Тема 1 Основные понятия и определения термодинамики 1.1 Основные понятия и определения термодинамики. Уравнения состояния идеального газа 1.2 Первый закон термодинамики 1.3 Термодинамические параметры, описывающие состояния идеального газа 1.4 Лабораторная работа по теме 1
ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
Идеальный газ – газ, состоящий из хаотически движущихся молекул, объем которых очень мал по сравнению с объемом газа (молекулы рассматриваются как материальные точки), и между которыми нет сил взаимного притяжения и отталкивания.
Связь между параметрами идеального газа выражается его уравнением состояния:
р u = ВT,
где р – давление газа, Н/м2; u – удельный объем газа, м3/кг; Т – абсолютная температура, К.
Коэффициент пропорциональности В называется газовой постоянной. Газовая постоянная имеет размерность Дж/(кг×К). Физический смысл ее заключатся в том, что она означает механическую работу, совершаемую газом при расширении, если 1 кг его нагреть на 1 К при постоянном давлении.
R = 8314,51 Дж/(кмоль×К) – универсальная газовая постоянная представляет собой работу, совершаемую 1 моль (кмоль) идеального газа при изменении его температуры на один градус (К) в термодинамическом процессе при постоянном давлении.
Уравнение рVm=RT получило название уравнения Менделеева−Клапейрона. Это уравнение дает тем более точные результаты, чем меньше плотность газа (выше температура и ниже давление).
Для произвольного количества газа массой m (кг) удобно пользоваться уравнением состояния вида
р V = m ВT.
В – удельная газовая постоянная, которая может быть рассчитана с использованием выражения
В = R / М.
Газовая смесь – смесь отдельных газов, не вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ в смеси независимо от других газов полностью сохраняет все свои свойства и ведет себя так, как если бы он один занимал весь объем смеси.
Смесью идеальных газов называется такая газовая смесь, каждый из компонентов которой может рассматриваться как идеальный газ.
Парциальное давление – это давление, которое имел бы каждый газ, входящий в состав смеси, если бы этот газ находился один в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.
Смесь идеальных газов подчиняется закону Дальтона: «Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих смесь»:
р = р1 + р2 + … + рn = 
рi,
где рi – парциальное давление.
Для описания состава газовых смесей могут использоваться выражения концентраций ее компонентов с помощью массовых, объемных и мольных долей.
Массовая доля (w) − отношение массы отдельного компонента к общей массе смеси:
w1 = m1/m ; w2 = m2/m ; …; wn = mn/m,
где w − массовая доля;
m1, …, mn − масса отдельных компонентов;
m – масса всей смеси.
Массовая доля принимает значения от 0 до 1.
Сумма массовых долей всех компонентов системы равна единице:
wi = w1 + w2 + … + wn = 1.
Сумма масс отдельных компонентов смеси равна массе смеси:
mi = m1 + m2 + … + mn = m.
Массовая доля может быть выражена через процентную концентрацию:
wi = (mi/m) × 100%
и принимать значения от 0 до 100 %.
Молярная масса смеси газов определяется через значения молярных или объемных долей компонентов (выраженных в безразмерных единицах) и их молярные массы:
Мсм = SNi Mi = Sji Mi.
Уравнение Менделеева – Клапейрона в таком случае примет вид
р V = (m / Mсм ) R T.
Газовая постоянная смеси определяется через значения массовых долей компонентов смеси и их удельные газовые постоянные:
Всм = Swi Вi.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Внутренняя энергия U – энергия системы, зависящая от ее собственного состояния. Внутренняя энергия является функцией температуры и удельного объема.
Внутреннюю энергию идеальных газов при Т = 0 К принято считать равной нулю.
Удельная внутренняя энергия u − величина внутренней энергии, отнесенная к единице массы тела.
Величина изменения внутренней энергии системы определяется как разность внутренних энергий в конечном и начальном состояниях:
DU = U2 – U1,
где U1 – внутренняя энергия системы в начальном состоянии;
U2 – внутренняя энергия системы в конечном состоянии.
Полная энергия рабочего тела представляет собой сумму его внешней и внутренней энергии.
Тепловая энергия Uт – совокупность кинетической энергии хаотически, поступательно и вращательно движущихся молекул, непрерывно изменяющих свою скорость по величине и направлению, энергии внутримолекулярных колебаний и потенциальной энергии сил взаимодействия молекул.
Энергия – общая количественная мера различных форм движения материи, способных превращаться друг в друга, – основа закона сохранения и превращения энергии.
Тепловое движение – хаотическое механическое движение большой совокупности микрочастиц, составляющих макроскопические тела.
Первый закон термодинамики:
«Количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами»:
DQ = DU + DL,
где DQ – элементарное количество теплоты;
DU – приращение внутренней энергии в ходе элементарного процесса;
DL – элементарная работа.
Энтальпия Н – это полное энергосодержание системы. Энтальпия численно равна количеству теплоты, необходимого для нагревания 1 кг газа от 0 К до фиксируемой температуры.
H = U + р V
Тема 2 Термодинамические процессы и термодинамические циклы 2.1 Термодинамические процессы и их классификация 2.2 Термодинамические циклы 2.3 Термодинамические процессы и термодинамические циклы. 2.4 Тепловые машины. КПД тепловых машин. Контрольная работа (выполнение тестовых заданий)
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Любое изменение каких-либо параметров рассматриваемой системы можно назвать процессом.
Если рассматриваемые параметры во всех точках объема системы имеют одинаковые значения, принято считать, что система находится в равновесном состоянии.
Изменение термодинамических параметров состояния системы называется термодинамическим процессом.
Процесс перехода системы из одного состояния в другое через ряд последовательных равновесных состояний является равновесным.
Процессы, проходящие через неравновесные состояния, являются неравновесными.
Обратимый - процесс, который может быть совершен не только в прямом, но и в обратном направлении, при этом в окружающей среде не остается никаких изменений.
Изохорным называется термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме (V = const).
Уравнение изохоры: u = const.
Изобарным называется термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении.
Уравнение изобары: р = const.
Изотермический процесс – термодинамический процесс, протекающий при постоянной температуре.
Уравнение изотермы: р u = const.
При изменении параметров состояния от р1V1 к р2V2 величина совершенной работы находится как
Адиабатный процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.
Уравнение адиабаты: uk = const.
k – показатель адиабаты, который представляет собой отношение изобарной и изохорной теплоемкостей:
Для расчета параметров адиабатного процесса с участием применяются выражения:
p2 / p1 = (V1 / V2)k,
T2 / T1 = (V1 / V2)k-1,
T2 / T1 = (V2 / V1)(k-1)/k.
Расчет работы может быть осуществлен с помощью выражений:
L = (p1V1 – p2V2) / (k-1),
L = p1V1 (1 - T2/T1) / (k-1),
L = p1V1 [1 – (u1/u2)k-1] / (k-1),
L = p1V1 [1 - (p2/p1)(k-1)k] / (k-1).
Политропный процесс – термодинамический процесс, при котором сохраняется постоянство теплоемкости.
Уравнение политропы: р un = const.
n - показатель политропы.
Для расчета термодинамических параметров и работы политропного процесса применяются выражения:
p2 / p1 = (V1 / V2)n,
T2 / T1 = (V1 / V2)n-1,
T2 / T1 = (V2 / V1)(n-1)/n,
L = (p1V1 – p2V2) / (n-1),
L = p1V1 (1 - T2/T1) / (n-1),
L = p1V1 [1 – (u1/u2)n-1] / (n-1),
L = p1V1 [1 - (p2/p1)(n-1)n] / (n-1).
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
Циклом, или круговым процессом, называется процесс, в результате которого система, пройдя через ряд последовательных состояний, возвращается в исходное.
Система, периодически повторяющая цикл, результатом которого является некоторая работа L, называется машиной.
Цикл Карно состоит их двух изотермических (1®2 и 3®4) и двух адиабатических процессов (2®3 и 4®1) (рис. 1).
Термический КПД цикла ht представляет собой отношение полезно использованной в цикле теплоты qпол ко всей подведенной теплоте q1.
ht = qпол / q1
ht = 1 – q2 / q1 = 1 – Т2 / Т1
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ
ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ
Диаграмма цикла с подводом теплоты при постоянном объеме (цикла Отто) представлена на рис. 2.
1-2 – адиабата, 2-3 – изохора, 3-4 – адиабата, 4-1- изохора.
Количество подведенной теплоты:
q1 = сv (T3 – T2).
Количество отведенной теплоты:
q2 = сv (T4 – T1).
Термический КПД цикла:
ht = (q1 – q2) / q1 = 1 – (T4 –T1) / (T3 – T2).
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ
ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ
На рис. 3 представлена диаграмма цикла Дизеля в координатах u–р, состоящего из процессов: адиабатного 1-2; изобарного 2-3; адиабатного 3-4; изохорного 4-1.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
Основные порталы (построено редакторами)