Начала термодинамики: основные законы, формулы и теория

Содержание

1. Идеальный газ
2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)
3. Формулы для внутренней энергии одноатомного и двухатомного идеального газа
4. Теплоёмкость
5. Формула КПД (работа тепловых машин) в термодинамике
6. Заключение

Основополагающие формулы, связанные с термодинамикой, в том числе и молекулярной физикой могут пригодиться любым людям не только при обучении, но и также в будущей профессии. В этой статье каждый человек сможет получить необходимые знания, связанные с основными формулами, которые будут иметь важное значение в термодинамике, собранные со школьной программы.

Идеальный газ

Идеальным газом может считаться как идеальная, так и любая материальная точка. В качестве материальных точек тут относятся частицы газов, а процедура по соударению газов абсолютно упругие. При этом расстояние газов молекул мы оставим в покое.

В задачах, связанных с термодинамикой реальные газы часто будут восприниматься как идеальные, ведь таким образом будет гораздо легче воспринимать все это, да и к тому же не нужно будет иметь какие-либо дела с массами новых величин.

Итак, что может произойти с молекулами идеального газа – спросите вы. Да, они постоянно будут находиться в беспорядочном движении. Самым резонным вопросом будет являться то, с какой скоростью они осуществляют своё движение? Разумеется, помимо того, что у скорости молекул есть еще один важный момент – какое общее состояние имеет наш газ. Какой уровень давления P будет оказываться об стенки сосуда, а также какой объем V будет занимать, и самое важное – температурный T режим газа.

Чтобы узнать, чему будет равен идеальный газ, применяется знакомое всем школьникам уравнение, которое называется уравнение состояния идеального газа, или по другому уравнение Клапейрона-Менделеева.

В данной формуле следует знать основные составляющие, которыми считаются:

• m -масса газа;
• M - молекулярная масса, которую можно найти по таблице Менделеева;
• R – универсальная постоянная, которая будет равняться 8,3144598(48) Дж/(моль*кг).

Универсальную газовую постоянную можно расписать через следующую незамысловатую формулу:

В свою очередь масса вычисляется по основной формуле, при которой следует знать плотность и объем газа:

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Как уже было сказано нами выше, все молекулы производят движение, причем чем будет выше температура, тем быстрее будет происходить перемещение. Существует некоторая связь между давлением газа, а также средней кинетической энергией E и его частиц.

В данной формуле имеются следующие переменные:

• n – количество молекул на объем сосуда;
• E - средняя кинетическая энергия.

Чтобы найти среднюю квадратичную скорость молекул, то соответственно следует воспользоваться следующим рядом формул:

После этого следует подставить энергию в правое уравнение, тем самым вы сможете получить другой вид основного уравнения МКТ:

Первое начало термодинамики. Формулы, используемые для вычисления изотермических процессов

Следует напомнить формулировку первого закона термодинамики, который гласит следующее: количество теплоты, которое было передано газам идет на выполнения внутреннего изменения энергии газа U, а также на совершение работы, обозначаемое буквой А. Отсюда можно вывести следующую формулу первого закона термодинамики, которыми имеет следующий вид:

Как известно, с газом может что-то происходить, так как он может как быть в сжатом виде, так и нагреть. В таком случае нас будет больше всего волновать такие процессы, которые будут проходить лишь в одном параметре.

• Изотермические процессы смогут происходить при постоянной температуре. Тут будет работать один из главных физических законов, который называется “закон Бойля-Мариотта”. В любом изотермическом процессе во время процесса давление газа будет обратно пропорционально его объему. В случае с изотермическим процессом, формула будет иметь следующий вид:

• Изохорные процессы будут протекать уже при постоянном объеме. Для подобного процесса будет характерным закон Шарля: В момент, когда будет протекать постоянный объем давление прямо пропорционально температуре. В изохорном процессе тепло, которое будет использовано газом будет выполнять изменение его внутренней энергии.

• Изобарные процессы будут выполняться при постоянном давлении. Следует использовать в этом случае “закон Гей-Люссака”, который гласит о том, что при постоянном давлении газа, объем будет прямо пропорциональной температуре. В таком процессе будет происходить следующее: всё переданное газу тепло будет работать не только на изменение внутренней энергии, но и также совершаемые газом работу.

• Адиабатные процессы это такие процессы, которые будут проходить без проводимого теплообмена со всей окружающей средой. Это означает только то, что формула первого закона для адиабатного будет иметь следующий вид:

Формулы для внутренней энергии одноатомного и двухатомного идеального газа

Теплоёмкость

Удельная теплоёмкость будет равняться количеству теплоты, которая будет необходима для того, чтобы нагреть 1 килограмм вещества на один градус Цельсия.

Кроме удельной теплоёмкости имеется еще молярная теплоемкость, которая определяется как количество теплоты, необходимая для того, чтобы нагреть один моль вещества на градус Цельсия. Учитывается результаты при постоянном объеме и давлении.

Формула КПД (работа тепловых машин) в термодинамике

В самом простом случае, тепловая машина будет состоять из таких моментов, как нагреватель, холодильник, а также рабочее тело. Нагреватель может сообщить тепло рабочему телу, тем самым совершая необходимую работу, а после чего охлаждаться холодильной установкой, после чего цикл будет повторяться далее. Классическим примером таких машин считается двигатель внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия (КПД) любой тепловой машины можно вычислить по следующей формуле:

Заключение

В этой статьи мы собрали для вас все основные формулы, которые были основаны на термодинамике. Все они могут пригодиться вам для решения задач, в том числе, если вы собираетесь сдавать физику или изучаете её углубленно в любом техническом ВУЗе. Их знания могут сослужить в будущем хорошую службу как студенту, так и школьникам изучающим такой интересный предмет как физика.

Компания «РосДиплом» на протяжении 20 лет занимается студенческими работами и предлагает помощь студентам во всех областях и темах. Наши преимущества: огромный опыт работы, лучшие авторы, собранные со всех уголков России, гарантии успешной сдачи и оптимальной цены, а также индивидуальный подход к каждому клиенту.