16. Состояние системы. Процесс. Первый закон (первое начало) термодинамики
Системой тел называют совокупность рассматриваемых тел. Примером системы может быть жидкость и находящийся в равновесии с ней пар. В частности, система может состоять из одного тела.
Всякая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, объемом и т.д. Величины, характеризующие состояние системы, называют параметрами состояний.
Не всегда какой-либо параметр системы имеет определенное значение. Если, например, температура в разных точках тела неодинакова, то телу нельзя приписать определенное значение температуры. В этом случае состояние системы называют неравновесным.
Равновесным состоянием системы называют такое состояние, при котором все параметры системы имеют определенные значения, остающиеся при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго.
Процессом называют переход системы из одного состояния в другое.
Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Изменение внутренней энергии системы при её переходе из одного состояния в другое (независимо от пути, по которому совершается переход) равно разности значений внутренней энергии в этих состояниях.
Согласно первому началу термодинамики количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.
Применение первого закона термодинамики к процессам в газах. Адиабатный процесс.
Изотермический процесс (Т=const)
,
т.к.
.
Работа газа в изотермическом процессе
.
Изохорный процесс (V=const)
,
так как
Следовательно
Изобарный процесс (p=const)
.
Адиабатный процесс (Q = 0).
Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой.
Уравнение
адиабаты (уравнение Пуассона) имеет вид
.
В
соответствии с первым законом термодинамики
Следовательно,
.
При
адиабатном расширении
,
поэтому
(газ охлаждается).
При
адиабатном сжатии
,
поэтому
(газ
нагревается). Адиабатное сжатие воздуха
применяют для воспламенения топлива в
дизельных ДВС.
17. Тепловые двигатели
Под тепловым двигателем понимают устройство, преобразующее энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель, у которого рабочие части периодически возвращаются в исходное положение, называют периодическим тепловым двигателем.
К тепловым двигателям относятся:
паровые машины,
двигатели внутреннего сгорания (ДВС),
реактивные двигатели,
паровые и газовые турбины,
холодильные машины.
Для работы периодического теплового двигателя необходимо выполнение следующих условий:
наличие рабочего тела (пара или газа), которое, нагреваясь при сгорании топлива и расширяясь, способно совершить механическую работу;
использование кругового процесса (цикла);
наличие нагревателя и холодильника.