Теплоемкость тела - это физическая величина, определяемая отношением количества теплоты, поглощенной телом при нагревании, к изменению его температуры:

Физический смысл теплоемкости тела: теплоемкость тела равна количеству теплоты, поглощенному телом при нагревании или выделенному при его охлаждении на 1К.

Так как теплоемкости переменные величины, то различают среднюю и истинную теплоемкости. Под средней теплоемкостью понимают отношение количества теплоты q , подведенной к единице количества вещества (газа), к изменению его температуры от t 1 до t 2 при условии, что разность температур t 2 – t 1 является величиной конечной. Средние массовая, объемная и мольная теплоемкости соответственно обозначаются через c m , c m ’ и m . Из определения средней теплоемкости следует, что если температура газа повышается от t 1 до t 2 то его средняя теплоемкость [кДж/(кг*К)]

Под истинной теплоемкостью понимают теплоемкость газа, соответствующую бесконечно малому изменению температуры газа, соответствующую бесконечно малому изменению температуры dt , т. е.

c = dq/dt,

откуда dq = cdt.

Удельная теплоемкость - это способность разных веществ к поглощению теплоты при их нагревании. Удельная теплоемкость вещества определяется отношением количества теплоты, полученной им при нагревании, к массе вещества и изменению его температуры, если :

соотношение, выражающее связь между молярными теплоемкостями Cp и CV, имеет вид (формула Майера) : Cp = CV + R. ИЛИ БОЛЕЕРАЗВЕРНУТО Теплоёмкость идеального газа Если в результате теплообмена телу передается некоторое количество теплоты, то внутренняя энергия тела и его температура изменяются. Количество теплоты Q, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К называют удельной теплоемкостью вещества c. c = Q / (mΔT). Во многих случаях удобно использовать молярную теплоемкость C: C = M · c, где M – молярная масса вещества. Определенная таким образом теплоемкость не является однозначной характеристикой вещества. Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии тела зависит не только от полученного количества теплоты, но и от работы, совершенной телом. В зависимости от условий, при которых осуществлялся процесс теплопередачи, тело могло совершать различную работу. Поэтому одинаковое количество теплоты, переданное телу, могло вызвать различные изменения его внутренней энергии и, следовательно, температуры. Такая неоднозначность определения теплоемкости характерна только для газообразного вещества. При нагревании жидких и твердых тел их объем практически не изменяется, и работа расширения оказывается равной нулю. Поэтому все количество теплоты, полученное телом, идет на изменение его внутренней энергии. В отличие от жидкостей и твердых тел, газ в процессе теплопередачи может сильно изменять свой объем и совершать работу. Поэтому теплоемкость газообразного вещества зависит от характера термодинамического процесса. Обычно рассматриваются два значения теплоемкости газов: CV – молярная теплоемкость в изохорном процессе (V = const) и Cp – молярная теплоемкость в изобарном процессе (p = const). В процессе при постоянном объеме газ работы не совершает: A = 0. Из первого закона термодинамики для 1 моля газа следует QV = CVΔT = ΔU. Изменение ΔU внутренней энергии газа прямо пропорционально изменению ΔT его температуры. Для процесса при постоянном давлении первый закон термодинамики дает: Qp = ΔU + p(V2 – V1) = CVΔT + pΔV, где ΔV – изменение объема 1 моля идеального газа при изменении его температуры на ΔT. Отсюда следует: Отношение ΔV / ΔT может быть найдено из уравнения состояния идеального газа, записанного для 1 моля: pV = RT, где R – универсальная газовая постоянная. При p = const Таким образом, соотношение, выражающее связь между молярными теплоемкостями Cp и CV, имеет вид (формула Майера) : Cp = CV + R.

Газовая постоянная численно равна работе расширения 1 моля идеального газа под постоянным давлением при нагревании на 1 K. R = pV/T = 1.01 10 5 22.4 10-3/273[Па м 3 /моль]/K =8.31(44) Dж/(моль K)

Универсальная газовая постоянная - универсальная, фундаментальная физическая константа R, равная произведению постоянной Больцмана k на постоянную Авогадро

Физический смысл: Газовая постоянна я численно равна работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К

В системе СГС Газовая постоянная равна:

Удельная Газовая постоянная равна:

Показатель адиабаты (иногда называемый коэффициентом Пуассона ) - отношение теплоёмкости при постоянном давлении () к теплоёмкости при постоянном объёме (). Иногда его ещё называют фактором изоэнтропийного расширения . Обозначается греческой буквой (гамма) или (каппа). Буквенный символ в основном используется в химических инженерных дисциплинах. В теплотехнике используется латинскаябуква .

Смесью газов называется совокупность нескольких разнородных газов, которые при рассматриваемых условиях не вступают друг с другом в химические реакции.

Смесь газов – гомогенная термодинамическая система (внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга макроскопические части системы, различающиеся по своим свойствам и составу).

Парциальным давлением P i i-го газа в смеси называется давление, под которым находился бы этот газ, если бы из смеси были удалены все остальные газы, а V и T остались прежними.

Закон Дальтона - Давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом химически, равно сумме парциальных давлений этих газов.

Для того чтоб понять, что представляет из себя закон Дальтона , рассмотрим для этого воздух в комнате. Он представляет собой смесь нескольких газов: азота (80%), кислорода (20%). Парциальное давление каждого из этих газов - это давление, которое имел бы газ, если бы он один занимал весь объем. К примеру, если бы все газы, кроме азота, удалили из комнаты, то давление того, что осталось, и было бы парциальным давлением азота. Закон Дальтона утверждает, что общее давление всех газов вместе взятых равно сумме парциальных давлений каждого газа в отдельнсти. (Строго говоря, закон применим только к идеальным газам, но с достаточно хорошим приближением он описывает также и реальные газы.)

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение Δ U внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q , переданной системе, и работой A , совершенной системой над внешними телами.

ΔU = Q – A .

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Q = ΔU + A .

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила названиевечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода . Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,

Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:

Q = U (T 2) – U (T 1) + p (V 2 – V 1) = ΔU + p ΔV .

1. При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T 2 < T 1 ; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

   В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением

Q = A .

Количество теплоты Q , полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками , а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими .

В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

A = –ΔU ,

По своему физическому смыслу первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения (изменения) энергии в термодинамике. Если, согласно закону изменения энергии в механике, работа неконсервативных сил равна приращению механической энергии системы (в частности, имеющая отрицательный знак работа сил трения равна уменьшению механической энергии системы), то согласно первому началу термодинамики, приращение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме работы внешних сил, совершенной над системой, и энергии, переданной системе путём теплопередачи. Энтальпия (от греч. enthalpo - нагреваю) - это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Энтальпия - это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия - это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии - британская тепловая единица или Джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии. 11 вопрос

Известно, что подвод теплоты к рабочему телу в каком-либо процессе сопровождается изменением температуры. Отношение теплоты, подведённой (отведённой) в данном процессе, к изменению температуры называется теплоёмкостью тела .

где dQ - элементарное количество теплоты

dT - элементарное изменение температуры.

Теплоёмкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к системе, чтобы при заданных условиях повысить температуру на 1 градус. Измеряется в [Дж/К].

Количество теплоты, подведённое к рабочему телу, всегда пропорционально количеству рабочего тела. Например, количество теплоты, необходимое для нагревания на 1 градус кирпича и кирпичной стены неодинаково, поэтому для сравнения вводят удельные величины теплоёмкости, отнеся подведённую теплоту к единице рабочего тела. В зависимости от количественной единицы тела, к которому подводится теплота в термодинамике , различают массовую, объёмную и мольную теплоёмкости.

Массовая теплоёмкость - это теплоёмкость, отнесённая к единице массы рабочего тела,

.

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К называется массовой теплоёмкостью.

Единицей измерения массовой теплоёмкости является Дж/(кг К). Массовую теплоёмкость называют также удельной теплоёмкостью.

Объёмная теплоёмкость - теплоёмкость, отнесённая к единице объёма рабочего тела,

.

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 м 3 газа на 1 К называется объёмной теплоёмкостью.

Объёмная теплоёмкость измеряется в Дж/(м 3 К).

Мольная теплоёмкость - теплоёмкость, отнесённая к количеству рабочего тела,

,

где n - количество газа в моль.

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моль газа на 1 К называется мольной теплоёмкостью.

Мольную теплоёмкость измеряют в Дж/(моль×К).

Массовая и мольная теплоёмкости связаны следующим соотношением:

или С m = mс, где m - молярная масса

Теплоёмкость зависит от условий протекания процесса. Поэтому обычно в выражении для теплоёмкости указывается индекс х, который характеризует вид процесса теплообмена.

.

Индекс х означает, что процесс подвода (или отвода) теплоты идёт при постоянном значении какого-либо параметра, например, давления, объёма.

Среди таких процессов наибольший интерес представляют два: один при постоянном объёме газа, другой при постоянном давлении. В соответствии с этим различают теплоёмкости при постоянном объёме C v и теплоёмкость при постоянном давлении C p .

1) Теплоёмкость при постоянном объёме равна отношению количества теплоты dQ к изменению температуры dT тела в изохорном процессе (V = const):

;

2) Теплоёмкость при постоянном давлении равна отношению количества теплоты dQ к изменению температуры dT тела в изобарном процессе (Р = const):

Для понимания сути этих процессов рассмотрим пример.

Пусть имеется два цилиндра, в которых находится по 1 кг одного и того же газа при одинаковой температуре. Один цилиндр полностью закрыт (V = const), другой цилиндр сверху закрыт поршнем, который оказывает на газ постоянное давление Р (P = const).

Подведём к каждому цилиндру такое количество тепла Q, чтобы температура газа в них повысилась от Т 1 до Т 2 на 1К. В первом цилиндре газ не совершил работу расширения, т.е. количество подведённого тепла будет равно

Q v = c v (T 2 - T 1) ,

здесь индекс v - означает, что теплота подводится к газу в процессе с постоянным объёмом.

Во втором цилиндре, кроме повышения температуры на 1К, произошло ещё передвижение нагруженного поршня (газ изменил объём), т.е. была совершена работа расширения. Количество подведённого тепла в этом случае определится из выражения:

Q р = c р (T 2 - T 1)

Здесь индекс р - означает, что тепло подводится к газу в процессе с постоянным давлением.

Общее количество тепла Q p будет больше Q v на величину, соответствующую работе преодоления внешних сил:

где R - работа расширения 1 кг газа при повышении температуры на 1К при Т 2 - Т 1 = 1К.

Отсюда С р - С v = R

Если поместить в цилиндр не 1 кг газа, а 1 моль, то выражение примет вид

Сm Р - Сm v = R m , где

R m - универсальная газовая постоянная.

Это выражение носит название уравнения Майера .

Наряду с разностью С р - С v в термодинамических исследованиях и практических расчетах широкое применение имеет отношение теплоемкостей С р и С v , которое называется показателем адиабаты .

k = С р / С v .

В молекулярно - кинетической теории для определения k приводится следующая формула k = 1 + 2/n,

где n - число степеней свободы движения молекул (для одноатомных газов n = 3, для двухатомных n = 5, для трёх и более атомных n = 6).

Теплоемкость тела характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагревание этого тела на один градус (Дж/град). Если для увеличения температуры тела на Т градусов необходимо сообщить ему ΔQ джоулей, то средняя теплоемкость тела в интервале ΔТ определяется как:

Теплоемкость тела пропорциональна массе и зависит от вещества тела. Удельная теплоемкость С уд данного вещества (дерева, железа, воздуха и т. д.) характеризуется количеством тепла на один градус, и измеряется в Дж/кг град. Удельная теплоемкость.

Для газов удобно пользоваться молярной теплоемкостью (С мол или просто С), характеризующейся количеством теплоты, нужным для нагревания одного киломоля данного вещества на один градус.

Очевидно, что

С уд /Дж/кг * град/ * μ/кг/кмоль/ = С /Дж/кмоль * град/.

Поскольку в 1 киломоле любого газа содержится одинаковое количество молекул, а средняя кинетическая энергия молекул не зависит от их массы, то можно ожидать, что молярные теплоемкости всех достаточно разреженных газов должны быть одинаковыми.

Теплоемкость тела существенно зависит от того, как меняются состояния тела в процессе нагревания. Рассмотрим для простоты идеальный одноатомный газ. Если мы будем нагревать газ, заключенный в замкнутом объеме, V = const (рис. 1, а), то все подводимое тепло ΔQ будет идти только на увеличение внутренней энергии газа. Тогда первое начало термодинамики при ΔA = 0 будет иметь вид: ΔQ = ΔU.

При этом температура газа будет возрастать в соответствии с увеличением его внутренней энергии, откуда следует, что температура идеального газа пропорциональна его внутренней энергии. Давление газа Р. также будет возрастать пропорционально температуре. Обозначим теплоемкость газа при постоянном объеме через С.

Если хотим, чтобы в процессе нагревания сохранилось давление, газу следует предоставить возможность расширяться. Для этого поместим газ в цилиндр с поршнем, на который действует постоянное давление Р. = const (рис. 1, б). Так как внутренняя энергия U идеального газа не зависит от его объема, то количество теплоты, необходимое для ее увеличения, останется тем же. Но при нагревании газа до той же температуры часть подводимого тепла расходуется теперь на работу против внешних сил при расширении газа. Следовательно, для нагревания газа до той же температуры, как и в предыдущем случае (V = const), придется затратить большее количество теплоты. Таким образом, теплоемкость ΔQ/ΔТ газа при постоянном давлении, которую мы обозначим через С р. , будет больше, чем С V .

Рассмотренный пример очень важен. Он показывает, что количество теплоты ΔQ, необходимое для нагревания газа на ΔТ градусов, существенно зависит от дополнительных условий – характера измерений других микроскопических параметров, определяющих состояние газа, т. е. Р. и V. Кроме рассмотренных процессов, характеризуемых простейшими дополнительными условиями V = const и Р. = const, можно рассмотреть и множество других, отвечающих различным изменениям V и Р. при нагревании. Каждому процессу будет отвечать своя теплоемкость С.

Величины С р. и С v для идеального газа оказывается связанными простым соотношением:

С р. – С v = R (2)

Это соотношение носит название закона Роберта Майера, полученного им в 1842 году.

Для идеального газа молярная теплоемкость при постоянном давлении превышают молярную теплоемкость при постоянном объеме на величину R т. е. на 8,31 кДж/кмоль град.

Универсальная газовая постоянная R численно равна работе расширения киломоля идеального газа при нагревании его на один градус при постоянном давлении.

Опыт показывает, что во всех случаях превращение механической энергии в тепловую и обратно совершается всегда в строго эквивалентных количествах. Поскольку тепловое движение есть в конечном счете, тоже механическое движение отдельных молекул (только не направленное, а хаотическое), то при всех этих превращениях должен соблюдаться закон сохранения энергии с учетом энергии не только внешних, но и внутренних движений. Такая общая формулировка этого закона носит название первого начала термодинамики и записывается в виде:

ΔQ = ΔU + ΔA, т. е.

Количество теплоты, сообщенное телу (ΔQ), идет на увеличение внутренней энергии (ΔU) и на совершение теплом работы (ΔА).

Однако, если сосуд с расширяющим газом теплоизолировать от окружающей среды, то теплообмен будет отсутствовать, т. е. ΔQ = 0. Процесс, происходящий при таком условии, называется адиабатическим. Уравнение первого начала термодинамики для адиабатического процесса тогда примет вид:

ΔQ = 0 0 = ΔU + ΔA или ΔА = - ΔU. (3)

Следовательно, при адиабатическом процессе работа совершается только за счет внутренней энергии газа. При адиабатическом расширении газ совершает работу, а его внутренняя энергия и, следовательно, температура падают. При адиабатическом сжатии работа газа отрицательная (внешняя среда производит работу над газом), внутренняя энергия и температура газа возрастают.

Теплоемкость при адиабатическом процессе будет равна 0, т. е.

Уравнение, описывающее адиабатический процесс имеет вид:

PV γ = const ; где γ = С Р /С V . (4)

Так как С Р >С V , то γ>1 и кривая, изображаемая уравнением (4), идет круче изотермы (рис. 2). Величина работы адиабатического процесса может быть особенно просто вычислена с помощью уравнения (3):

Для одноатомного газа С =12,5кДж/к моль град, С р. =С v + =20,8 кДж/к моль град и показатель степени адиабаты γ=С Р /С v =1,67.

Для двухатомных газов при обычных температурах

g=29,1/20,8=1,4.

Для многоатомных газов γ еще ближе к единице.

В быстроходных двигателях внутреннего сгорания и при истечении газов через сопла реактивных двигателей процесс расширения газа протекает настолько быстро, что его можно считать практически адиабатическим и

рассчитывать по уравнению /4/.

Опыт также показывает, что для звуковых колебаний с минимальными частотами за время одного колебания /~0,1с/температура между сжатыми/ и тем самым разогретыми/ и разряженными /и тем самым охлажденными/ областями волны не успевает выравниваться. Практически процесс распространения звука можно считать адиабатическим, так что скорость распространения звука в идеальном газе определяется выражением:

Отсюда легко найти :

Таким образом, определение γ сводится к измерению скорости звука и абсолютной температуры воздуха. В данной работе скорость звука определяется методом стоячих волн - методом Кундта.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 3. Телефон т, получая электрический сигнал от генератора1, излучает звуковые волны в трубу 2. Достигнув микрофона М, звуковая волна преобразуется в напряжение, которое поступает на вертикально отклоняющие пластины У электронного осциллографа 3.Напряжение на горизонтально отклоняющие пластины X подается непосредственно с выходных клемм звукового генератора. Телефон жестко закреплен на левом конце трубы, а микрофон может свободно перемещаться внутри нее.

Фазовый сдвиг сигнала, поступающего на пластины У, относительно сигнала, подведенного к пластинам X зависит от времени, которое тратит звук на прохождение расстояния между микрофоном и телефоном, может быть использована для определения длины волны λ. При включении установки на экране осциллографа должен быть виден эллис. Изменяя расстояние между микрофоном и телефоном, можно добиться превращения эллипса в прямую линию. Если теперь сместить микрофон на λ/2, то на экране вновь возникнет прямая линия, проходящая на этот раз через другие квадранты. При дальнейшем смещении прямая вновь переменит свое направление и т.д. Таким образом, при помощи фигур, получивших название фигур Лиссажу, можно непосредственно измерить длину звуковой волны в воздухе и по формуле определить скорость звука, где - частота генератора в Гц.

III.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Включите осциллограф и дайте ему прогреться в течение 10 минут.

2. Включите и настройте звуковой генератор на частоту /частота задается преподавателем/.Установите напряжение на выходе генератора 1,5 В.

3. Установите указатель штока микрофона 5 в крайнее правое положение шкалы 4 /рис/, при этом на экране осциллографа появится фигура Лиссажу /эллипс или прямая линия/.

4. Перемещая шток с микрофоном в лево, зафиксируйте положение штока микрофона / /, при которых эллипс превращается в четкую прямую линию, что соответствует узлам стоячей волны /отсчет производить в см по шкале 4/.

5. Вычислите разность между узловыми точками, которая является половиной длины волны .

11.Сделайте выводы.

IV. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

Смотри работу №10.

Теплоемкостью называют количество теплоты, которое необходимо сооб­щить телу (газу), чтобы повысить тем­пературу какой-либо количественной единицы на 1° С.

Для определения значений перечис­ленных выше тепло­емкостей доста­точно знать величину одной какой-либо - из них. Удобнее, всего иметь величину мольной теплоем­кости, то­гда массовая теплоемкость:

а объемная теплоемкость:

Объемная и массовая теплоемкости связаны между собой зависимостью:

где - плотность газа при нормаль­ных условиях.

Теплоемкость газа зависит от его тем­пературы. По этому признаку разли­чают среднюю и истинную теплоём­кость.

Если q- количествотеплоты, сообща­емой единице количества газа (или от­нимаемого от него) при изменении температуры газа от t 1 до t 2 то

Представляет собой среднюю тепло­ёмкость в пределах . Предел этого отношения, когда разность температур стремиться к нулю, называют истинной теплоёмко­стью.

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС ГАЗА

Изохорный процесс – процесс сооб­щения или отнятия теплоты при по­стоянном объеме газа (v = const).

При постоянном объёме давление газа изменяется прямо пропорционально абсолютным температурам:

Внешняя работа газа при v = const равна нулю l=0.

количество теплоты или изменение внутренней энергии газа:

Изохорный процесс на pv – диа­грамме отображается прямой верти­кальной линией - изохора. При по­ложительном количестве тепла ли­ния идёт снизу вверх.

Изменение энтропии находится:

ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС ГАЗА.

Изобарный процесс – процесс сообще­ния или отнятия теплоты при по­стоян­ном давлении (р = const)

Кривая процесса называется изоба­рой.

Поскольку в изобарном процессе dp=0 то в системе не совершается техническая работа, а количество тепла необходимое для перехода тела из состояния 1 в состояние 2 определяется как:

Таким образом в изобарном термо­динамическом процессе подводимое (отводимое) к телу количество тепла пропорционально изменению энтальпии в данном процессе. Дан­ный вывод справедлив как для обра­тимого так и для необратимого про­цессов, при условии, что система находится в термодинамическом равновесии в начале и конце про­цесса.

В случае обратимого процесса:

Изобарный процесс на pv – диа­грамме отображается прямой гори­зонтальной линией. При подводе тепла в процесс линия простирается слева направо.

Механическая работа в таком про­цессе:

Удельная располагаемая (полезная) внешняя работа:

Изменение удельной внутренней энергии:

Из уравнения состояния идеального газа можно получить следующее соот­ношение для изобарного процесса:

Таким образом, при изобарном про­цессе объём идеального газа пропор­ционален абсолютной температуре. При расширении газа температура по­вышается, при сжатии уменьшается.

Изменение энтропии в изобарном про­цессе может быть расчитано следую­щим образом:

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ГАЗА.

Изотермический процесс – процесс сообщения или. отнятия теплоты при по­стоянной температуре (t - const)

Для изотермического процесса иде­ального газа зависимость между начальными и конечными парамет­рами определяется формулами:

При постоянной температуре объём газа изменяется обратно пропорцио­нально его давлению.

На pv- диаграмме изотермы идеаль­ного газа представляются равносто­ронней гиперболой. Площадь под кри­вой процесса численно выражает ме­ханическую работу в данном процессе.

Работа 1 кг идеального газа находят из уравнений:

Так как в изотермическом процессе t = const, то для идеального газа

Изменение энтропии в изотермиче­ском процессе

выразится следующей форму­лой:

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС ГАЗА.

Процесс протекающий без подвода и отвода теплоты, т.е. при отсутствии теплообмена с окружающей средой, называют адиабатным, а кривая этого процесса –адиабатой. Условия процесса: dq=0 , q=0.

Т.к. dq=0 , то согласно первому закону термодинамики:

Таким образом совершаемая рабочим телом механическая работа в адиабат­ном термодинамическом процессе равна уменьшению внутренней энер­гии тела, техническая работа при этом пропорциональна изменению (умень­шению) энтальпии. В обратимом диа­батном процессе энтропия термодина­мического тела не меняется: S=Const .

Теплоемкость газа. Теплоемкостью тела СТ называют отношение количества теплоты Q, сообщенного телу, к изменению температуры ∆T

Теплоемкостью тела С Т называют отношение количества теплоты Q, сообщенного телу, к изменению температуры ∆T, вызванному этой теплопередачей.

Различают удельную теплоемкость вещества (с) и молярную те­плоемкость (С).

Удельной теплоемкостью вещества называют количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К

Молярной теплоемкостью называют количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моля вещества на 1К.

Между удельной и молярной теплоемкостями существует оче­видная связь

Оказывается, что теплоемкость существенно зависит от того, при каких условиях нагревается газ. Различают теплоемкость при постоянном объеме С v и теплоемкость при постоянном да­влении С р. При постоянной температуре теплоемкость равна бесконечности, так как ∆T= 0.

Рассмотрим 1 моль газа, нагреваемый при постоянном объ­еме (V = const, v = т/μ = 1 моль). На основании первого начала термодинамики все поступающее газу тепло идет на из­менение его внутренней энергии Q = ∆U.

Получим выражение для теплоемкости газа при постоянном объеме.

Учитывая, что ∆U = (i/2)v/R∆T, получим:

Таким образом, молярная теплоемкость при постоянном объеме зависит только от числа степеней свободы i молекулы газа, т.е. от количества атомов в молекуле и от ее структуры.

Теперь пусть 1 моль газа нагревается при постоянном да­влении (р = const, v = 1 моль). В этом случае поступающее газу тепло идет, в соответствии с первым началом термодина­мики, не только на изменение его внутренней энергии, но и на работу расширения газа (именно расширение газа обеспечива­ет постоянство давления). А это означает, что теплоемкость газа при постоянном давлении больше его теплоемкости при по­стоянном объеме (С р > С v ). Чтобы найти их разницу, вычи­слим предварительно работу расширения 1 моля газа при изо­барном процессе. В соответствии с формулой (3), эта работа А = р∆V = р(V 2 – V 1) = pV 3 – pV 1 . Учтем уравнение Менделеева-Клапейрона, тогда

Формула (11) позволяет установить физический смысл универ­сальной газовой постоянной R. По условию р = const и v = 1 моль; положим, что ∆Т = 1К, тогда численно А = R или уни­версальная газовая постоянная численно равна работе расшире­ния одного моля идеального газа при нагревании его на 1К при постоянном давлении.

Чтобы найти формулу теплоемкости газа при постоянном давлении, воспользуемся определением молярной теплоемкости (7) и первым началом термодинамики

Учитывая в первом слагаемом формулу (9), а во втором (11), получим

Это выражение называется уравнением Майера. Подставим в это уравнение выражение (10), получим

Важной термодинамической характеристикой является отноше­ние теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме τ

Из формул (10) и (13) следует, что по значениям теплоемкостей все газы можно подразделить на три сорта: одноатомные, двухатомные и многоатомные газы. Поэтому легко подсчитать все возможные значения их теплоемкостей. Все результаты и выводы из данного параграфа можно отнести к классической теории теплоемкостей. Непосредственные измерения показали, что справедлива эта теория в полном объеме только для одно­атомных газов. Двух- и многоатомные газы дают существенные отличия экспериментальных значений теплоемкости от теоре­тических, особенно при температурах, существенно отличаю­щихся от нормальной. Наиболее полно и правильно этот во­прос рассматривает квантовая теория теплоемкости. Выраже­ния для теплоемкости твердых тел можно найти в лекции №17.