Поиск: Рекомендуем: Почему я выбрал профессую экономиста Почему одни успешнее, чем другие Периферийные устройства ЭВМ Нейроглия (или проще глия, глиальные клетки) Категории: Астрономия Биология География Другие языки Интернет Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Механика Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Транспорт Физика Философия Финансы Химия Экология Экономика Электроника

Главная О нас Популярное ТОП Новые страницы Случайная страница Контакты FAQ ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ Температуры кипения и плавления даны при давлении 101325 Па

Удельный объем вещества ν — это объем, занимаемый единицей массы данного вещества.

Плотность вещества ρ— величина, обратная удельному объему и определяющая количество вещества, заключенное в единице объема.

Единица плотности в СИ — кг/м³, в системе СГС — г/см³. Плотность и удельный объем зависят от температуры и давления, то есть от термодинамического состояния вещества. Обычно в справочниках приводятся их значения при нормальных физических условиях. За нормальные физические условия принимают давление, равное 101,325 кПа (760 мм рт. ст.), и температуру, равную О °С.

Количество вещества. Единицей количества вещества в СИ является моль. Кроме моля применяют кратные и дольные части от моля (кмоль, Ммоль и др.). Количество вещества — это физическая величина, определяемая числом структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов). Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Молярной массой вещества называют отношение массы вещества к его количеству:

где μ — молярная масса. Если выразить в кг, — в молях, μ — выразится в кг/моль.

1.4.2.Калорические параметры состояния

К калорическим параметрам состояния относятся, как уже отмечалось, внутренняя энергия U, энтальпия H и энтропия S. Своим названием эти параметры обязаны тому, что ранее измерялись в калориях.

Внутренняя энергия. Любая термодинамическая система в каждом состоянии обладает запасом полной энергии E, которая состоит из внутренней энергии U, зависящей от внутреннего состояния тела, и внешней энергии , связанной с движением тела как целого и положением его в каком-либо внешнем поле сил (например в поле сил тяжести), т. е.

Если тело не движется, а влиянием внешнего поля сил можно пренебречь, то полная энергия будет представлять собой только внутреннюю энергию.

Любая термодинамическая система (рабочее тело) обладает запасом внутренней энергии, которая состоит из энергии хаотического (теплового) движения и взаимодействия молекул. Поскольку внутренняя энергия рабочего тела зависит от его массы, обычно интересуются значением внутренней энергии, отнесенной к 1 кг массы тела, т.е. удельной внутренней энергией

.

В общем случае удельная кинетическая энергия теплового движения состоит из удельной кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движений молекул, зависящей только от температуры рабочего тела, и удельной потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой, которая, в свою очередь, зависит от среднего расстояния между молекулами, т. е. от занимаемого рабочим телом объёма. Следовательно, в общем случае удельная внутренняя энергия рабочего тела зависит от его температуры Т и удельного объема v являясь однозначной функцией этих параметров состояния: u = f(T,v)  или

.

Таким образом, важнейшим свойством удельной внутренней энергии рабочего тела является то, что она представляет собой однозначную функцию состояния тела, определяемого любой парой его основных параметров (, , ), и сама может служить параметром состояния. Из этого свойства следует, что изменение удельной внутренней энергии не зависит от характера процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями рабочего тела. Следовательно, бесконечно малое приращение удельной внутренней энергии является полным дифференциалом du.

В идеальном газе силы взаимодействия между молекулами отсутствуют и удельная потенциальная энергия его равна нулю. Поэтому удельная внутренняя энергия идеального газа состоит только из удельной кинетической энергии движения молекул и определяется его температурой: , или

В замкнутом (круговом) процессе, в котором начальное и конечное состояния совпадают, изменение удельной внутренней энергии равно нулю.

Определять абсолютное значение удельной внутренней энергии в большинстве технических расчетов не требуется, так как обычно необходимо знать только ее изменение. Поэтому условно приписывают некоторому состоянию рабочего тела нулевое значение удельной внутренней энергии, а все расчеты ведут относительно этого значения.

Энтальпия. Рассмотрим полную энергию газа, находящегося под давлением , создаваемым грузом массой (рис. 1.1). В этом случае полная энергия системы состоит из внутренней энергии газа и потенциальной энергии груза, равной , где - площадь поперечного сечения поршня. Т. е. . Величина , зависящая от сил, действующих на поршень, получила название потенциальной энергии давления.

Рис. 1.1. К определению энтальпии газа

Таким образом, если газ находится в среде с давлением , то с любым состоянием его связана некоторая энергия H=U+PV получившая название энтальпии газа в данном состоянии. Выражение энтальпии для 1 кг газа (т. е. удельной энтальпии) имеет вид

Следовательно, удельная энтальпия, будучи зависимой от параметров состояния , и , также является параметром состояния. Поэтому изменение ∆h, как и изменение ∆, не зависит от характера процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями, т. е.

Как однозначная функция состояния удельная энтальпия может быть представлена в виде функции любой пары основных параметров состояния.

Удельная энтальпия идеального газа, как и его удельная внутренняя энергия, является функцией только температуры. Действительно:

Удельная энтальпия, как и удельная внутренняя энергия, выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Энтропия. Кроме рассмотренных параметров, в термодинамике широко используется еще один калорический параметр состояния — энтропия , введенный Клаузиусом в 1865 г. при анализе круговых процессов.

Энтропия — параметр состояния, дифференциал которого равен отношению бесконечно малого количества теплоты в элементарном обратимом процессе к абсолютной температуре , постоянной на бесконечно малом участке процесса, т.е.

Если количество теплоты отнести к 1 кг вещества (), то получим удельную энтропию

которая выражается в джоулях на килограмм-кельвин [Дж/(кг • К)].

1.5.Законы идеальных газов

1.5.1.Закон Бойля-Мариота

Бойль в 1662 году и Мариот в 1676 году обнаружили, что при .

1.5.2.Закон Гей-Люссака

Гей-Люссак в 1802 году опытным путём установил, что при    , v / T = const.

1.5.3.Закон Авогадро

В 1811 году Авогадро выдвинул гипотезу: одинаковые объёмы различных газов при одинаковых физических условиях содержат одинаковые количества молекул. Эта гипотеза, став после её доказательства законом, приводит к одному важному следствию, согласно которому при одинаковых физических условиях для любых газов произведение молекулярной массы газа на его удельный объём есть величина постоянная, т. е. .

Напомним, что молекулярной массой называется количество вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе. Например, молекулярная масса углерода равна 12 граммам, а кислорода - 32 граммам.

Произведение представляет собой объём одного моля газа, который при нормальных физических условиях равен 22,4 м3.

Отметим, что нормальным физическим условиям соответствуют 760 мм рт. ст. и 0⁰С, а нормальным техническим условиям - 735 мм рт. ст. и 10⁰С.

1.6.Уравнение состояния

Сопоставление законов Бойля-Мариота и Гей-Люссака приводят к обобщённому закону Бойля-Гей-Люссака:

,

где R - характеристическая постоянная идеального газа (при нормальных физических условиях , где - плотность при нормальных физических условиях).

Это уравнение, полученное Клапейроном в 1834 году, называется уравнением состояния идеальных газов или уравнением Клапейрона.

1.7.Работа изменения объёма газа

Выше отмечалось, что любое изменение состояния рабочего тела, которое происходит в результате его энергетического взаимодействия с окружающей средой, представляет собой термодинамический процесс. В общем случае энергообмен в термодинамическом процессе может осуществляться посредством работы L либо теплоты Q. Работа и теплота являются энергетическими характеристиками термодинамического процесса.

Механическая работа против внешних сил, связанная с изменением объема, определяется выражением

,

а удельная работа, т. е. работа, отнесенная к 1 кг вещества,— выражением

,

где — абсолютное давление (потенциал механического взаимодействия), — удельный объем (координата механического взаимодействия).

Для конечного процесса, при котором объем изменяется от до , общее выражение удельной термодинамической работы следует записать так:

Рис. 1.2. К вычислению работы в термодинамическом процессе

В общем случае давление — величина переменная, зависящая от . Для определения интеграла должна быть известна зависимость между и в данном процессе, т. е. надо знать уравнение процесса . Графически эта зависимость может быть изображена в -координатах кривой 1-2 (рис. 1.2).

Очевидно, численно удельная работа будет зависеть от характера кривой процесса и изображается в -координатах площадью, ограниченной кривой процесса, двумя ординатами и осью абсцисс.

При вычислении интеграла обнаруживается, что если объём рабочего тела уменьшается, то величина интеграла отрицательна, и наоборот. Поэтому если рабочему телу сообщается потенциальная энергия путём его сжатия, то работа изменения объёма есть величина отрицательная. Если же рабочее тело совершает работу расширяясь, то работа изменения объёма - положительна.

Тема 2. ТЕПЛОЁМКОСТЬ ГАЗОВ

2.1.Массовая, объёмная и мольная удельные теплоёмкости

Известно, что подвод теплоты к рабочему телу или отвод теплоты от него в каком-либо процессе приводит к изменению его температуры. Отношение количества тепло­ты, подведенной (или отведенной) в данном процессе, к изменению температуры называется теплоемкостью тела (системы тел):

,

(2.1)

где — элементарное количество теплоты; — элементарное изменение температуры.

Теплоемкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к системе, чтобы при заданных условиях повысить ее температуру на 1 градус. Так как единицей количества теплоты в СИ является джоуль, а температуры — градус К, то единицей теплоемкости будет Дж/К.

В зависимости от внешних условий и характера термодинамического процесса теплота может либо подводиться к рабочему телу, либо отводиться от него. Учитывая, что система участвует в бесчисленном множестве процессов, сопровождающихся теплообменом, величина для одного и того же тела может иметь различные значения. В общем случае значение теплоёмкости лежит в интервале от -∞ до +∞, то есть она может быть любой положительной или отрицательной величиной.

Поэтому обычно в выражении (2.1) при теплоёмкости указывается индекс "x", который характеризует вид процесса теплообмена

.

(2.2)

Индекс "x" означает, что процесс подвода (или отвода) теплоты идет при постоянном значении какого-либо из параметров, например, давления , объема или других.

Ввиду того, что в термодинамике обычно рассматриваются квазистатические процессы теплообмена, теплоемкость является величиной, относящейся к системе, которая находится в состоянии термодинамического равновесия. Таким образом, теплоемкости являются функциями параметров термодинамической системы. Для простых систем — это функции каких-либо двух из трех параметров: , , .

Опыты показывают, что количество теплоты, подведенное к рабочему телу системы или отведенное от него, всегда пропорционально количеству рабочего тела. Для возможности сравне­ния вводят, как известно, удельные величины теплоемкости, относя подведенную (или отведенную) теплоту количественно к единице рабочего тела.

В зависимости от количественной единицы тела, к которому подводится теплота в термодинамике, различают массовую, объемную и мольную теплоемкости.

Массовая теплоемкость — это теплоемкость, отнесенная к единице массы рабочего тела,

.

Единицей измерения массовой теплоемкости является Дж/(кг • К). Массовую теплоемкость называют также удельной теплоемкостью.

Объемная теплоемкость — теплоемкость, отнесенная к единице объема рабочего тела,

,

где и — объем и плотность тела при нормальных физических условиях.

Объемная теплоемкость измеряется в Дж/(м3 • К).

Мольная теплоемкость — теплоемкость, отнесенная к количеству рабочего тела (газа) в молях,

,

(2.3)

где — количество газа в молях.

Мольную теплоемкость измеряют в Дж/(моль • К).

Массовая и мольная теплоемкости связаны следующим соотношением:

или

,

(2.4)

где - молекулярная масса.

Объемная теплоемкость газов выражается через мольную как

или

,

(2.5)

где м3/моль — мольный объем газа при нормальных условиях.

2.2.Средняя и истинная теплоёмкости

Учитывая, что теплоемкость непостоянна, а зависит от температуры и других термических параметров, различают истинную и среднюю теплоемкости. Истинная теплоемкость выражается уравнением (2.2) при определенных параметрах термодинамического процесса, то есть в данном состоянии рабочего тела. В частности, если хотят подчеркнуть зависимость теплоёмкости рабочего тела от температуры, то записывают её как , а удельную – как . Обычно под истинной теплоёмкостью понимают отношение элементарного количества теплоты, которое сообщается термодинамической системе в каком-либо процессе к бесконечно малому приращению температуры этой системы, вызванному сообщенной теплотой. Будем считать истинной теплоёмкостью термодинамической системы при температуре системы равной , а - истинной удельной теплоёмкостью рабочего тела при его температуре равной . Тогда среднюю удельную теплоёмкость рабочего тела при изменении его температуры от до можно определить как

(2.6)

Обычно в таблицах приводятся средние значения теплоемкости для различных интервалов температур, начинающихся с . Поэтому во всех случаях, когда термодинамический процесс проходит в интервале температур от до , в котором , количество удельной теплоты процесса определяется с использованием табличных значений средних теплоемкостей следующим образом:

.

(2.7)

Значения средних теплоемкостей и , находят по таблицам.

2.3.Теплоёмкости при постоянном объёме и давлении

Особый интерес представляют средние и истинные теплоемкости в процессах при постоянном объеме (изохорная теплоемкость, равная отношению удельного количества теплоты в изохорном процессе к изменению температуры рабочего тела dT) и при постоянном давлении (изобарная теплоемкость, равная отношению удельного количества теплоты в изобарном процессе к изменению температуры рабочего тела dT).

Для идеальных газов связь между изобарной и изохорной теплоёмкостями и устанавливается известным уравнением Майера .

Из уравнения Майера следует, что изобарная теплоемкость больше изохорной на значение удельной характеристической постоянной идеального газа. Это объясняется тем, что в изохорном процессе () внешняя работа не выполняется и теплота расходуется только на изменение внутренней энергии рабочего тела, тогда как в изобарном процессе () теплота расходуется не только на изменение внутренней энергии рабочего тела, зависящей от его температуры, но и на совершение им внешней работы.

Для реальных газов , так как при их расширении и совершается работа не только против внешних сил, но и внутренняя работа против сил взаимодействия между молекулами газа, на что дополнительно расходуется теплота.

В теплотехнике широко применяется отношение теплоемкостей , которое носит название коэффициента Пуассона (показателя адиабаты). В табл. 2.1 приведены значения некоторых газов, полученные экспериментально при температуре 15 °С.

Теплоемкости и зависят от температуры, следовательно, и показатель адиабаты должен зависеть от температуры.

Известно, что с повышением температуры теплоёмкость увеличивается. Поэтому с ростом температуры уменьшается, приближаясь к единице. Однако всегда остается больше единицы. Обычно зависимость показателя адиабаты от температуры выражается формулой вида

,

где - значение коэффициента при 0⁰ С; - коэффициент, принимающий для каждого газа своё постоянное значение.

Кроме того, можно установить следующие широко использующиеся зависимости.

,

(2.8)

и так как

.

(2.9)

2.4. Таблицы теплоёмкости

Данные о теплоёмкостях различных газов приводятся в табличной форме. Обычно в таблицах приводят для различных температур значения мольной истинной и средней теплоёмкости при постоянном давлении и постоянном объёме. Указывают также средние массовые и объёмные теплоёмкости при постоянном объёме и постоянном давлении.

Мольная теплоёмкость указывается в кДж/(кмоль · ⁰С), массовая – в кДж/(кг · ⁰С), объёмная – в кДж/(м3 · ⁰С). При этом значения объёмной теплоёмкости относят к массе газа, заключённой 1 м3 его при нормальных физических условиях.

Для газов, массовая теплоёмкость которых зависит как от температуры, так и от давления, приводят значения удельного объёма и энтальпии 1 кг газа при различных давлениях и температурах. С такого рода зависимостями приходится иметь дело при изучении свойств водяного пара.

2.5.Теплоёмкость смеси рабочих тел (газовой смеси)

Теплоемкость газовой смеси вычис­ляется по составу газовой смеси и теплоемкостям отдельных газов, входящих в данную газовую смесь. Газовая смесь может быть задана массовым, объемным и молярным составом. Пусть смесь газов задана массовым составом, тогда масса смеси

.

(2.10)

где — масса i-го компонента, входящего в смесь.

Очевидно, для увеличения температуры газовой смеси на необходимо увеличить температуру на каждого газа этой смеси. При этом на нагревание каждого газа смеси необходимо затратить количество теплоты , где — массовая теплоемкость i-го газа смеси.

Теплоемкость газовой смеси определяется из уравнения теплового баланса

,

где — теплоемкость газовой смеси.

Разделив левую и правую части уравнения на , получим

,

(2.11)

где — массовая доля i-го газа, входящего в смесь.

Из выражения (2.11) видно, что теплоемкость смеси газов, заданной массовыми долями (массовая теплоемкость смеси), равна сумме произведений массовых долей на массовую теплоемкость каждого газа.

С помощью аналогичных рассуждений можно найти сходные по структуре с полученным выражением выражения для объёмной и мольной теплоёмкостей газовой смеси.

Тема 3. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

3.1.Сущность первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики является математическим выражением количественной стороны закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам. По этому закону теплота может превращаться в механическую работу или, наоборот, работа в теплоту в строго эквивалентных количествах. Это означает, что из данного количества теплоты в случае её полного превращения в работу получается строго определённое и всегда одно и то же количество работы, точно так же, как из данного количества работы при её полном превращении в тепло получается строго определённое и всегда одно и то же количество теплоты.

3.2. Аналитическое выражение первого закона термодинамики для цикла и разомкнутого процесса

Рассмотрим две системы: А и В (рис. 3.1). Предположим, что система А взаимодействует с системой В только в тепловом отношении. Пусть температура системы А выше температуры системы В (T_A>T_B), тогда разность температур T_A-T_B приведет к передаче теплоты от системы А к системе В. Запишем уравнение баланса энергии. Подводимая к системе В теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение всех видов работы , то есть

Рис. 3.1. К выводу первого закона термодинамии

.

(3.1)

Если затрачивается бесконечно малое количество теплоты, при этом совершается бесконечно малая работа и будет бесконечно малым изменение внутренней энергии, то уравнение (3.1) можно записать в виде

.

(3.2)

Так как нас интересует только механическая работа, совершаемая при изменении объёма рабочего тела, то естественно интересоваться только той частью подводимого к системе В тепла, которое расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение механической работы изменения объёма рабочего тела. Поэтому запишем

,

(3.3)

или

.

(3.4)

Для 1 кг рабочего тела получим

,

(3.5)

или

.

(3.6)

Уравнения (3.5) и (3.6) являются математическим выражением первого закона термодинамики.

Для кругового процесса выражение первого закона термодинамики в инте­гральной форме запишется как

.

(3.7)

Так как изменение внутренней энергии термодинамической системы не зависит от характера процесса и полностью определяется её начальным и конечным состояниями, то . Следовательно, все количество тепло­ты, подведенное к термодинамической системе или отведенное от нее в таком процессе, полностью расходуется на совершение системой внешней работы

.

(3.8)

То есть в круговом термодинамическом процессе теплота и работа взаимопревращаются в эквивалентных количествах. Если бы оказалось, что , то можно было бы осуществить вечный двигатель первого рода — двигатель, который совершал бы работу без затраты энергии.

Таким образом, первый закон термодинамики, указывая на эквивалентность между теплотой и работой, свидетельствует о невозможности создания такой машины, которая бы производи­ла работу, не затрачивая никакой энергии.

3.3. Уравнение первого закона термодинамики для движущегося рабочего тела

Уравнение первого закона для единицы массы стационарного потока (т. е. потока, параметры которого в любом сечении со временем не изменяются) можно вывести с помощью модели, показанной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. К выводу уравнения первого закона термодинамики для движущегося рабочего тела

Здесь поток получает теплоту dq, совершает техническую работу dl, а также работу за счет изменения его кинетической энергии d(w²/2) и работу против силы тяжести d(g*h) вследствие изменения его высоты над уровнем моря (h=h₂-h₁). Кроме того, имеет место работа вталкивания газа p₁*v₁ и выталкивания p₂*v₂. Их разность l_пр=p₂*v₂-p₁*v₁ называют работой проталкивания. Учитывая сказанное можно записать закон сохранения энергии для движущегося рабочего тела

(3.9)

Здесь u – внутренняя энергия рабочего тела.

Так как по определению u+p*v=i, полученное выражение можно переписать следующим образом

После интегрирования получим

(3.10)

Выражение (3.10) и есть уравнение первого закона термодинамики для движущегося рабочего тела.

Тема 4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

4.1.Схема анализа изменения состояния рабочего тела

При исследовании термодинамических процессов используются уравнение состояния идеальных газов и математическое выраже­ние первого закона термодинамики.

При изучении термодинамических процессов идеальных газов требуется:

1) определить уравнение кривой процесса в pv-диаграмме;

2) установить связь между термодинамическими параметрами;

3) определить изменение внутренней энергии рабочего тела по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,

(4.1)

4) определить величину внешней (термодинамической) удельной работы по формуле

(4.2)

5) определить количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе, по формуле

(4.3)

где c_x – теплоёмкость процесса;

6) определить изменение энтальпии в термодинамическом процессе по формуле

7) определить изменение энтропии в термодинамическом процессе по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,

(4.5)

В общем случае любые два термодинамических параметра из трех могут изменяться произвольно. Изучение работы тепловых машин показывает, что наибольший интерес для практики представляют следующие основные процессы: при постоянном объеме (V=const); при постоянном давлении (р=const); при постоянной температуре (Т=const); при dq=0 (процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой); политропный процесс, который при определенных условиях можно рассматривать в качестве обобщающего по отношению ко всем основным процессам.

Чтобы получить обобщенные и простые формулы, уравнения первого закона термодинамики рассматриваются для 1 кг идеального газа.

4.2.Термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, политропный

4.2.1.Изохорный процесс (v=const)

Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты (см. рис. 4.1) или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику. При изохорном процессе выполняется условие dv=0 или v=const. Уравнение изохорного процесса получим из уравнения состояния идеального газа (см. &1.6) при v=const. В pv -координатах график процесса представляет собой прямую линию, параллельную оси p. Изохорный процесс может протекать с повышением давления (процесс 1-2) и с понижением (процесс 1-2’).

Рис. 4.1. График изохорного процесса в p-v координатах

Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p₁·v=R·T₁; p₂·v=R·T₂. Следовательно, для изохорного процесса

(4.6)

Приращение внутренней энергии газа

(4.7)

Работа газа

так как dv=0.

Энтальпия газа i_v=u+p·v, а di_v=du+d(p·v)=du+p·dv+v·dp=du+v·dp. Поэтому

(4.8)

Энтропия

То есть

(4.9)

4.2.2.Изобарный процесс (p=const)

В p-v координатах график процесса представляет собой прямую линию параллельную оси v (рис. 4.2). Изобарный процесс может протекать с увеличением объёма (процесс 1-2) и с уменьшением (процесс 1-2’). Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p·v₁=R·T₁; p·v₂=R·T₂.

Рис. 4.2. График изобарного процессав p-v координатах

Следовательно, для изобарного процесса

(4.10)

Приращение внутренней энергии газа Работа газа Так как p·v₂=R·T₂, а p·v₁=R·T₁, то l=R·(T₂-T₁). Следовательно, газовая постоянная имеет определённый физический смысл: это работа 1 кг газа в изобарном процессе при изменении температуры на один градус. Из выражения (4.3) следует, что в изобарном процессе q=c_p·(T₂-T₁). В соответствии с первым законом термодинамики для изобарного процесса можно записать dq=du+p·dv= du+d(p·v)=di. Поэтому в изобарном процессе di=q=c_p·(T₂-T₁). Из соотношений, характеризующих изобарный процесс, вытекает известное уравнение Майера. Так как dq=c_p·dT=c_v·dT+dl=c_v·dT+R·dT, то R=c_p-c_v.

Используя выражение (4.5), можно показать, что в изобарном процессе энтропия газа

(4.11)

4.2.3.Изотермический процесс (T=const)

В p-v координатах график процесса изображается равнобокой гиперболой (рис. 4.3). Изотермический процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2’).

Рис. 4.3. График изотермического процесса в p-v координатах

Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния p₁·v₁=R·T; p₂·v₂=R·T. Следовательно, для изотермического процесса p₁·v₁=p₂·v₂=const.

Приращение внутренней энергии газа

Работа газа

(4.12)

Теплота, подводимая в процессе

(4.13)

Изменение энтальпии газа Δi=Δu+Δ(p&middotv)=0.

Изменение энтропии газа

(4.14)

4.2.4.Адиабатный процесс

Адиабатный процесс – это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой (dq=0). Для получения графика процесса в p-v координатах выполним некоторые преобразования.

В соответствии с первым законом термодинамики dq=c_v&middotdT+p&middotdv=c&middotdT, где с – теплоёмкость термодинамического процесса. Тогда можно записать, что

(4.15)

Продифференцируем уравнение состояния идеального газа и запишем

(4.16)

Так как R=c_p-c_v, то выражение (4.15) можно переписать с учётом (4.16) следующим образом:

(4.17)

Выполним преобразования выражения (4.17).

(4.18)

Разделим выражение (4.18) на (c_v-c)&middotp&middotv и получим:

(4.19)

Обозначим , тогда

Следовательно

(4.20)

В адиабатном процессе dq=0, то есть c&middotdT=0. Поэтому c=0. Значит в адиабатном процессе . Эту величину принято обозначать буквой и называть показателем адиабаты.

Поэтому в p-v координатах адиабатный процесс изображается неравнобокой гиперболой v^k&middotp=const (рис. 4.4). Так как k>1, то адиабата проходит круче гиперболы. Адиабатный процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2’).

Рис. 4.4. График адиабатного процесса в p-v координатах

Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния p₁&middotv₁=R&middotT₁; p₂&middotv₂=R&middotT₂. Так как в адиабатном процессе p₁&middotv₁^k=p₂&middotv₂^k, то , , .

Приращение внутренней энергии газа .

Так как , а , то , а . Поэтому

(4.21)

Работа газа в адиабатном процессе выполняется за счёт его внутренней энергии. Так как в адиабатном процессе отсутствует обмен теплотой с окружающей средой, то в соответствии с первым законом термодинамики имеем l+Δu=0 или l=-Δu. Поэтому

(4.22)

Изменение энтальпии газа в адиабатном процессе может быть определено исходя из следующих соображений:

Так как , то в итоге получим

(4.23)

Энтропия газа в адиабатном процессе не изменяется, так как dq=0. Поэтому в T-s координатах адиабатный процесс изображается прямой линией, параллельной оси температур.

4.2.5. Политропный процесс

Политропным процессом называется любой произвольный процесс изменения состояния рабочего тела, происходящий при постоянной теплоёмкости с_п.

В политропном процессе dq=c_п&middotdT.

Для получения графика политропного процесса в p-v координатах будем придерживаться тех же рассуждений, что и при получении графика адиабатного процесса. Заменим в соотношениях, полученных при изучении адиабатного процесса, обозначение теплоёмкости с на с_п и обнаружим, что p&middotvⁿ=const, а . В дальнейшем всё, что написано об адиабатном процессе, можно распространить на описание политропного процесса, заменяя в выражениях k на n.

Покажем, что адиабатный процесс делит все процессы на две группы: на процессы, в которых теплоёмкость больше нуля, и на процессы, в которых теплоёмкость меньше нуля.

Так как , то можно записать

; ; ; .

Из последнего выражения видно, что при n>k c_п>0, а при k>n>1 c_п<0.

В заключение отметим, что все рассмотренные ранее процессы – это частные случаи политропного процесса.

При n=k имеем адиабатный процесс.

При n=0 имеем р₁·v₁⁰=р₂·v₂⁰, то есть изобарный процесс (p₁=p₂).

При n=1 имеем р₁·v₁= р₂·v₂, то есть изотермический процесс.

При n=∞ имеем или , что равносильно или , то есть изохорный процесс.

Тема 5. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

5.1.Сущность и формулировки второго закона термодинамики

Если исходить из первого закона термодинамики, то можно до­пустить протекание любого процесса, который не противоречит за­кону сохранения энергии. В частности, при теплообмене можно бы­ло бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, так и на­оборот. При этом согласно первому закону термодинамики накла­дывается только одно условие: чтобы количество теплоты, отдан­ной одним телом, равнялось количеству теплоты, принятой другим телом.

Между тем, из опыта известно, что теплота всегда самопроиз­вольно передается только от более нагретых тел к менее нагретым. Самопроизвольный или естественный процесс теплообмена обла­дает свойством направленности в сторону тел с более низкой тем­пературой. Причём он прекращается при достижении равенства температур участвующих в теплообмене тел. Однако, возможен и обратный, не самопроизвольный (или про­тивоестественный) процесс передачи теплоты от менее нагретых тел к более нагретым (например, в холодильных установках), но для осуществления его требуется подвод энергии извне как бы для ком­пенсации протекания процесса.

Констатация этой особенности теплоты, проявляющейся в про­цессе ее передачи, является одной из сторон сущности второго за­кона термодинамики, который Р. Клаузиус (1850 г.) сформулировал так: теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому, т. е. некомпенсированный переход теплоты от тела с меньшей температурой невозможен.

Еще одна особенность теплоты наиболее ярко раскрывается при рассмотрении процесса преобразования ее в работу. Опыт показывает, что работа может быть полностью превращена в теплоту (например, посредством трения) без каких-либо дополнительных условий или компенсации. Обратное же превращение теплоты в работу требует дополнительного самопроизвольного процесса или компенсации.

Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов. Так же, как и первый закон термодинамики, он был выведен на основании экспериментальных данных.

Опыт показывает, что превращение теплоты в полезную работу в тепловых двигателях может происходить только при переходе теплоты от нагретого тела к холодному, то есть при наличии раз­ности температур между теплоотдатчиком (нагревателем) и теплоприемником (холодильником). При этом вся теплота не может быть превращена в работу.

Устройство, которое без компенсации полностью превращало бы в работу теплоту какого-либо источника, называется вечным двигателем второго рода.

Таким образом, второй закон термо­динамики утверждает, что создание вечного двигателя второго рода невозможно.

Открытие второго закона термодинамики связано с анализом работы тепловых машин. Впервые сущность этого закона изложил в 1824 г. французский инженер С. Карно в работе «Размышление о движущей силе огня и машин, способных развивать эти силы». С. Карно впервые указал на возможность превращения теплоты в полезную работу в двигателях лишь при наличии двух источников теплоты: одного с более высокой температурой (нагреватель с температурой T2) и другого с меньшей температурой (холодильник с температурой T1).

Позднее Р. Клаузиус и В. Томсон (Кельвин) дали наиболее общие формулировки второго закона термодинамики, из которых следует, что:

1. Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым.

2. Не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может перейти в работу, а только часть ее. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник.

5.2.Обратимые и необратимые процессы

В изолированной термодинамической системе через некоторый промежуток времени устанавливается внутреннее равновесие, при котором рабочее тело по всей массе имеет одинаковую температуру и давление.

При равенстве давлений в системе и в окружающей среде изм

Дата добавления: 2018-10-18; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 200 | Нарушение авторских прав

Лучшие изречения:

Есть только один способ избежать критики: ничего не делайте, ничего не говорите и будьте никем. © Аристотель
==> читать все изречения...

1371 - | 1316 -