Внутренняя энергия - энергия внутреннего состояния тела, например, сумма кинетических энергий всех молекул, составляющих тело, определяемых через макропараметры - температуру и объем или температуру и давление.
Энтальпия - теплосодержание системы Я с внутренней энергией U, давлением Р и объемом V связана функцией:
Н ~ U + PV.
Гельмгольцева энергия (свободная энергия, изохорный потенциал) А, определяется через внутреннюю энергию U, энтропию S и температуру Т равенством:
А = U - TS.
Гиббсова энергия (изобарный потенциал) G определяется через энтальпию //, энтропию S и температуру Т равенством:
G = Н - TS.
В изотермическом равновесном процессе, происходящем при постоянном давлении, убыль гиббсовой энергии равна полной работе, производимой системой, за вычетом работы против внешнего давления, т.е. равна максимальной полезной работе.
Цикл Карно - обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу или работы в теплоту. Цикл состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов. Впервые рассмотрен францусским ученым Н.Л.С.Карно (1824) как идеальный рабочий цикл теплового двигателя. Превращение теплоты в работу сопровождается переносом рабочим телом двигателя определенного количества теплоты от более нагретого тела (нагревателя) к менее нагретому (холодильнику) (рис. 10.1).
Рабочее тело, например пар в цилиндре под поршнем, при температуре Т1 приводится в соприкосновение с нагревателем, имеющим постоянную температуру Т{ и изотермически получает от него количество теплоты dQv при этом пар расширяется и совершает работу (АВ на рис. 10.1). Затем рабочее тело, расширяясь адиабатически (по адиабате ВС), охлаждается до температуры Тг При этой температуре, сжимаясь изотермически (отрезок CD), рабочее тело отдает количество теплоты (Q2) холодильнику с температурой Тг Завершается цикл адиабатным процессом (DA на рис. 10.1.), возвращающим рабочее тело в исходное состояние. При постоянной разности температур (Г, - Т2) между нагревателем и холодильником рабочее тело совершает за один цикл работу
dA=dQl-dQl=^-^dQi.
* 1
Р
А
С
ЪА = 50,-50,=-^ 60, 50' = О
Г,-Г,
V
Рис. 10.1. Цикл Карно на диаграмме Р-V (давление-объем): (Qt - количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; (Q2 - количество теплоты, отводимое им холодильнику.
Эта работа численно равна площади ABCD на рис. 10.1, ограниченной отрезками изотерм и адиабат, образующих цикл Карно.
Цикл Карно имеет наивысший кпд среди всех возможных циклов, равный
и служит мерой эффективности других рабочих циклов.
Основными законами термодинамики являются так называемые «Начала». Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. в конечном счете возвращается в исходное состояние, то полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе. Количественная формулировка первого начала: количество тепла dQ, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии dU и на совершение телом работы dA, т.е.
Первое начало представляет собой по существу выражение Закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Это утверждение эквивалентно утверждению о невозможности создания вечного двигателя 1-го рода.
Вечный двигатель 1-го рода - это такая машина, которая, будучи однажды запущена в ход, способна работать неопределенно долго и совершать полезную работу, не потребляя энергии извне. Поскольку ни при каком преобразовании энергии нельзя увеличить ее количество, а полезная работа может совершаться только расходуя внутреннюю энергию системы, то отсюда и следует невозможность создания такого двигателя.
h = dA/dQ = (Г, - Тг)!Тх
dQ - dU + dA.
