2.2. Первый закон термодинамики.
Одним из основных законов природы является закон сохранения энергии.
Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии применительно к процессам взаимно превращения различных видов энергии, включая теплоту и работу. Он утверждает: энергия изолированной термодинамической системы остается неизменной, независимо от того, какие процессы в ней протекают.
Термодинамическим процессом принято называть совокупность последовательных состояний рабочего тела при его теплотехническом взаимодействии с окружающей средой. Для того, чтоб термодинамический процесс был равновесным, он должен совершаться бесконечно медленно. Так как все реальные процессы происходят при конечных разностях давлений и температур, то все они неравновесны.
Обратимыми называются такие термодинамические процессы, которые могут быть проведены как в прямом направлении (расширенные), так и в обратном (сжатые) через одну и туже последовательность промежуточных состояний с возвращением в исходное состояние, как самого рабочего тела, так и окружающей среды. Обратимый процесс должен быть равновесным и происходить без трения и вихреобразования, для того чтобы работа не превращалась необратимо в теплоту.
Поскольку в природе все реальные процессы неравновесны, то ,следовательно, они и необратимы.
Обратимые процессы являются некоторым пределом, к которому приближаются все необратимые реальные процессы.
При рассмотрении термодинамического процесса в самом общем случае подводимая к рабочему телу теплота расходуется на изменения внутренней энергии ∆u и совершение механической работы L, поэтому математическое выражение первого закона термодинамики для произвольного количества рабочего тела имеет вид
Q = ∆u + L
для 1кг рабочего тела
q = ∆u + e
в дифференциальной форме
dq = du + de
Внутренняя энергия реального газа является функцией состояния, т.е. функцией его параметров. Поэтому изменение внутренней энергии может выразить функцией двух любых параметров состояния.
∆u = u2 – u1
Элементарного процесса du = cv * dT, где cv – теплоемкость газа при ʋ = const.
Механическая работа L газа зависит от характера процесса.
Рассмотрим работу произвольного количества газа М в цилиндре при перемещении поршня с площадью f на расстояние ds. Поршень перемещается их точки 1 в точку 2.
В виду малости ds будем считать давление в цилиндре в процессе этого элементарного перемещения поршня постоянным и равным P. Тогда абсолютная работа, совершаемая газом при расширении, т.е. работа перемещения поршня под действием силы F=f*P равна dL=F*ds=P*f*ds
Произведение = dv – изменение объема, следовательно, dL=P*dv
Графически элементарная работа dL соответствует заштрихованной площадке.
Для 1кг газа элементарная механическая работа газа de = P*dʋ
Если величина Р переменная, то полную работу на участок 1…2 процесса можно определить как
v2
L = S P*dv
v1
Работа L на участке 1…2 в PV координатах соответствует площади 1-2-2’-1’, расположенная под кривой характеризующей процесс.
Необходимо учитывать, что полученные для определения механической работы формулы справедливо только для равновесных и обратимых процессов. Площадь, ограниченная кривой, характеризующей процесс в PV координатах, соответствует работе только обратимого процесса.
Таким образом для элементарной механической работы газа дифференциальное выражение первого закона термодинамики записывает в виде:
dq = du+de=cvdT+P*dʋ