Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Параметры состояния. Уравнения состоянияСтр 1 из 13Следующая ⇒
Предмет термодинамики, ее методы, задачи место и роль в системе подготовки инженеров
Термодинамика изучает зако- ны превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопи- ческих системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопиче- ской системой называется любой матери- альный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопиче- ских систем несоизмеримо больше разме- ров молекул и атомов. В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче- скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Т е х н и ч е- ская термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свой- ства тел, участвующих в этих превраще- ниях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществля- ют расчет и проектирование всех тепло- вых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования. Рассматривая только макроскопиче- ские системы, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движе- ния материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущих- ся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, ато- мов, ионов). Физические свойства макроскопиче- ских систем изучаются статистическим и термодинамическим методами. Стати- стический метод основан на использова- нии теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и пред- ставляет собой содержание статистиче- ской физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных пред- ставлений о структуре вещества и явля- ется феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — яв- ления в целом). При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики. В дальнейшем исходя из термодина- мического метода мы будем для нагляд- ности использовать молекулярно-кинети- ческие представления о структуре ве- щества.
Термодинамическая система
Термодинамическая система представляет собой совокуп- ность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодей- ствиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»). Выбор системы произволен и дикту- ется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окру- жающей средой. Систему отделя- ют от окружающей среды контроль- ной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей систе- мы — газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окру- жающий воздух, а контрольными повер- хностями служат стенки цилиндра и по- ршень. Механическое и тепловое взаимодей- ствия термодинамической системы осу- ществляются через контрольные повер- хности. При механическом взаимодейст- вии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также элек- трические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет со- вершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодина- мики, но нами в дальнейшем рассматри- ваться не будут). В нашем примере ме- ханическая работа производится при пе- ремещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимо- действие заключается в переходе тепло- ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота мо- жет подводиться к газу через стенки ци- линдра. В самом общем случае система мо- жет обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Пото- ки газа или пара в турбинах и трубопро- водах — примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закры- той. В дальнейшем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматри- вать закрытые системы. Термодинамическую систему, кото- рая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют т е п- ло изолированной или адиа- батной. Примером адиабатной систе- мы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной теп- ловой изоляцией, исключающей теплооб- мен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляци- онную оболочку называют адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве- ществом, называется изолирован- ной (или замкнутой). Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутрен- него сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.
параметры состояния. Уравнения состояния Свойства каждой системы характе- ризуются рядом величин, которые при- нято называть термодинамиче- скими параметрами. Рассмот- рим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молеку- лярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности моле- кул, которые имеют исчезающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом лишь при соударениях. Давление обусловлено взаимо- действием молекул рабочего тела с по- верхностью и численно равно силе, дей- ствующей на единицу площади повер- хности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетиче- ской теорией давление газа определяется где п — число молекул в единице объема; m — масса молекулы; с— сред- няя квадратическая скорость поступа- тельного движения молекул. В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в Паскалях 1 Па=1 Н/м2). 1 кПа = = 1000 Па и 1 МПа = 106 Па. Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров. Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, пред- ставляющее собой разность между пол- ным или абсолютным давлением р изме- ряемой среды и атмосферным давлением Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум- метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума): рв = ратм—р, т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным. Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давле- ние. Именно оно входит в термодинами- ческие уравнения. Температурой называется фи- зическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о тем- пературе вытекает из следующего утвер- ждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае нера- венства их температур они будут обмени- ваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет. С точки зрения молекулярно-кинети- ческих представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энер- гии молекул вещества: где k — постоянная Больцмана, равная 1,380662- 1СГ23 Дж/К- Температура 7", определенная таким образом, называет- ся абсолютной. В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широ- ко применяется градус Цельсия (°С). Со- отношение между абсолютной Т и стогра- дусной t температурами имеет вид В промышленных и лабораторных ус- ловиях температуру измеряют с по- мощью жидкостных термометров, пиро- метров, термопар и других приборов. Удельный объем v — это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем V, то по определению v = V/M. В системе СИ единица удельного объема 1 м'ч/кг. Между удельным объемом вещества и его плотностью существует очевидное соотношение: v=[/p. Для сравнения величин, характери- зующих системы в одинаковых состояни- ях, вводится понятие «нормальные физи- ческие условия»: р = 760 ммрт. ст.= = 101,325 кПа; 7" = 273,15 К. В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (р = = 735,6 ммрт.ст. = 98 кПа, /=15°С) или нормальные условия для оценки про- изводительности компрессоров (р = = 101,325 кПа, / = 20 °С) и т. д. В дан- ной книге, если это не оговорено особо, будут использоваться нормальные физи- ческие условия. Если все термодинамические пара- метры постоянны во времени и одинако- вы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равно- весным. Если между различными точками в системе существуют разности темпера- тур, давлений и других параметров, то она является неравновесной. В такой системе под действием гради- ентов параметров возникают потоки теп- лоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в со- стояние равновесия и никогда самопро- извольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассмат- риваются только равновесные системы.
УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, ко- торая называется уравнением со- стояния. Опыт показывает, что удель- ный объем, температура и давление про- стейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны тер- мическим уравнением состо- яния вида f (p, v, T) = 0. Уравнению состояния можно придать другую форму: p = f1(v,T); v = f2(p,T); T = f3(p,v). Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяю- щих состояние системы, независимыми являются два любых. Для решения задач методами термо- динамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не мо- жет быть получено в рамках термодина- мики и должно быть найдено либо экспе- риментально, либо методами статистиче- ской физики. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств вещества. Уравнение состояния идеальных га- зов. Из уравнений A.1) и A.2) следует, что p = nkT. Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следова- тельно, n = N/v, получим: pv/T = Nk = = const. Постоянную величину Nk, отнесен- ную к I кг газа, обозначают буквой R и называют газовой постоян- ной. Поэтому pv/T = R, или pv = RT. Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона 1834 г.). получим уравнение состояния для произвольной массы газа М: PV = MRT. Уравнению Клапейрона можно при- дать универсальную форму, если отнести газовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в килограммах численно равна молеку- лярной массе \х.. Положив в A.4) М = мю и V=Vмю, получим для одного моля урав- нение Клапейрона — Менделеева: Газовая постоянная I кг газа составляет R= 8314/мю
5 термодинамический процесс. Равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые процессы, изображение обратимых процессов в Т\Д диагр Изменение состояния термодинами- ческой системы во времени называется термодинамическим процес- сом. Так, при перемещении поршня в цилиндре объем, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться, будет совершаться процесс расширения или сжатия газа. Как уже отмечалось, система, выве- денная из состояния равновесия, и пре- доставленная при постоянных парамет- рах окружающей среды самой себе, че- рез некоторое время вновь придет в рав- новесное состояние, соответствующее этим параметрам. Такое самопроизволь- ное (без внешнего воздействия) возвра- щение системы в состояние равновесия называется релаксацией, а проме- жуток времени, в течение которого систе- ма возвращается в состояние равнове- сия, называется временем релак- сации. Для разных процессов оно различно: если для установления равно- весного давления в газе требуется всего 10~ "' с, то для выравнивания температу- ры в объеме того же газа нужны десятки минут, а в объеме нагреваемого твердого тела — иногда несколько часов. Термодинамический процесс называ- ется равновесным, если все пара- метры системы при его протекании меня- ются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релакса- ции. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равно- весия с окружающей средой, чем и опре- деляется название процесса. Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров систе- мы dA/dтау должна удовлетворять соотно- шению где А — параметр, наиболее быстро из- меняющийся в рассматриваемом процес- се; Срел — скорость изменения этого па- раметра в релаксационном процессе; тау — время релаксации. Рассмотрим, например, процесс сжа- тия газа в цилиндре. Если время смеще- ния поршня от одного положения до дру- гого существенно превышает время ре- лаксации, то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выравняться по всему объему цилиндра. Это выравнивание обеспечивается непре- рывным столкновением молекул, в ре- зультате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав- номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня бу- дут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным. Таким образом, равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последо- вательных состояний равновесия, поэто- му в каждой его точке состояние термо- динамической системы можно описать уравнением состояния данного рабочего тела. Именно поэтому классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процес- сами. Они являются удобной идеализа- цией реальных процессов, позволяющей во многих случаях существенно уп- ростить решение задачи. Такая идеали- зация вполне обоснована, так как усло- вие A.8) выполняется на практике до- статочно часто. Поскольку механические возмущения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа в цилиндре будет равновесным, если ско- рость перемещения поршня много мень- ше скорости звука. Процессы, не удовлетворяющие усло- вию dA/dтау <<Cpeл протекают с нарушени- ем равновесия, т. е. являются нерав- новесными. Если, например, быстро увеличить температуру окружающей сре- ды, то газ в цилиндре будет постепенно прогреваться через его стенки, релакси- руя к состоянию равновесия, соответ- ствующему новым параметрам окружаю- щей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружаю- щей средой и его нельзя характеризовать уравнением состояния хотя бы потому, что в разных точках объема газа темпе- ратура имеет различные значения.
Круговой процесс(цикл) Круговой процесс (цикл) в термодинамике, процесс, при котором физическая система (например, пар), претерпев ряд изменений, возвращается в исходное состояние. Термодинамические параметры и характеристические функции состояния системы (температура Т, давление р, объём V, внутренняя энергия U, энтропия S и др.) в конце Круговой процесс вновь принимают первоначальное значение и, следовательно, их изменения при Круговой процесс равны нулю (DU = 0 и т. д.). Все изменения, возникающие в результате Круговой процесс, происходят только в среде, окружающей систему. Система (рабочее тело) на одних участках Круговой процесс производит положительную работу за счёт своей внутренней энергии и количеств теплоты Qn, полученных от внешних источников, а на др. участках Круговой процесс работу над системой совершают внешние силы (часть её идёт на восстановление внутренней энергии системы). Согласно первому началу термодинамики (закону сохранения энергии), произведённая в Круговой процесс системой или над системой работа (А) равна алгебраической сумме количеств теплоты (Q), полученных или отданных на каждом участке Круговой процесс (DU = Q — А = 0,А = Q). Отношение А/Qn (совершённой системой работы к количеству полученной ею теплоты) называется коэффициентом полезного действия (кпд) Круговой процесс.Различают равновесные (точнее, квазиравновесные) Круговой процесс, в которых последовательно проходимые системой состояния близки к равновесным, и неравновесные Круговой процесс, у которых хотя бы один из участков является неравновесным процессом. У равновесных Круговой процесс кпд максимален. На рисунке дано графическое изображение равновесного (обратимого) Карно цикла, имеющего максимальное кпд. Круговой процесс называется прямым, если его результатом является совершение работы над внешними телами и переход определённого количества теплоты от более нагретого тела (нагревателя) к менее нагретому (холодильнику). Круговой процесс, результатом которого является перевод определённого количества теплоты от холодильника к нагревателю за счёт работы внешних сил, называется обратным Круговой процесс или холодильным циклом.
|
||
Последнее изменение этой страницы: 2018-05-27; просмотров: 172. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |