Первый закон термодинамики – теория сохранения и удержания энергии: при любых физических взаимосвязях этот показатель не может самостоятельно возникать или исчезать, а только передается от одних материальных тел к другим, превращаясь в совершенно иную форму.
Рисунок 1. Первый закон термодинамики для изопроцессов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Общая форма закона сохранения имеет вид. Здесь $∆E$ –постепенное изменение механической энергии системы, $∆U$ – изменение энергии физических тел, $А$ – работа внешних сил, $Q$ – количество полученной системой теплоты.
Но изучая данный закон для изопроцессов, необходимо рассматривать формулу: $∆U = A + Q$.
Согласно первому термодинамическому постулату, изменение внутреннего энергетического потенциала будет равняться сумме выполненной внешними силами работы. Однако это возможно только при переходе системы из одного состояние в другое.
Изопроцессы - это термодинамические процессы, протекающие при неизменном значении одного из макроскопических показателей $(р, V, T)$.
Процесс изменения общего состояния системы в термодинамике при постоянном давлении называется изобарным. Этот закон был впервые установлен экспериментально в 1802 году французским ученым Ж. Гей-Люссаком. Изохорный процесс изучает изменение взаимодействий вещество в определенной среде при постоянном объеме.
При изотермическом процессе температура физического вещества не изменяется, значит не постоянной остается и внутренняя энергия системы. Первый закон термодинамики для изопроцессов принимает следующий вид: $Q = A’$. Все количество теплоты, получаемое газом, расходуется на выполнение им работы против действия внешних сил. Или, если газ в итоге сжимается, при этом температура фиксируется на прежнем уровне, работу выполняют окружающие систему факторы, а газ отдает только некоторое количество теплоты. При изохорном процессе объем концепции не изменяется, значит работа нулевая: $A = -p∆V$.
Изопроцессы в термодинамике
Рисунок 2. Изопроцессы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В отсутствие внешних полей в термодинамике идеальный газ равномерно распределяется по всему предоставленному ему объему. Вследствие хаотического движения молекул изотермические процессы начинают демонстрировать силовое воздействие, характеризуемое давлением.
Если над веществом в закрытой среде не совершать работы и не передавать ему определенное количество энергии в ходе теплопередачи, в системе появится состояние термодинамического равновесия, характеризуемое одинаковыми давлением газа и температурой.
При термодинамическом равновесии состояние элементов фиксированной массы $m$ описывается тремя параметрами:
- объемом $V$, который занимает рабочее тело;
- давлением $p$, создаваемым веществом;
- его температурой $T$.
С течением времени состояние исследуемой системы при влиянии изопроцессов не может изменяться. Такое явление называют равновесным, если в каждый временной период взаимосвязанные элементы находились в состоянии термодинамической стабильности.
При реализации любого процесса в результате теплопередачи концепция может отдавать или получать некоторое количество теплоты, которое в соответствии с первым термодинамическим началом идет на проведение системой важной работы на изменение её внутренней энергии.
Изопроцессы в газах
Рисунок 3. Изопроцессы в газах. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для того, чтобы более детально изучить действие изопроцессов в идеальных газов, необходимо определить состояния данной массы вещества, которое характеризуется тремя макроскопическими параметрами:
- давлением;
- объемом;
- температурой.
Уравнение состояния идеального газа – это такой утверждение, которое связывает три вышеуказанных показателей в одно целое.
Единственная величина в формуле изопроцессов, которая непосредственно зависит от рода газа, это его молярная масса. Из уравнения общего состояния вытекает связь между объемом, давлением и температурой идеального газа, который может находиться одновременно в двух любых состояниях. таким образом, для данной массы исследуемого элемента, все действующие процессы вне зависимости от основных параметров осуществляют определенное давление на объем, деленное на абсолютную температуру. Это возможно получить в случае, если есть постоянная величина
Применение изопроцессов в тепловом двигателе
В начале XIX столетия французский изобретатель Сади Карно тщательно изучил пути повышения эффективности работы тепловых двигателей. Инженер придумал универсальный цикл, который должен производить идеальный газ с помощью изопроцессов в некоторой тепловой машине. В результате получилось определить максимально возможный энергетический потенциал. Цикл Карно состоит из двух адиабат и изотерм.
Идеальный газ приводят в контакт с определенным нагревателем и предоставляют ему шанс расширяться изотермически, то есть при температуре самого нагревателя.
Когда расширившийся элемент перейдет в следующее состояние, его тепло полностью изолируют от устройства и предоставят возможность самостоятельно расширяться адиабатически, то есть газ совершает некоторый функционал за счет убыли его внутренней энергии.
Расширяясь изотермически газ постепенно охлаждается до тех пор, пока его изначальная температура не будет равна температуре работающего холодильника. Теперь вещество взаимодействует с холодильником, где все процессы сжимаются изобарно. Затем идеальный газ необходимо изолировать от тепла, при этом температура самого объекта увеличивается и постепенно достигает температуры нагревателя. Процесс повторяется неоднократно.
Некоторые известные виды тепловых двигателей:
- паровая турбина;
- паровая машина;
- двигатель внутреннего сгорания;
- реактивный мотор.
Физическая база работы всех тепловых двигателей абсолютно однообразна и равномерна. Данный агрегат состоит из трех главных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.
Карно доказал, что рентабельность любой другой тепловой машины будет значительно меньше, чем эффективность работы указанного цикла. На практике не применяют оборудования, работающие по закону Карно, но формула позволяет определить максимально подходящий параметр при изначально заданных температурах основных частей.
Очевидно, что для увеличения действия изопроцессов в термодинамике необходимо понижать температуру холодильника и увеличивать температуру нагревателя. Стоит отметить, что осуществлять данные процессы искусственно – совершенно невыгодно, так как это требует дополнительных затрат энергии. Однако формула Карно показала, что на сегодняшний день существуют неиспользованные и мощные резервы повышения работы паровых машин, так как практический метод очень сильно отличается от цикла Карно.
