Введение в термодинамику

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

В.С.ЗВОНОВ

Санкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

Предмет: термодинамика, теплопередача, гидравлика

10 апреля, 20232014 г.

Введение

Молекулярная физика изучает движение больших совокупностей молекул или атомов. В природе мы постоянно сталкиваемся с телами, состоящими из колоссального числа атомов и молекул. Так в 1 см3 воздуха при нормальных условиях содержится 2.7·1019 молекул (концентрация n измеряется в 1см-3), а в1 см3 жидкости (или твердого тела) n = 1022 см–3.

Под макроскопическими телами (макроскопические системы) понимаются тела, состоящие из очень большого числа молекул. По латыни macro означает большой. Как правило, и размеры таких тел значительно больше размеров одного атома или молекулы 10–8 см.

Молекулы или атомы находятся в непрерывном движении. Хаотическое движение молекул газа или колебательное движение молекул твердого тела (жидкости) - тепловое движение. Энергия, связанная с этим движением - внутренняя энергия тела.

Итак, имеется два подхода к изучению макроскопических явлений в макротелах:

ТЕРМОДИНАМИКА

Параметры состоянияP

давл

ение

Vобъем T

температура

Pда

влен

ие

Pда

влен

ие

Открытие пожарного насоса Ктесибий Алекснадрийский (285 – 222 годы до н.э.)

был первым ученым, открывшим свойства ветра и силу пневматики. Именно эти открытия легли в основу его многочисленных изобретений. Ктесибий родился в Александрии, его отец был парикмахером. Наделенный инженерным талантом, он приобрел большую известность благодаря своим механическим приспособлениям. Его утраченная работа «О пневматике» принесла ему звания отца науки, впервые описав свойства сжатого воздуха для использования в насосах и даже пушках.

Предположительно, Ктесебий был первым смотрителем Александрийского музея. К сожалению, о его жизни и работе известно очень немного. Ктесибий изобрел толкающий водяной насос, который, по описанию римского архитектора Витрувия (I в. до н. э.), способен был «выбрасывать при помощи воздушного давления воду по трубе вверх».

Водометная машина Ктесибия имела все основные конструктивные элементы современного пожарного насоса ручного действия.

Открытие пожарного насоса Римский насос конструкции Ктесибия, наден около

Мадрида, Испания

Описание Витрувия: «Теперь необходимо объяснить машину Ктесебия,

которая поднимает воду на высоту. Она сделана из меди, и в основании у нее два ведра друг около друга, оснащенные трубами в форме вилки, которые встречаются в резервуаре в середине. В резервуаре клапаны, хорошо подогнанные к диаметром труб, которые, закрывая отверстия, предотвращают возвращение жидкости, поданной в емкость давлением воздуха. Ведра снабжены клапанами по отверстиям в их основаниях. Поршни круглые и гладкие, хорошо смазанные, прикреплены к ведрам и двигаются с помощью рычагов, установленных сверху».

Открытие пожарного насоса Римский насос конструкции Ктесибия, наден около

Мадрида, Испания

Описание Витрувия: «Теперь необходимо объяснить машину Ктесебия,

которая поднимает воду на высоту. Она сделана из меди, и в основании у нее два ведра друг около друга, оснащенные трубами в форме вилки, которые встречаются в резервуаре в середине. В резервуаре клапаны, хорошо подогнанные к диаметром труб, которые, закрывая отверстия, предотвращают возвращение жидкости, поданной в емкость давлением воздуха. Ведра снабжены клапанами по отверстиям в их основаниях. Поршни круглые и гладкие, хорошо смазанные, прикреплены к ведрам и двигаются с помощью рычагов, установленных сверху».

Параметры состояния

(фр. Jacques Alexandre César Charles, 12 ноября 1746, Божанси, Луаре — 7 апреля 1823, Париж) — французский изобретатель и учёный. Известен как изобретатель наполняемого водородом, или другим газом легче воздуха, воздушного шара, получившего по имени изобретателя название шарльер, в противоположность монгольфьеру.

Открыл названный его именем физический закон P1/T1=P2/T2

Жак Александр Сезар Шарль

Изохорный процесс

Процесс, протекающий в термодинамической

системе при постоянном объеме,

называется изохорным.

V = const

Зависимость давления термодинамической

системы от температуры при постоянном объеме,

называется законом Шарля.

P1 = T1

P2 T2

Изохора в координатах P,V;V,T

О T

V

OO

P

VO

Изохора в координатах P,T

P

O T

изохора

1778 —1850 Закон Гей-Люссака — закон

пропорциональной зависимости объёма газа от абсолютной температуры при постоянном давлении, названный в честь французского физика и химика Жозефа Луи Гей-Люссака, впервые опубликовавшего его в 1802 году.

Следует отметить, что в англоязычной литературе закон Гей-Люссака обычно называют законом Шарля и наоборот. Кроме того, законом Гей-Люссака называют также химический закон объёмных отношений.

Жозеф Луи Гей-Люссак

Изобарный процесс

Процесс, протекающий в термодинамической системе при постоянном давлении,

называется изобарным.

Р = const

Зависимость объема термодинамической системы

от температуры при постоянном давлении,

называется законом Гей-Люссака

V1 = T1

V2 T2

Изобара в координатах P,T; P,V

P

TO

P

OV

Изобара в координатах V,T

T

V

O

изобара

Закон Гей-Люссака Р = const

Роберт Бойль (англ. Robert Boyle, ирл. Robaird Ó Bhaoill; 25 января 1627 —

30 декабря 1691)  физик, химик и богослов,

седьмой сын Ричарда Бойля, графа Коркского, вельможи времён

Роберт Бойль

Эдм Мариотт (фр. Edme Mariotte; 1620, Дижон — 12 мая 1684, Париж) — аббат, французский физик XVII века, родился в Бургундии в 1620 году.

Проживал вблизи Дижона и был приором в городке St. Martin sous Beaune. Mариотт был одним из основателей (1666) и первых членов Академии наук, основанной в Париже. Умер в Париже в 1684 г.

Важнейшие работы Мариотта собраны в его «Essais de physique» (4 выпуска, 1676—1681); из них наиболее известен второй выпуск: «De la nature de l’air» (1679), содержащий изложение известной зависимости между упругостью газа и его объёмом; тот же закон был найден на 17 лет раньше Бойлем и обычно его называют «законом Бойля-Мариотта».

Эдм Мариотт

Изотерма в координатах P;T, V;T

P

TO

T

V

O

Изотермический процесс

Процесс, протекающий в термодинамической

системе при постоянной температуре, называется

изотермическим.

T = const

Зависимость объема от давления при постоянной температуре называется законом Бойля-Мариотта.

PV = const

P1 = V2

P2 V1

Изотерма в координатах P,V

Изотерма

Закон Бойля-Мариотта

V

P

T = const

(1799-1864) Воспитывался в парижской

политехнической школе (1816—1818). В 1820 отправился со своим товарищем Ламе в Россию, где был профессором в институте путей сообщения. Вернувшись в 1830 во Францию, Клапейрон участвовал в постройке многих железных дорог и составил множество проектов по постройке мостов и дорог.

В 1858 был избран в члены парижской академии наук на место Коши. Одна из улиц Парижа получила его имя. Его имя также внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Уравнение Клайперона

Клайперон заметил,что

Если P = const, то V ~ T или PV ~ const.

Если V = const, то P ~ T или PV ~ const.

Если Т = const, то PV ~ const.

А потому для данной массы газа всегда

PV/T = const

русский учёный-энциклопедист, общественный деятель. Химик, физико-химик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, педагог, воздухоплаватель, приборостроитель. Профессор Санкт-Петербургского университета; член-корреспондент по разряду «физический» Императорской Санкт-Петербургской Академии наук. Среди наиболее известных открытий — периодический закон химических элементов, один из фундаментальных законов мироздания, неотъемлемый для всего естествознания.

Дм трий Ив нович и́� а́�Мендел еве́�

Уравнение Клайперона

PV/T = constД.И.Менделеев заметил, что

Тогда для любого газа

Уравнение Менделеева-Клайперона

Из уравнения Клайперона-Менделеева

одной массы газа следует:

P1V1 = m RT M

P2V2 = m RT M

Закон Бойля-Мариотта

(иногда уравнение Клапейрона или уравнение Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярной массой и абсолютной температурой идеального газа.

Уравнение имеет вид:

гдеP — давление,M— молярная масса,R— универсальная газовая постояннаяT — абсолютная температура,К

Уравнение состояния идеального газа

Кмоль

ДжR

31,8

Подведем итог:

P1 = V2 T = const, закон Бойля-

Мариотта

P2 V1

P1 = T1 V = const, закон Шарля

P2 =T2

V1 = T1 Р = const, закон Гей-Люссака

V2 T2

ЗАДАЧА 1

В баллоне вместимостью V=15л находится аргон под давлением P1 = 600кПа и при температуре Т1 = 300 К. Когда из баллона было взято некоторое количество газа, давление в баллоне понизилось до P2 = = 400кПа, а температура установилась T2=260К. Определить массу Δm аргона, взятого из баллона.

ЗАДАЧА 1

В баллоне вместимостью V=15л находится аргон под давлением P1 = 600кПа и при температуре Т1 = 300 К. Когда из баллона было взято некоторое количество газа, давление в баллоне понизилось до P2 = = 400кПа, а температура установилась T2=260К. Определить массу Δm аргона, взятого из баллона.

ДАНО

ЗАДАЧА 1

В баллоне вместимостью V=15л находится аргон под давлением P1 = 600кПа и при температуре Т1 = 300 К. Когда из баллона было взято некоторое количество газа, давление в баллоне понизилось до P2 = = 400кПа, а температура установилась T2=260К. Определить массу Δm аргона, взятого из баллона.

ЗАДАЧА 1

В баллоне вместимостью V=15л находится аргон под давлением P1 = 600кПа и при температуре Т1 = 300 К. Когда из баллона было взято некоторое количество газа, давление в баллоне понизилось до P2 = = 400кПа, а температура установилась T2=260К. Определить массу Δm аргона, взятого из баллона.

ЗАДАЧА 2

В баллоне находится газ при температуре Т1 = 400 К. До какой температуры T2 надо нагреть газ, чтобы его давление увеличилось в 1,5 раза.

ЗАДАЧА 2

В баллоне находится газ при температуре Т1 = 400 К. До какой температуры T2 надо нагреть газ, чтобы его давление увеличилось в 1,5 раза.

Дано

ЗАДАЧА 2

В баллоне находится газ при температуре Т1 = 400 К. До какой температуры T2 надо нагреть газ, чтобы его давление увеличилось в 1,5 раза.

Профессор Звонов Валерий СтепановичСанкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

v_zvonov@mail.ru

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

Профессор Звонов Валерий Степанович

Санкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

«Основные законы термодинамики -1 »

Профессор Звонов Валерий СтепановичСанкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

ВОПРОСЫ ?