Контрольные вопросы

1. Что выражает термодинамическое тождество?

2. Какими особенностями обладают термодинамические функции?

3. Какие термодинамические функции считаются основными?

4. Какими независимыми переменными определяется каждая из основных термодинамических функций?

5. Что такое изохорно-изотермический потенциал и связанная энергия?

6. Физический смысл изохорно-изотермического потенциала.

7. Из каких величин составляется общая энергия системы?

8. Уравнение максимальной работы Гиббса – Гельмгольца при постоянных T_V и Т_р.

9. Какие величины называются термодинамическими потенциалами?

10. Что представляет собой химический потенциал?

11. На какие классы делятся термодинамические системы?

12. Фазовые превращения первого и второго рода.

13. Какое состояние называется стабильным, лабильным, метастабильным?

14. Какие условия необходимо осуществлять для устойчивого равновесия термодинамической системы?

Задача

Определить L, Q, ΔI, ΔU, ΔS, ΔF и ΔZ при изотермическом расширении одного моля идеального газа от р₁ = 0,1 до р₂ = 0,05 МПа при температуре 1000 К.

Решение

Работа при изотермическом расширении

.

Подведенная теплота в процессе .

Изменение энтальпии .

Изменение энтропии .

Изменение внутренней энергии .

Изохорно-изотермический потенциал .

Изобарный потенциал .

10. Водяной пар

10.1. Основные понятия и определения

Водяной пар и пары других веществ (аммиака, углекислоты и т. д.) имеют большое значение в промышленном производстве, являясь рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках и т. п.

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Испарением называется парообразование, которое происходит всегда при любой температуре со свободной поверхности жидкости или твердого тела. Процесс испарения заключается в том, что отдельные молекулы с большими скоростями преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости. Процесс кипения заключается в том, что если к жидкости подводить теплоту, то при некоторой температуре, зависящей от физических свойств рабочего тела и давления, наступает процесс парообразования как на свободной поверхности жидкости, так и внутри ее.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое называется конденсацией. Процесс конденсации, так же, как и процесс парообразования, протекает при постоянной температуре, если при этом давление не меняется. Жидкость, полученную при конденсации пара, называют конденсатом.

Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией.

Если парообразование жидкости происходит в неограниченном пространстве, то вся она может превратиться в пар. Если же парообразование жидкости происходит в закрытом сосуде, то вылетающие из жидкости молекулы заполняют свободное пространство над ней, при этом часть молекул, движущихся в паровом пространстве над поверхностью, возвращается обратно в жидкость. В некоторый момент между парообразованием и обратным переходом молекул из пара в жидкость может наступить равенство, при котором число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В этот момент в пространстве над жидкостью будет находиться максимально возможное количество молекул. Пар в этом состоянии принимает максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным.

Таким образом, пар, соприкасающийся с жидкостью и находящийся в термическом с ней равновесии, является насыщенным. С изменением температуры жидкости равновесие нарушается, вызывая соответствующее изменение плотности и давления насыщенного пара. Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные высокодисперсные (мельчайшие) частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром – давлением, или удельным объемом, или температурой. Насыщенный пар, в котором содержатся взвешенные высокодисперсные частицы жидкой фазы, равномерно распределенные по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром.

Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости (х):

.

Массовая доля кипящей жидкости во влажном паре, равная (1 – х), называется степенью влажности.

Для кипящей жидкости при температуре насыщения х = 0, а для сухого насыщенного пара х = 1, следовательно, степень сухости может меняться только в пределах от 0 до 1. Очевидно, состояние влажного пара определяется двумя величинами: температурой или давлением и каким-либо другим параметром, например степенью сухости.

Если сухому насыщенному пару сообщить некоторое количество теплоты при постоянном давлении, то температура его будет возрастать. Пар, получаемый в этом процессе, называется перегретым. Перегретый пар имеет при данном давлении более высокую температуру и удельный объем, чем сухой насыщенный пар. Перегретый пар над поверхностью жидкости получить нельзя. Температура перегретого пара, так же, как и газа, является функцией объема и давления. Перегретый пар является ненасыщенным, так как при данном давлении удельный объем перегретого пара больше удельного объема сухого насыщенного пара, а плотность меньше. Он по своим физическим свойствам приближается к газу и тем ближе, чем выше степень перегрева.