1.5. Понятие о термодинамическом процессе

Термодинамическим процессом системы называют явление перехода РТ из начального равновесного состояния в конечное равновесное состояние через бесконечное множество промежуточных равновесных состояний.

Таким образом, любой процесс можно описать графически через его параметры, изобразив его, например, в координатах <v, р> (так называемая “рабочая диаграмма”).

П ри исследованиях необходимо знать, по какому пути проходит процесс (рис. 4). Выяснив это, можно построить его график, линия которого фактически описывает процесс. По своей сути она является совокупностью состояний, пройденных ТДС.

Техническая термодинамика изучает особые виды процессов – политропные. Все такие процессы можно описать уравнением вида –

р·vⁿ = const,

где р – давление, v – удельный объем. В развернутой форме уравнение политропного процесса записывается как –

Рис. 4. Примеры рабочей диаграммы

р_i·v_iⁿ = p_j·v_jⁿ.

Каждый процесс характеризуется своим значением коэффициента политропы n. Для частных видов процессов этот коэффициент равен:

- изохорный процесс (рис. 5, а), протекающий при постоянном объеме, → n = ± ∞;

- изобарный процесс (рис. 5, б), протекающий при постоянном давлении, → n = 0;

- изотермический процесс (рис. 5, в), протекающий при постоянной температуре, → n = 1;

- адиабатный процесс, протекающий без обмена с ОС энергией, → n = γ, где γ – коэффициент Пуассона, в литературе иногда обозначаемый также æ или k.

Рис. 5. Изохора (а), изобара (б) и изотерма (в) в координатах <v, р>

Коэффициент Пуассона представляет собой отношение –

γ = с_р/с_v,

где с_р – теплоемкость тела при постоянном давлении, а с_v - теплоемкость при постоянном объеме (изобарная и изохорная теплоемкости соответственно).

Теплоемкостью называют количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы или объема тела на 1 [К]. Теплоемкость измеряют в [Дж/(кг·К)].

Поскольку в изобарном процессе теплота расходуется на нагрев тела и совершение им работы, а в изохорном – только на нагрев, – очевидно, что

с_р > с_v, γ > 1.

Из уравнения Майера известно, что –

с_р – с_v = R.

Итак, политропным называют такой равновесный процесс, который описывается уравнением р·vⁿ = const, где n – коэффициент с постоянным значением для каждого исследуемого процесса, изменяющийся в пределах от – ∞ до + ∞

– ∞ < n < + ∞.

Положение n = const фактически идентично тому, что теплоемкость любого изучаемого процесса так же является постоянной величиной, т.е. c = const. В связи с этим можно заключить, что политропным называется процесс, в котором РТ характеризуется постоянным значением теплоемкости. На практике, однако, последнее утверждение не реализуется. Поэтому в прикладных расчетах прибегают к так называемым “средним значениям теплоемкости” РТ в рассматриваемых процессах.

2. Энергия термодинамического рабочего тела

2.1. Полная энергия рабочего тела

Коротко рассмотрим основные составляющие полной энергии РТ Е_п. Укрупнено последняя включает внутреннюю и внешнюю энергии РТ.

Первая из них состоит из ядерной энергии Е_я, химической энергии Е_х и энергии молекул U. Вторая включает в себя кинетическую энергию Е_к, потенциальную энергию гравитационного поля Земли Е_р, энергию проталкивания Е_пр, техническую работу L и т.д.