Применение І закона термодинамики к газовым процессам

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Название процесса	Закон	Количес-тво тепло- ты	Работа газа	Изменение внутренней энергии	І закон термо-динамики	График
Изотерми- ческий	РV = const	> 0	> 0	0	Q = A
		< 0	< 0	0
Изохорный	= const	> 0	0	> 0	Q =ΔU
		< 0	0	< 0
Изобарный	= const	> 0	> 0	> 0	Q = A + ΔU
		< 0	< 0	< 0
Адиабатный	РV^γ = const	0	> 0	< 0	A ^′ = ΔU
		0	< 0	> 0

4.3. Объяснение невозможности создания вечного двигателя.

Если Q = 0; то ΔU = – A или – ΔU = A. То есть двигатель перестанет работать, если будет исчерпан весь запас внутренней энергии. Первый закон термодинамики объясняет теоретическую невозможность создания вечного двигателя. Но еще до открытия этого закона многовековая практика привела ученых к выводу: нельзя совершать работу без затраты внешней энергии.

Так, еще Леонардо да Винчи писал: «О, искатели постоянного двигателя, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках».

В 1775 году Французская академия наук заявила: «Построение вечного двигателя абсолютно невозможно», – и перестала рассматривать любые проекты вечных двигателей.

4.5. Рассмотрим процессы теплообмена между телами в замкнутой системе.

Q1 + Q1+ Q3+… = 0 – уравнение теплового баланса.

Каждое слагаемое уравнения может быть как положительным, так и отрицательным.

Если тело получило какое–то количество теплоты, то теплоту, принято считать положительной, а если отдало, то теплота – отрицательная величина.

Эксперимент. Возьмем пробирку с плотно закрытой пробкой со стеклянной трубкой малого диаметра, в которой оставьте 1-2 капли подкрашенной воды, чтобы образовался небольшой столбик воды вблизи пробирки.

Установите пробирку в лапке штатива в горизонтальном положении. С помощью руки нагрейте воздух в пробирке и наблюдайте за столбиком воды в трубке. Затем отпустите руки и вновь понаблюдайте за перемещением столбика воды. Результаты опыта объясните.

Качественная задача. Обращали ли вы внимание на туманное облачко, которое появляется у горлышка бутылки с охлажденной газированной водой сразу, после ее открывания? Чем это вызвано? (В бутылке с газированной водой всегда имеется немного сжатого газа. При открывании бутылки, газ адиабатически расширяется, совершая против сил атмосферного давления, работу. В результате температура газа понижается, внутренняя энергия его уменьшается. Водяной пар, который содержится в газе, конденсируется в виде туманного облачка).

Второй закон термодинамики

Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут.

Необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений. Немецкий ученый Р. Клаузиус (1822-1888) сформулировал этот закон так: невозможно передать энергию (теплоту) от менее нагретой системы к более нагретой без одновременного изменения этих двух систем или окружающих тел.

То есть можно говорить о необратимости тепловых процессов – нельзя обратить их вспять от их естественного протекания (кроме тех случаев, когда обратимый процесс является частью более сложного процесса).

Метапредметность

В развитии природы существуют две тенденции. Первая – это способность к самосохранению, что обеспечивает стабильность мира. На протяжении тысяч лет, отмеченных в истории человечество, мир выступает как достаточно стабильная система.

Библия говорит, что грехопадение привело к катастрофическим изменениям в материальном мире, в самой природе. Это сказано в словах «проклята земля за тебя», «тернии и волчицы произрастит она», «в поте лица будешь добывать хлеб свой», т.е. с грехопадением вошла в мир смерть, в природе запущен процесс распада, разрушения. В науке такое разрушение описывается в термодинамике. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия (хаос, беспорядок) в замкнутой системе не уменьшается.

Например, энергия Солнца нагревает нашу планету, превращается в движение воздуха, формирует течения вод океанов, благодаря ей где-то тают льды, на горах образуются снежные шапки, меняющаяся температура днем и ночью, смена времен года, всё это происходит за счет солнечной энергии, её неравномерному распределению. Однако энергия, излучаемая Солнцем, не возвращается назад, а рассеивается. Рассеяние энергии приводит к её переводу из состояния, в котором возможно совершение работы, из состояния, которое приводит тела в движение, в состояние, которое уже ничему не способствует. Мы в этом постоянно убеждаемся в быту.

Например, нагретый чайник, если его снять с огня, остывает, и не зафиксировано ни одного случая, чтобы за счет слегка охлажденного воздуха в комнате кому-то удалось нагреть чайник. Все идет только в одном направлении. Точно так же и в работе нашего организма все направлено к постепенному старению и, в конечном счете, к смерти. Второй закон термодинамики, по сути, задает нам направление времени. Реальное время, в котором мы живем, обладает необратимостью. Так что можно сказать, что время и энтропия определенным образом взаимосвязаны.

В рассматриваемой нами части Вселенной действует закон сохранения энергии, т.е. рассеянная энергия никуда не исчезает, а создаёт некий энергетический фон всего пространства. Но за счет этой энергии ничего нельзя сделать, точно так же как нельзя собрать и использовать энергию, рассеявшуюся в пространстве комнаты от нагретого чайника. И вот что важно: со временем область «мертвой» энергии возрастает. Если вспомнить известную формулу А. Эйнштейна Е = mc². Энергия (Е) прямо пропорциональна массе (m). Фоновая энергия увеличивается => увеличивается «фоновая» масса, а «обычной» массы становится меньше.

Рассмотрим окружающую среду. Сейчас остро стоит проблема её загрязнения. И жизненные силы Земли уже не такие, какие были несколько тысячелетий назад. Вспомним эпизод из Библии, когда посланцы от еврейских колен пошли в землю обетованную и двое мужчин в доказательство плодородия Земли принесли огромную кисть винограда, на шесте, который положили себе на плечи; динозавры имели колоссальные размеры, деревья в три обхвата уже не растут.

Любая материальная система состоит из подсистем, которые взаимодействуют между собой, эта энергия взаимодействия тоже уменьшается. Приведенные выше сравнения плодородия, правильнее сказать жизненных сил Земли в прошлом и настоящем, демонстрируют этот процесс.

Человек в той мере, в какой он связан с природой и является соучастником общего разложения, в той же мере этот процесс отражается в социальной жизни. Например, в мире всё больше распадаются родственные связи, всё сильнее проявляется конфликт отцов и детей, ослабевают связи между поколениями и т.д.

В конце ХIХ начало ХХ века процесс роста энтропии очень ярко отразился в искусстве (возникновение кубизма, футуризма), в философии (Энгельс писал: «Всё, что возникает, достойно гибели»), музыке.

Энтропию уменьшить можно. В тех случаях, когда мы видим восстановление связи людей с Богом, то и жизнь, соответственно, начинает изменяться в лучшую сторону.

Но не учитывать реальный рост энтропии тоже будет ошибочным. К сожалению, даже в православной среде нередко наблюдается игнорирование энтропийных процессов. Например, многие считают безгрешными детей, не учитывают разницу в условиях духовного становления личности по сравнению с предыдущими эпохами. Педагогам необходимо учитывать состояние педагогического пространства. Скажем, школьники лет 12-13 сейчас уже впитали в себя очень много греховных впечатлений. Игнорирование этого внутреннего распада приводит к излишней идеализации.

В настоящее время много делается такого, что дает нам надежду на духовное возрождение. Идут службы в храмах, люди приобщаются святых таинств. Многие каются в грехах и получают прощение. А что значит получить прощение от Бога? Это значит, что не только прощен сам грех, но и его последствия – его энтропийные, разрушительные, хаотизирующие воздействия – сглажены, уменьшены. Чем больше будет на Земле людей, осознающих свою греховность, испытывающих раскаяние, тем медленнее будут процессы распада. Вместе с духовным возрождением человека происходит духовное возрождение мира.

Задача 1. В цилиндре под поршнем находится 1,25 кг воздуха. Для его нагревания на 4⁰С при постоянном давлении было затрачено 5 кДж теплоты. Определите изменение внутренней энергии воздуха, молярная масса которого 0,029 кг/ моль.

Дано:

m = 1,25 кг;

∆t⁰ = 4⁰С;

Q = 5 кДж = 5 · 10³Дж;

μ = 0,029 кг/ моль;

R = 8,31 Дж/моль ·⁰К

Найти:

∆U - ?

Решение:

Запишем первый закон термодинамики в виде:

Q = ∆U +

где Q – количество теплоты, переданное системе, которое идет на изменение внутренней энергии системы ∆U и на совершение системой работы над внешними телами.

Тогда измерение внутренней энергии ∆U = Q - .

Работа системы Р∆V.

Воспользуемся уравнением Менделеева–Клапейрона для двух состояний системы:

Р₁ V₁= RТ_1; Р₂ V₂= RТ₂. Так как Р₁ = Р₂, то

Р(V₂ - V₁) = R(Т₂ - Т₁), или Р∆V = R∆Т

Тогда работа системы

= R∆Т; = [ ]

Изменение внутренней энергии:

∆U = Q - R∆Т;

∆U = 5 · 10³– · 8,31·4 = 3667 Дж.

Ответ: ∆U = 3667 Дж = 3,567 кДж.

Задача 2. 0,2 кг азота нагревают при постоянном давлении от 20 до 80⁰С. Какое количество теплоты поглощается при этом? Какую работу производит газ?

Удельная теплоемкость азота С = 10⁸ Дж/кг ·⁰К

Дано:

m = 0,2 кг;

Р =