ra, chẳng hạn như “kỹ thuật” ( P= 735,6 mm Hg. = 98 kPa, t= 15°C) hoặc các điều kiện bình thường để đánh giá tính năng của máy nén ( P= 101,325 kPa, t= 20? C), v.v.
Nếu tất cả các tham số nhiệt động không đổi theo thời gian và giống hệt nhau tại mọi điểm của hệ thì trạng thái như vậy của hệ được gọi là lò xo cân bằng.
Nếu có sự khác biệt về nhiệt độ, áp suất và các thông số khác giữa các điểm khác nhau trong hệ thống thì đó là không cân bằng. Trong một hệ thống như vậy, dưới tác động của độ dốc tham số, các dòng nhiệt, các chất và các chất khác phát sinh, cố gắng đưa nó về trạng thái cân bằng. Kinh nghiệm cho thấy rằng Một hệ cô lập luôn đạt đến trạng thái cân bằng theo thời gian và không bao giờ có thể tự rời bỏ nó. Trong nhiệt động lực học cổ điển, chỉ có hệ cân bằng được xem xét.
Phương trình trạng thái.Đối với một hệ nhiệt động cân bằng, tồn tại mối quan hệ hàm số giữa các tham số trạng thái, được gọi là phương trình trạng thái. Kinh nghiệm cho thấy thể tích, nhiệt độ và áp suất riêng của các hệ đơn giản nhất là chất khí, hơi hoặc chất lỏng có liên quan với nhau. phương trình nhiệt trạng thái xem:
Phương trình trạng thái có thể có dạng khác:
Các phương trình này cho thấy rằng trong ba tham số chính xác định trạng thái của hệ thống thì hai tham số bất kỳ đều độc lập.
Để giải các bài toán bằng phương pháp nhiệt động lực học, nhất thiết phải biết phương trình trạng thái. Tuy nhiên, nó không thể thu được trong khuôn khổ nhiệt động lực học và phải được tìm thấy bằng thực nghiệm hoặc bằng các phương pháp vật lý thống kê. Dạng cụ thể của phương trình trạng thái phụ thuộc vào tính chất riêng của chất.
Hệ nhiệt động- một tập hợp các vật thể vĩ mô có thể tương tác với nhau và với các vật thể khác (môi trường bên ngoài) - trao đổi năng lượng và vật chất với chúng. Sự trao đổi năng lượng và vật chất có thể xảy ra cả trong chính hệ thống giữa các bộ phận của nó và giữa hệ thống và môi trường bên ngoài. Tùy thuộc vào các phương pháp cách ly hệ thống với môi trường bên ngoài, một số loại hệ thống nhiệt động được phân biệt.
Hệ thống mở gọi là hệ nhiệt động có khả năng trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài. Ví dụ điển hình của các hệ thống như vậy là tất cả các sinh vật sống, cũng như chất lỏng, khối lượng của chúng liên tục giảm do bay hơi hoặc sôi.
Hệ nhiệt động gọi điện đóng cửa, nếu nó không thể trao đổi năng lượng hoặc vật chất với môi trường bên ngoài. Đã đóng chúng ta sẽ gọi một hệ là một hệ nhiệt động bị cô lập về mặt cơ học, tức là không có khả năng trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài để thực hiện công. Một ví dụ về hệ thống như vậy là một chất khí được đựng trong một bình có thể tích không đổi. Hệ thống nhiệt động lực học được gọi là đoạn nhiệt, nếu nó không thể trao đổi năng lượng với các hệ thống khác thông qua trao đổi nhiệt.
Các thông số nhiệt động (thông số trạng thái) là các đại lượng vật lý dùng để mô tả trạng thái của hệ nhiệt động.
Ví dụ về các thông số nhiệt động là áp suất, thể tích, nhiệt độ, nồng độ. Có hai loại thông số nhiệt động: rộng rãi Và căng. Cái trước tỷ lệ thuận với lượng chất trong một hệ nhiệt động nhất định, cái sau không phụ thuộc vào lượng chất trong hệ. Tham số mở rộng đơn giản nhất là khối lượng V. hệ thống. Kích cỡ v, bằng tỉ số giữa thể tích của hệ và khối lượng của nó, được gọi là thể tích riêng của hệ. Các thông số chuyên sâu đơn giản nhất là áp suất r và nhiệt độ T.
Áp suất là một đại lượng vật lý
Ở đâu dFn- mô đun của lực pháp tuyến tác dụng lên một diện tích nhỏ trên bề mặt của vật phẳng
một cách tiết kiệm dS.
Nếu áp suất và thể tích riêng có ý nghĩa vật lý rõ ràng và đơn giản thì khái niệm nhiệt độ phức tạp hơn và kém rõ ràng hơn nhiều. Trước hết chúng ta hãy lưu ý rằng khái niệm nhiệt độ, nói đúng ra, chỉ có ý nghĩa đối với các trạng thái cân bằng của hệ.
Trạng thái cân bằng của hệ nhiệt động– trạng thái của hệ thống trong đó tất cả các tham số đều có các giá trị nhất định và trong đó hệ thống có thể duy trì bao lâu tùy thích. Nhiệt độ ở tất cả các phần của hệ nhiệt động ở trạng thái cân bằng là như nhau.
Khi trao đổi nhiệt giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau, nhiệt sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn. Quá trình này dừng lại khi nhiệt độ của cả hai vật cân bằng.
Nhiệt độ của một hệ thống ở trạng thái cân bằng đóng vai trò là thước đo cường độ chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử và các hạt khác hình thành nên hệ thống. Trong một hệ thống các hạt được mô tả bởi các định luật vật lý thống kê cổ điển và ở trạng thái cân bằng, động năng trung bình của chuyển động nhiệt của các hạt tỷ lệ thuận với nhiệt độ nhiệt động của hệ. Vì vậy, đôi khi người ta cho rằng nhiệt độ quyết định mức độ nóng lên của cơ thể.
Khi đo nhiệt độ, chỉ có thể được thực hiện gián tiếp, người ta sử dụng sự phụ thuộc nhiệt độ của một số tính chất vật lý của cơ thể có thể đo trực tiếp hoặc gián tiếp. Ví dụ, khi nhiệt độ của một vật thể thay đổi, chiều dài và thể tích, mật độ, tính đàn hồi, điện trở, v.v. của nó cũng thay đổi. Thay đổi bất kỳ tính chất nào trong số này là cơ sở để đo nhiệt độ. Để làm được điều này, điều cần thiết là đối với một vật thể (được chọn), được gọi là vật đo nhiệt độ, phải biết sự phụ thuộc chức năng của tính chất này vào nhiệt độ. Đối với các phép đo nhiệt độ thực tế, thang đo nhiệt độ được thiết lập bằng vật đo nhiệt độ được sử dụng. Trong Thang Nhiệt độ C Quốc tế, nhiệt độ được biểu thị bằng độ C (° C) [A. độ C (1701–1744) – nhà khoa học Thụy Điển] và được chỉ định t, và giả sử rằng ở áp suất bình thường 1,01325 × 10 5 Pa, nhiệt độ nóng chảy của nước đá và nước sôi lần lượt bằng 0 và 100 °C. Trên thang nhiệt độ nhiệt động lực học, nhiệt độ được biểu thị bằng Kelvin (K) [U. Thomson, Lord Kelvin (1821–1907) – nhà vật lý người Anh], ký hiệu T và được gọi là nhiệt độ nhiệt động. Mối quan hệ giữa nhiệt độ nhiệt động T và nhiệt độ ở thang độ C có dạng T = t + 273,15.
Nhiệt độ T= 0 K (thang độ C t= –273,15 °C) được gọi là độ không tuyệt đối nhiệt độ, hoặc bằng 0 trên thang nhiệt độ nhiệt động lực học.
Các tham số trạng thái hệ thống được chia thành bên ngoài và bên trong. Thông số bên ngoài hệ thống là các đại lượng vật lý phụ thuộc vào vị trí trong không gian và các tính chất khác nhau (ví dụ: điện tích) của các vật thể nằm bên ngoài hệ thống nhất định. Ví dụ, đối với chất khí, tham số này là thể tích V. tàu,
nơi chứa khí, vì thể tích phụ thuộc vào vị trí của các vật thể bên ngoài - thành bình. Áp suất khí quyển là thông số bên ngoài của chất lỏng đựng trong bình hở. Thông số nội bộ hệ thống là các đại lượng vật lý phụ thuộc cả vào vị trí của các vật thể bên ngoài hệ thống cũng như vào tọa độ và vận tốc của các hạt hình thành nên hệ thống này. Ví dụ, các thông số bên trong của chất khí là áp suất và năng lượng của nó, phụ thuộc vào tọa độ và vận tốc của các phân tử chuyển động cũng như mật độ của chất khí.
Dưới quá trình nhiệt động hiểu bất kỳ sự thay đổi nào về trạng thái của hệ nhiệt động đang được xem xét, được đặc trưng bởi sự thay đổi các thông số nhiệt động của nó. Quá trình nhiệt động lực học được gọi là sự cân bằng, nếu trong quá trình này hệ thống đi qua một chuỗi liên tục các trạng thái cân bằng nhiệt động gần vô hạn. Các quá trình thực sự thay đổi trạng thái của một hệ luôn xảy ra ở tốc độ hữu hạn và do đó không thể cân bằng. Tuy nhiên, rõ ràng là quá trình thực sự thay đổi trạng thái của hệ sẽ càng tiến gần đến trạng thái cân bằng, diễn ra càng chậm, do đó những quá trình như vậy được gọi là bán tĩnh.
Ví dụ về các quá trình nhiệt động đơn giản nhất là các quá trình sau:
a) một quá trình đẳng nhiệt trong đó nhiệt độ của hệ không thay đổi ( T= hằng);
b) một quá trình đẳng tích xảy ra ở một thể tích không đổi của hệ thống ( V.= hằng);
c) một quá trình đẳng áp xảy ra ở áp suất không đổi trong hệ thống ( P= hằng);
d) quá trình đoạn nhiệt xảy ra mà không trao đổi nhiệt giữa hệ thống và môi trường bên ngoài.