16.Законы термодинамики.pps презентации уроков

Термодинамика.
Первый закон термодинамики.
Теплопередача.
« Подумай »
Задачи по конвекции
Тесты
Общий метод решения задач по темам
«Газовые законы», «Процессы»
выход
Термодинамика –наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем,находящихся в разновесном состоянии,
и закономерностях преобразования различных форм энергии.
Законы термодинамики имеют универсальный характер.
Первый закон термодинамики U2-U1=A+Q,где А-работа, совершаемая внешними силами над системой,Q-количество теплоты,
переданное системе внешней силы,U2-U1-приращение энергии.
Первый закон термодинамики установлен в 1850г. выдающимся
Немецким физиком Р. Клаузиусом.
меню
• Изотермический процесс.Поскольку Т=Т0,то
•
•
•
•
•
Согласно,внутренняя энергия системы не изменяется.
Находим А12+Q12=0 или Q12=А12.В случае изотермического расширения происходит передача теплоты из
внешней среды, газ расширяется и совершает положительную работу.
• Адиабатный процесс- процесс, происходящий
• без теплообмена с окружающей средой (Q=0).Этот
• процесс можно реализовать с помощью теплоизолирующей
• оболочки. Другая возможность-процесс происходит настолько
• быстро, что величина Q достаточно мала по сравнению с
измерением внутренней энергии.
• При адиабатном процессе можно изменить температуру газа,
• не подводя к нему теплоты.
меню
Теплопроводность.Рассмотрим два тела, имеющих различную
температуру и находящихся в тепловом контакте, или одно неравномерно
нагретое тело. Переход к равновесному состоянию проявляется в
возникновении потока теплоты в направлении убывания
температуры.Механизм переноса теплоты связан с передачей энергии при
столкновении молекул.Этот способ передачи теплоты называется
теплопроводностью.
Конвекция.Если в поле силы тяжести на некоторой высоте температура
воздуха или жидкости окажется больше равновесного значения,то
уменьшение плотности приведет к появлению выталкивающей силы,
благодаря которой возникает течение, стремящееся перемешать среду так,
чтобы в ней установилось однородное распределение температур.Такое
движение среды называют свободной конвекцией
Тепловое излучение.Все тела, температура которых Т>0 К,
излучают электромагнитные волны.Например, кусок железа, нагретый до
550 0C, изучает, в основном, электромагнитные волны, воспринимаемые
глазом как свет красного цвета. При комнатной температуре все тела
излучают инфракрасные волны. Если температура тела выше температуры
окружающей среды, то тело охлаждается.
меню
•
•
•
•
Температура воды в озере t1 =20 0C, температура поверхности тела
человека, стоящего на берегу, t2 =36 0C.Оцените температуру поверхности
тела человека во время плавания. Предполагается, что механизм
теплопроводности биологической ткани и воды одинаков.
Указание.Однородному потоку теплоты соответствует линейная
зависимость температуры от координаты.
Физический фокус. Вы можете развлечь друзей, показывая несложный
опыт для которого необходимо иметь стеклянную трубку диаметром 8 – 12
мм, длиной 30 – 40см. В конце трубка имеет сужение диаметром около 1
мм. Налейте в стакан воду, нагретую до 80 –90 0C.Опустите трубку узким
отверстием в стакан и подождите, пока в нее войдет вода. Закрыв верхнее
отверстие трубки пальцем, вы быстро вынимаете ее из стакана и
переворачиваете. Из трубки бьет струя на высоту более метра.
А. Объясните физические явления, приводящие к наблюдаемому
эффекту.
Б. Почему в промежутке между демонстрациями трубку следует
охладить.
меню
А. Объясните, почему в невесомости конвекция отсутствует.
Б. Почему в космических кораблях создают искусственную систему
вентиляции.
В.
Почему остывает вода в термосе.
С. Почему средняя температура t=15 0С поверхности Земли
постоянна.
Д. Почему подвал – самое холодное место дома.
Е. Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными
способами: через стены, через открытое окно, в которое входит теплый
воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким
видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?
меню
1.Скажите, какое из следующих утверждений
верно:
А) теплота – одна из форм энергии;
Б) тело содержит определенное количество теплоты;
В) температура – характеристика равновесного состояния;
Г) молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с
другом, за исключением коротких интервалов
времени,когда они сталкиваются;
Д) внутренняя энергия идеального газа представляет
собой среднюю кинетическую энергию теплового
движения его молекул;
ответы
меню
2. Состояние идеального газа задаётся значениями температуры Т и
давления p. Внутренняя энергия газа имеет наибольшее значение состояния:
а) Т0,,,р0 ; б) Т0, 2р0; в) Т0, 5р0; г) Т0, 10р0; д) 2Т0 ,р0.
,
3 – 4. Если Q – количество теплоты, переданное газу ,А - работа,
совершаемая газом над внешними телами,ΔU – приращение внутренней
энергии, то:
1) В процессе изотермического расширения:
,
,
,
а) Q < 0, А > 0; б) Q = 0, А >0; в) Q = 0, А < 0;
,
г) Q > 0, А >0;
,
д)U > 0, А >0;
2) В процессе адиабатного расширения:
,
,
,
в)Q
<0,
А
<0;
а) Q < 0, А > 0; б) Q=0, А >0;
,
г)U>0, А >0; д)U <0, А >0.
,
ответы
ответы
5. На рис. 4.4 изображен график изотермического процесса в
координатах температура – объем. При переходе из состояния а в
состояние б:
Т
а) происходит нагревание газа;
Т0
b
a
б) газу сообщили количество теплоты;
в) давление уменьшается;
г) работа, совершаемая внешними телами,
положительна;
д) внутренняя энергия газа возросла.
ответы
ответы
V1
Рис. 4.4
V2
V
6. На рис. 4.5 изображен график процесса в координатах давление – объем.
При переходе из состояния р0 , V0 в состояние р0 / 2, 2V0 газу сообщили
количество теплоты:
а) 1/4p0V0;
б) 1/2 р0V0;
в) 3/4p0V0;
г) р0V0;
д) 2р0V0;
ответы
р
р0
а
Р0/2
б
V0
2V0
Рис. 4.5
V
7. Молярные массы титана и молибдена соответственно равны m= 48* 10 –3
кг/ моль и m2=96* 10 –3 кг/ моль. Для нагревания 1 кг титана на 1К
необходимо передать количество теплоты Q. Для нагревания 1 кг молибдена
на 1 К необходимо количество теплоты:
а) Q;
б) 2Q;
в) 0,5Q;
г) 4Q;
д) 0,25Q;
ответы
8. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа U = 300 Дж. Газ
занимает объем V=2 л. Давление газа:
а) 100 Па;
б) 103 Па;
в) 10 4 Па;
г) 10 5 Па;
д) 10 6 Па;
9. На рис. 4.6 изображены графики двух процессов а -б и а – с в
координатах давление – объем. Точки б и с лежат на изотерме.
Отношение работ, совершаемых газом в процессах а –с и а – б:
р
а) 5/8 ;
с
Рис.4.6
б)3/4 ;
а
б
в) 3/8 ;
г)1/2 ;
д) 1/ 4 ;
ответы
Т
1.
-д
2.
-г
3.
-г
4. – д
5. - г
6. – а
7. - б
8.
- г
9.
-в
Вернуться к тесту
Общий метод решения задач по темам
«Газовые законы», «Процессы»
1.
2.
3.
4.
5.
Запишите параметры состояния, указанные в условии
задачи.
Запишите уравнение (3.2) для каждого состояния.
Запишите уравнение процесса.
Если объём газа ограничен подвижным поршнем или
поверхностью жидкости, то необходимо записать условие
механического равновесия.
Полученные соотношения должны представлять собой
систему уравнений относительно неизвестных величин.
Решите систему уравнений.
Задача 3.7
Тонкостенный цилиндрический стакан высотой а=11,96 см закрыт невесомым поршнем,
который может скользить без трения по внутренней поверхности. Внутри стакана находится
воздух при атмосферном давление p 0=105 ПА. Вначале стакан плавает в воде , погрузившись
на глубину b= 10 см (рис. 3.2а).Предположим, что сжатие воздуха представляет собой изотермический процесс. Этого можно добиться, медленно погружая стакан в воду.
Рис. 3.2а
Решение
Пусть mс - масса стакана, m- масса воздуха в стакане. В исходном положении (
рис.3.2а) давление воздуха в стакане p1 =p0 , объем V1=a S( S-площадь
поперечного сечения стакана),температура Т1=Т. Уравнение состояние и условие
плавания имеют вид
p0aS =m R T/ M,
p g b S – mcg =0
(1)
(m<< m0)
(2)
В положение,изображенном на рис.3.2б, H – расстояние от поверхности воды до
дна стакана, х – расстояние между дном и поршнем. Давление воздуха в стакане p2
= p0 + p g (H – х), объём воздуха V2 = х S, температура Т2= Т.Уравнение состояния
и условия плавания:
(p0 + pg ( H – x)) x S=m R T \ M
(3)
p g x S – m c g =0.
(4)
Из уравнений (2 ) и ( 4 ) мы получим очевидный результат x=b: в начальном и
конечном состояниях выталкивающая сила должна быть одинакова. Подставляя
значение x=b в ( 3 ) и исключая из (1),(3) массу воздуха, получаем уравнение
откуда
(p0 + pg ( H –b ))b = p0a,
( 5)
H =b +p0 ( a – b)/(p g b ).
(6 )
Подставляя числовые данные, получаем H=2,1м.
Б. Погрузим стакан на глубину H1=2.6 м. Насколько должно измениться
атмосферное давление, чтобы стакан всплыл ?
Решение
Атмосферное давление p1, при котором стакан всплывет,
удоволетворяет уравнению, анологичному (5):
(p1+pg(H1-b))=p0a.
Учитывая (6),находим приращение атмосферного давления:
p=p1-p0=pg(H-H1),
p= - 4.9 к Па.
ЗАДАЧА 3.9
р
Состояние газа изменяется в соответствии
2р0
С циклическим процессом
abcda,изображенным на рис.3.4а в
координатах (p,T).
В таблице на рис.3.4б приведены
некоторые параметры газа в состояниях
а,b,
C,d.
А. Заполните пустые клетки таблицы.
P
V
T
a
b
c
d
2p0
v0
2T0
2p0
p0
p0
2T0
T0
р0
а
d
b
c
Т0
Т
2Т0
Б. Представьте диаграмму цикла
в координатах (V,Т) на рис .3.4в.
V
.
Т0
.
.
2Т0
.
Рис. 3. 4б
Рис. 3. 4в
.
Т
Задача 4.1
На рис. 4.1 изображена pV- диаграмма
цикла abcda, проведенного с v молями
газа.Найдите работы А1,совершаемую
газом.
Решение
На участке ab совершаемая работа
согласно (А1 12= p0 (V2 –V1 ) равна
А1ab=p2(V2 –V1)
На участках bc da поршень
неподвижен: газ работы не
совершает.На участке cd работа А1cd
=p1 (V1 –V2 ). Полная работа А1(p2 –p1 )
(V2 –V1 ) численно равна площади
прямоугольника abcd.
p
a
p2
b
p1
c
d
V1
V2
Рис. 4.1
V
Задача 6.1
Воздух влажностью f=h·100% находится при давление p и
температуре Т. Найдите плотность влажного воздуха.
Решение
Плотность влажного воздуха, находящегося в объёме V,
=(mв + mп )/V
р=р в +р п
pв V/T= mв R/Mв;
pп V/T=mп R/Mп .
h=pп /pн.
=Mв p/(RT)-(Mв – M п)hpн /(RT).
При одинаковых условиях в 1 м3 сухого и влажного воздуха
содержится одинаковое количество молекул.
m=V(Mв – Mп ) hpн /( RT). – уменьшение массы воздуха в объёме V.