Глава 8. Термодинамика смесей идеальных газов.

8.1. Характеристические функции идеального газа.

Для адиабатического процесса в системе (Q = 0) мы можем записать ΔU= -A.

Если идеальный газ расширяется адиабатически от объема V и температуры T до бесконечно большого объема, то он совершает работу:

,

а поскольку , то подстановка верхнего предела дает 0, подстановка нижнего приводит к ,

.

Следовательно , а поскольку , то внутренняя энергия идеального газа, имеющего данную температуру, равна U = CVT.

Очевидно, поскольку для идеального газа dU = CV dT, то по первому закону для идеального газа: dQ = CVdT + pdV.

Разделив правую и левую часть на Т, получим .

Интегрирование дает .

Константа интегрирования S0 не зависит ни от температуры, ни от давления или объема. Как мы увидим позднее для любого вещества в состоянии идеального газа в константу S0 в качестве характеристики вещества входит только его мольная масса. Далее:

H = U + pV = U + RT = CVT +RT = CpT,

F = U – TS = CVT – TS0 - CVT ln T –RT ln V,

G = H – TS = CpT – T( S0 + R ln R ) – CpT ln T + RT ln p,

Легко видеть, что, вообще говоря,

F = F (T) – RT ln V, G = G (T ) + RT ln p,

где F (T) и G (T) - являются функциями только температуры.

8.2. Химический потенциал газа в смеси идеальных газов.

Смешение газов – самопроизвольный процесс, происходящий вследствие диффузии. Дальтон (1801) отметил, что если взятые газы имеют одинаковую температуру и давление, то в отсутствие химической реакции а) объем смеси равен сумме объемов составляющих газов в) температура остается постоянной в течение процесса. Т.е., если исходные объемы смешивающихся газов равны Vii , то общий объем смеси равен . Отметим, что Vii = ni Vi , где ni –число молей газа i, Vi – мольный объем его до процесса смешения. Поскольку давление р в процессе смешения не меняется, то для смеси , а для i – газа, занимающего объем смеси V, парциальное давление pi: piV = niRT, следовательно. Обозначим индексом i мольные свойства i – ого газа. Тогда для смеси газов:

и, следовательно,

,

и энергия Гельмгольца смеси:

.

Теперь становится возможным вычислить химический потенциал i – ого газа: где - функция только температуры, а - концентрация i - ого газа. Поскольку для смеси , то ,

и химический потенциал i –ого газа можно выразить через другие величины:

.

Очевидно, что μi(T) – химический потенциал газа, когда Ci = 1; μ' (T,p) – химический потенциал, когда xi = 1, т.е. это мольная энергия Гиббса чистого газа i; μ''(T) – химический потенциал i - ого газа при pi = 1.

8.3. Энтропия смешения.

Энтропия смеси газов равна (см. выше): , но .

Поскольку газ i имел до смешения давление p и объем Vii = nVi, имеем:

, и энтропия смеси тогда: .

Полином в скобках представляет собой мольную энтропию газа i до процесса смешения, поэтому сумма есть не что иное, как энтропия системы до процесса смешения, следовательно, изменение энтропии системы в результате смешения газов или в расчете на 1 моль смеси:

.

Поскольку , то работа, которую можно получить в результате обратимого процесса смешения газов: .

Очевидно, что для разделения смеси газов на компоненты нужно затратить работу .

Однако, это только теоретическая величина, практически затрачиваемая работа будет намного больше, причем, чем меньше отличаются по свойствам компоненты, тем большая потребуется работа.

Например, разделение изотопов урана осуществляют, используя гексафторид урана. Природная смесь содержит 99,3 % U238 F6 и 0,7 % U235F6. Так вот теоретически необходимо затратить 0,023 квт·час на выделение 1 кг U235F6, практически приходится затрачивать 1,2·106 квт·час или в 50·106 раз больше.

Мы видим также, что возрастание энтропии при смешении газов зависит только от количества молей этих газов, но не зависит от их природы. В предельном случае, когда смешивается один и тот же газ, разделенный сначала перегородкой на две части, увеличения энтропии не должно быть, так как в этом случае после удаления перегородки никакого термодинамического процесса в системе не происходит. Таким образом, смешение идентичных газов нельзя рассматривать как предельный случай смешения различных газов. Легко сообразить, что если смешиваемые газы имели до смешения одинаковое давление р, то после смешения они имеют парциальные давления pi <p, а если газы идентичны, то давление не меняется. При переходе от образования смеси сколь угодно близких (разделимых) газов к смеси одинаковых газов величина ΔmixS испытывает скачок. Это утверждение получило название парадокса Гиббса.

Энергия - это такая характеристика движения и взаимодействия тел, которая связана с их способностью совершать изменения в состоянии системы и внешней среды.

Видов энергии очень много - механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д. Каждая из них может только видоизменяться, т.е. превращаться в другие виды энергии.

II.Термодинамическая система и ее состояния:

Термодинамическая система - это ограниченная область пространства, занятая ее элементами. Элементы системы (подсистемы) считаются однородными. Граница системы может быть и физической (стенки сосуда) и мысленной. Все, что вне системы - окружающая среда.

Термодинамические системы бывают трех видов:

1. Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой).

2. Замкнутые (нет обмена веществом с окружающей средой).

3. Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой).

III. Параметры термодинамической системы:

Состояния систем характеризуются параметрами состояния и функциями состояния. Параметры состояния системы - это свойства, однозначно характеризующие однородные части системы. Например, для идеального газа параметрами являются четыре свойства - давление P, объём V, температура T и количества молей µ. Это означает, что, задав произвольно любые три из четырех параметров, мы по уравнению состояния (в данном случае это будет уравнение Клапейрона-Менделеева) найдем четвертый:

PV = µ * RT

IV. Функции состояния термодинамической системы:

Параметры состояния связаны друг с другом функциональными зависимостями. Те из функций, которые не зависят от истории системы, т.е. от того, как она попала в данное состояние, называются функциями состояния. Они однозначно характеризующие это состояние.

В качестве примера приведём такую функцию состояния системы как внутренняя энергия U. К термодинамическому пониманию этой величины мы вернемся позже, пока же достаточно того, что мы знаем об энергии - в изолированных системах она сохраняется во времени.

2. Термодинамическое состояние системы. Основные (термические) параметры состояния

Совокупность физических свойств системы в рассматриваемых условиях называют термодинамическим состоянием системы.

Различают равновесное (стационарное) и неравновесное (нестационарное) состояния термодинамической системы.

Макроскопические величины (т. е. величины, которые характеризуют тело в целом), характеризующие физические свойства тела в данный момент, называются термодинамическими параметрами состояния. Последние разделяются на интенсивные (не зависящие от массы тела) и на экстенсивные (пропорциональные массе тела). К основным параметрам состояния, поддающимся непосредственному измерению простыми техническими средствами, относятся абсолютное давление , удельный объём и абсолютная температура . Эти три параметра носят название термических параметров состояния. К параметрам состояния относятся также внутренняя энергия , энтальпия и энтропия , которые носят название калорических параметров состояния. Равновесным состоянием термодинамической системы называется такое состояние, которое характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием. Состояние термодинамической системы, при котором значения параметров во всех частях ее остаются неизменными во времени благодаря внешнему воздействию потоков вещества, энергии, импульса, заряда и т. п., называется стационарным. Если значения параметров изменяются во времени, то состояние термодинамической системы называется нестационарным.

3. Законы идеальных газов. Уравнение состояния идеального газа

PV = m*RT

- закон Бойля-Мариотта:

Т = const * Pv = const

- закон Гей-Люссака:

Р = const v / T = const

- закон Шарля:

v = const T / P = const

4. Термодинамические процессы (равновесные, неравновесные, обратимые, необратимые)

Равновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний. В таком процессе физические параметры изменяются бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесном состоянии. Кроме того, все части системы имеют одинаковые температуру и давление.

Неравновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой последовательность состояний, среди которых не все являются равновесными. В неравновесном процессе различные части системы имеют разные температуры, давления, плотности, концентрации.

Обратимыми называются такие процессы, для которых при прямом и обратном изменении внешних параметров система будет проходить через одни и те же промежуточные состояния.

Если же невозможно найти способ вернуть и систему, и внешние тела в исходное состояние, то процесс называется необратимым.

5. Теплота. Работа. Работа открытой и закрытой системы. Свойства Т-S и Р-V диаграммы

Работа представляет собой макро-физическую форму передачи энергии в термодинамическом процессе, определяемом действием некоторой силы на рабочее тело, приводящей к изменению его состояния.

дW = Fd * x

Теплота есть совокупность микрофизических процессов движения частиц, слагающих вещество.

При этом нет видимого передвижения тела, может не быть явного излучения веществом света и т.п. Все такие изменения энергии проявляются в наших ощущениях в форме теплоты.

дQ = c * dT

Диаграммы Р,v и T,s служат для иллюстрации особенностей процессов и могут быть применены для графического изображения в виде площадей энергетических величин q, l, u, характеризующих данный процесс.

6. Теплоемкость газов. Истинная и средняя теплоемкость

Отношение количества теплоты, подведенной (или отведенной) в данном процессе, к изменению температуры называется теплоемкостью тела (системы тел):

Где:

- элементарное количество теплоты;

- элементарное изменение температуры.

Теплоемкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к системе, чтобы при заданных условиях повысить ее температуру на 1 градус.

Так как единицей количества теплоты в СИ является джоуль, а температуры - градус К, то единицей теплоемкости будет Дж/К. Массовая теплоемкость - это теплоемкость, отнесенная к единице массы рабочего тела. Единицей измерения массовой теплоемкости является Дж/(кгК).

Массовую теплоемкость называют также удельной теплоемкостью. Объемная теплоемкость - теплоемкость, отнесенная к единице объема рабочего тела:

Где:

и - объем и плотность тела при нормальных физических условиях.

Объемная теплоемкость измеряется в Дж/(м3К).

Мольная теплоемкость - теплоемкость, отнесенная к количеству рабочего тела (газа) в молях:

7. Сущность и уравнение 1-го закона термодинамики. Уравнение 1-го закона для открытой и закрытой системы

По этому закону теплота может превращаться в механическую работу или, наоборот, работа в теплоту в строго эквивалентных количествах:

Для закрытой системы:

dU = дQ + дW

Для открытой системы:

dU = дQ + дW + дZ

8. Энтальпия. Физический смысл. Свойства энтальпии

Энтальпия - это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении; термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц.

Дж/кг

По физическому смыслу является теплосодержанием, при постоянном давлении изменение энтальпии (теплосодержания) равно количеству тепла, получаемому телом свойства:

9. Смеси идеальных газов. Способы задания газовых смесей

Смеси идеальных газов характеризуются аддитивностью парциальных давлений и объемов. Это означает, что каждый газ в смеси идеальных ведет себя так, как если бы он в данном объеме был один.

10. Теплоемкость, молярная масса и газовая постоянная смеси, заданной объемными и массовыми долями

Теплоёмкость тела - физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты дQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры дT:

Дж/К

Молярная масса вещества - масса одного моля вещества. Газовую постоянную смеси газов Rсм можно определить или по известному значению средней молекулярной массы смеси, или по известному массовому составу смеси и газовым постоянным отдельных газов, составляющих смесь. Газовая постоянная смеси по известному значению nсм:

Rсм = R0 / nсм = 8314,3/pсм

11. Термодинамические циклы. Прямой цикл Карно и его свойства

Термодинамические циклы - круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела, совпадают. Цикл Карном - идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно состоит из конкретных процессов: двух изотерм и двух адиабат. Здесь 1 кг газа расширяется в цилиндре по изотерме 1-2 с подводом теплоты q1, затем по адиабате 2-3, совершая значительную работу. Затем газ сжимается по изотерме 3-4 с отводом теплоты q2 и адиабате 4-1, на что затрачивается работа из точки 1, цикл повторяется.

12. Термодинамические циклы. Обратный цикл Карно и его свойства

Цикл Карно с протеканием процессов против часовой стрелки называется обратным. Это цикл холодильных машин и тепловых насосов. Осуществить на практике обратимый цикл Карно невозможно, поскольку в природе не существует обратимых процессов, но он является эталоном экономичности, к которому должны стремиться реальные циклы с изотермическими источниками теплоты. Для обратимого цикла Карно имеем:

В термодинамике отношение dq/T принято считать полным дифференциалом функции состояния s, называемой энтропией, то есть:

Математическое выражение второго закона термодинамики для обратимого цикла и называется первым интегралом Клаузиуса:

Термический к. п. д. необратимого цикла меньше, чем термический к. п. д. цикла Карно из-за потерь части подведенного к рабочему телу тепла в окружающую среду. Таким образом:

Отсюда:

13. Энтропия. Свойства энтропии

Где: дQ - бесконечно малое количество тепла, полученное телом при температуре Т, остановимся на фундаментальных свойствах энтропии.

Фундаментальные свойства энтропии: аддитивность, не отрицательность, равенство нулю при абсолютном нуле температуры.

Энтропия - мера рассеяния энергии:

1. Итак, энтропия - функция состояния. Если процесс проводят вдоль адиабат, то энтропия системы не меняется. В этом процессе Т=const, поэтому:

S2 - S1 = Q / T

Для идеального газаQ равно работе А, совершаемой системой. А так как А>0, значитS2>S1.

2. Энтропия - величина аддитивная: энтропия макросистемы равна сумме энтропий ее отдельных частей.

3. Одно из важнейших свойств энтропии заключается в том, что энтропия замкнутой (т.е. теплоизолированной) макросистемы не уменьшается - она либо возрастает, либо остается постоянной. Если же система не замкнута, то ее энтропия может как увеличиваться, так и уменьшаться.

14. Математическое выражение и сущность 2-го закона термодинамики

Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов.

2й закон:

1. Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым.

2. Не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может перейти в работу, а только часть ее. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник.

15. Калориметрические параметры состояния

К калорическим параметрам состояния относятся, как уже отмечалось, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия. Внутренняя энергия. Любая термодинамическая система в каждом состоянии обладает запасом полной энергии, которая состоит из внутренней энергии, зависящей от внутреннего состояния тела, и внешней энергии, связанной с движением тела как целого и положением его в каком-либо внешнем поле сил, т. е.

Если тело не движется, а влиянием внешнего поля сил можно пренебречь, то полная энергия будет представлять собой только внутреннюю энергию.

Любая термодинамическая система обладает запасом внутренней энергии, которая состоит из энергии хаотического движения и взаимодействия молекул. Поскольку внутренняя энергия рабочего тела зависит от его массы, обычно интересуются значением внутренней энергии, отнесенной к 1 кг массы тела, - удельной внутренней энергией.

Таким образом, важнейшим свойством удельной внутренней энергии рабочего тела является то, что она представляет собой однозначную функцию состояния тела, определяемого любой парой его основных параметров и сама может служить параметром состояния. Из этого свойства следует, что изменение удельной внутренней энергии не зависит от характера процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями рабочего тела. Следовательно, бесконечно малое приращение удельной внутренней энергии является полным дифференциалом.

В идеальном газе силы взаимодействия между молекулами отсутствуют и удельная потенциальная энергия его равна нулю. Поэтому удельная внутренняя энергия идеального газа состоит только из удельной кинетической энергии движения молекул и определяется его температурой.

В замкнутом (круговом) процессе, в котором начальное и конечное состояния совпадают, изменение удельной внутренней энергии равно нулю.

Определять абсолютное значение удельной внутренней энергии в большинстве технических расчетов не требуется, так как обычно необходимо знать только ее изменение. Поэтому условно приписывают некоторому состоянию рабочего тела нулевое значение удельной внутренней энергии, а все расчеты ведут относительно этого значения.

Энтальпия. Рассмотрим полную энергию газа, находящегося под давлением, создаваемым грузом массой. В этом случае полная энергия системы состоит из внутренней энергии газа и потенциальной энергии груза, равной , где - площадь поперечного сечения поршня. Т. е. Величина, зависящая от сил, действующих на поршень, получила название потенциальной энергии давления.

Таким образом, если газ находится в среде с давлением , то с любым состоянием его связана некоторая энергия , получившая название энтальпии газа в данном состоянии. Выражение энтальпии для 1 кг газа (т. е. удельной энтальпии) имеет вид.

Следовательно, удельная энтальпия, будучи зависимой от параметров состояния, и, также является параметром состояния. Поэтому изменение, как и изменение, не зависит от характера процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями, т. е.

16. T - S диаграмма. Свойства диаграммы

Удельную энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров для графического изображения процессов. Аналогично тому как мы строили изменение объема в зависимости от изменения температуры мы можем изобразить некоторый процесс изменения энтропии и температуры в Т- S координатах. В этом случае любая точка на графической плоскости соответствует определенному состоянию рабочего тела, а линия от точки 1 до точки 2 отображает некий термодинамический процесс. Особенностью Т- S координат является то, что площадь под линией процесса соответствует количеству энергии отданной или полученной рабочим телом.

17. Политропный процесс. Показатель политропы. Его физический и графический смысл. Частные случаи политропного процесса

Политропным процессом называется любой произвольный процесс изменения состояния рабочего тела, происходящий при постоянной теплоёмкости сп.:

В политропном процессе:

dq = cп·* dT

При n=k имеем адиабатный процесс.

При n=0 имеем:

р1·* v10=р2·* v20

То есть изобарный процесс(p1=p2).

При n=1 имеем:

р1·* v1= р2·* v2

То есть изотермический процесс. При n=? имеем:

Что равносильно:

То есть изохорный процесс:

И назовем величину n -- показатель политропы. Поскольку, как оговорено выше, в политропном процессе должна оставаться постоянной теплоемкость с, а значения сv и cp также не изменяются, значение показателя политропы в данном процессе тоже должно оставаться неизменным.

18. Изображение термодинамических процессов в P - V и T - S диаграммах

20. Водяной пар. Основные понятия и определения. Фазовая диаграмма

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом, или фазовым превращением.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, из жидкого в газообразное - испарением, из твердого в газообразное - сублимацией.

Обратные процессы соответственно называются затвердеванием, или кристаллизацией, конденсацией и десублимацией.

Процесс получения пара из жидкости может осуществляться испарением и кипением. Испарением называется парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре.

Кипением называется бурное парообразование по всей массе жидкости, которое происходит при сообщении жидкости через стенку сосуда определенного количества теплоты.

При этом образовавшиеся у стенок сосуда и внутри жидкости пузырьки пара, увеличиваясь в объеме, поднимаются на поверхность жидкости.

Процесс парообразования начинается при достижении жидкостью температуры кипения, которая называется температурой насыщения tн и на протяжении всего процесса остается неизменной.

Температура кипения, или температура насыщения, tн зависит от природы вещества и давления, причем с повышением давления tн увеличивается.

Давление, соответствующее tн называется давлением насыщения рн.

Насыщенным паром называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью. Насыщенный пар по своему состоянию бывает сухим насыщенным и влажным насыщенным.

Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=tн) при данном давлении.

Влажный насыщенный пар - это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара.

Отношение массы сухого насыщенного пара mс.п. к массе влажного насыщенного пара mв.п. называется степенью сухости х влажного пара, то есть:

Очевидно, что для жидкости х=0, для сухого насыщенного пара х=1.

Перегретый пар - это пар, находящийся при температуре, превышающей температуру кипения жидкости при давлении, равном давлению перегретого пара.

Величина превышения температурой пара температуры кипения жидкости называется степенью перегрева пара.

Водяной пар является реальным рабочим телом и может находиться в трёх состояниях: влажного насыщения, сухого насыщения и в перегретом состоянии.

21. Виды водяного пара. P - V диаграмма водяного пара

Насыщенным паром называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью.

Насыщенный пар по своему состоянию бывает сухим насыщенным и влажным насыщенным.

Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=tн) при данном давлении. Влажный насыщенный пар - это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара.

Представим данную позицию в виде графика.

27. Теория теплопроводности. Закон Фурье, дифуравнение теплопроводности

Теплопроводность - это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Теория теплопроводности основана на представлении о переносе теплоты в твердых неметаллических телах тепловыми упругими волнами-фононами.

31. Частный случай конвективного теплообмена

термодинамический газ энтальпия

Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем его является теплоотдача - конвективный теплообмен между движущейся средой (теплоносителем) и поверхностью ее раздела с другой средой (чаще всего твердым телом).

Если теплоотдача сопровождается тепловым излучением, то такой вид теплообмена называется радиационно-конвективным.

Способы передачи тепловой энергии:

1. Теплопроводность. необходимое условие- соединение двух тел одно из которых более нагрето. передача тепла идет постепенно от более нагретого тела к менее, за счет увеличения размахов колебательного движения молекул энергия передается от одной молекуле к другой, сами же они остаются по прежнему на своих местах. т.е. переноса вещества при этом не существует, передается только энергия. Процесс происходит до выравнивания температур обоих тел.

2.Излучение. Этот вид идет при помощи переноса энергии электромагнитными волнами ( например, Солнце). Тело так сказать "глотает" кванты энергии, вследствии чего скорость теплового движения молекул тела увеличивается, а значит и увеличивается температура..Темные тела при этом принимают больше, светлые меньше(окрас самолетов- блестящий)

3.Конвекция. Этот вид теплопередачи связан с переносом вещества. подогревают всегда снизу(отопительные батареи всегда внизу, варим огонь тоже у дна кастрюль), нижние слои при этом расширяются, увеличивается архимедова сила, они всплывают вверх, перемешиваются с более холодными, их место занимают следующие, все до тех пор, пока не происходит равномерный прогрев. В твердых телах конвекция идти не может, т.к. невозможен перенос вещества, только газы и жидкости.

Тепло — это энергия, передаваемая в результате разности температур. Существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность наблюдается в твердых, жидких и газообразных телах. Металлы — наилучшие проводники тепла, поскольку в них присутствуют свободные электроны, легко приобретающие кинетическую энергию при нагревании и переносящие ее из горячих участков металла в более холодные. Тепло в неметаллах, жидкостях и газах передается движением атомов в горячих участках: атомам в более холодных.

Теплопроводностью материала называется количество тепла, переносимого в секунду через единицу площади поперечного сечения при градиенте температуры в 1 К на метр. Для однородного изолированного проводника площадью поперечного сечения А и длиной L при разности температур ΔТ на его концах, передача тепла в секунду от одного конца до другого Q/t = kΔtT/L.

Конвекция — это передача тепла вследствие движения более нагретых слоев жидкости или газа, смещающих более холодные слои. В общем, нагретая часть жидкости или газа движется вверх, потому что ее плотность меньше плотности холодной жидкости или газа. Например, воздух, нагретый батареей центрального отопления, поднимается к потолку и заставляет циркулировать весь воздух в комнате.

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение с поверхности, обусловленное разностью температур. Чем больше температура поверхности объекта, тем интенсивнее тепловое излучение. Поверхность, хорошо его выделяющая, является и хорошим поглотителем тепла. Наиболее хороший поглотитель тепла — матовая черная поверхность, а самый плохой — блестящая серебристая.

Спектр теплового излучения с поверхности при температуре T непрерывен и имеет пики при определенной длине волны λp, в соответствии с законом Винса λp Т = 0,0029 Км. Закон Стефана — Больцмана гласит: общая энергия, испускаемая в секунду на единицу площади поверхности подчиняется формуле W/A =σεΤ4, где σ — постоянная Стефана — Больцмана, ε — интенсивность излучения поверхности.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии свидетельствует всё, окружающее нас: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе никогда не становятся горячими; прыгающий мяч в конце концов останавливается, но покоящийся мяч самопроизвольно не начинает подскакивать. Здесь проявляется свойство природы, отличное от свойства сохранения энергии. Это свойство состоит в том, что, хотя баланс энергии должен сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом. Второе начало термодинамики указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии, причем это направление не зависит от её общего количества.

Первый закон термодинамики, являясь частным случаем всеобщего закона о сохранении и превращении энергии, разрешает проведение любого процесса, не устанавливая условий, при которых возможен этот процесс. Он не решает вопроса о том, будет ли теплота передаваться от горячего тела к холодному или наоборот. Этот вопрос решает второй закон, выделяя из всех воображаемых процессов только те, которые в действительности могут произойти.

Смысл второго начала заключается в том, что любая система, предоставленная самой себе, стремится к одному вполне определённому состоянию – состоянию равновесия с окружающей средой. Такое состояние имеет минимум энергии. Это отражено в наиболее общей формулировке второго начала термодинамики, предложенной Л.Больцманом: природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным.

Из всех форм движения наиболее вероятно хаотическое движение молекул. Опытом установлено, что различные формы энергии могут самопроизвольно переходить в теплоту, но невозможны обратные самопроизвольные превращения теплоты в другие виды энергии. Это отражено в другой формулировке второго закона: любой реальный самопроизвольный процесс необратим. Например, переход теплоты в работу является самопроизвольным процессом и осуществляется полностью: трение, удар, торможение и т.д. В противоположность этому самопроизвольного превращения теплоты в работу никто не наблюдал. Такое превращение возможно только в организованном процессе и не полностью. В соответствии с формулировкой М.Планка: невозможно построить периодически действующую машину, результатами действия которой были бы только получение механической работы и охлаждение источника теплоты. Для осуществления несамопроизвольного процесса получения работы необходимо построить тепловой двигатель, имеющий два источника теплоты с разными температурами – горячий источник (нагреватель) и холодный источник (холодильник). Теплота, полученная от нагревателя частично превращается в работу, а частично передается холодильнику. Иными словами природа требует с нас «контрибуции» всякий раз, когда теплота преобразуется в работу.

Теплопроводность

один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры.

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ, метод термодинамич. анализа пром. систем (в т. ч. хим.-технол. систем, ХТС), рассматриваемых во взаимод. с окружающей средой.

Связи, устанавливаемые при эксергетическом анализе между термодинамич. характеристиками и техн.-экономич. показателями анализируемой системы, дают возможность оценить эффективность ее работы, а также определить пути и способы совершенствования. Объективность получаемых при таком анализе оценок обусловлена прежде всего тем, что они основаны на расчете минимально необходимых материальных и энергетич. затрат на реализацию исследуемого технол. процесса. В большинстве др. методов для этих целей используют нек-рые операции сравнения (напр., изменения энтропии системы), по отношению к к-рым и оцениваются показатели изучаемого объекта; результаты подобного анализа, естественно, зависят от удачного выбора операций сравнения. Эксергетический анализ избавляет исследователя от необходимости подбора указанных операций для действующих установок, а для новых (проектируемых) позволяет сразу выявить возможность их внедрения в произ-во путем сопоставления минимально требуемых затрат с имеющимися в наличии ресурсами. Эксергетический анализ успешно используют в отраслях хим.-лесного комплекса (напр., в произ-вах метанола, HNO3), металлургии, криогенной технике и др., причем все шире для повышения экономичности высокоэнергоемких процессов и произ-в.

основной закон термохимии, согласно которому тепловой эффект реакции зависит лишь от начального и конечного состояний системы и не зависит от промежуточных состояний и путей перехода. Г. з. был открыт Г. И. Гессом в 1840 на основе экспериментальных исследований. Он представляет собой одну из форм позднее открытого закона сохранения энергии в применении его к химическим реакциям и относится к процессам, происходящим при постоянном объёме или при постоянном давлении. Г. з. широко используется для определения расчётным путём теплового эффекта интересующего процесса на основе экспериментальных данных, относящихся к др. процессам

Дросселирование (от нем. drosseln — душить) — понижение давления газа или пара при протекании через сужение проходного канала трубопровода — дроссель, либо через пористую перегородку.

Эффект дросселирования применяется в промышленности в расходомерах переменного давления[2], в которых расход газа или пара измеряется по перепаду давления P1 — P2 перед и после сужения проходного канала (диафрагма или сопло в трубе Вентури) трубопровода.

Дросселирование применяется в компрессионных холодильниках в качестве средства обеспечения перепада давления для испарения сжиженного хладагента.

Процесс дросселирования не квазистатический, равновесны только начальное и конечное, но не промежуточные состояния. Рассмотрение процесса дросселирования как квазистатического возможно только потому, что путь перехода из начального состояния в конечное здесь не важен, и можно заменить его некоторой теоретической квазистатической абстракцией.

При дросселировании происходит адиабатное расширение от давления P1 до давления P2 без совершения работы, то есть дросселирование — существенно необратимый[2] процесс, сопровождающийся увеличением энтропии и объёма при постоянной энтальпии.

Флотационный метод.

Флотационный способ обогащения сильвинитовых руд ведётся в насыщенных солевых растворах. Он основан на селективной гидрофобизации реагентами собирателями поверхности калийных минералов, создающей условия для закрепления частиц на пузырьках воздуха и извлечения их в пенный продукт. Флотационный метод переработки включает подготовительные операции по крупности минеральных зёрен (измельчение и классификация) и по выделению глинисто-карбонатных шламов (обесшламливание).

Окончательный концентрат с содержанием KCl 95,3-96,2% подвергается обезвоживанию и сушке. "Хвосты" флотации, с содержанием KCL 2,5-3,0% после обезвоживания транспортируются на складирование на солеотвал. Шламовый продукт после сгущения и осветления щелоков транспортируется на шламохранилище. Извлечение полезного компонента при флотационном методе переработки составляет 84-85%.

Галургический метод.

Этот процесс переработки калийсодержащего сырья основан на растворении хлористого калия из руды горячим раствором при 120° и раздельной кристаллизации солевых составляющих перерабатываемой руды.

Технологический процесс галургического способа складывается из дробление сильвинитовой руды, растворения сильвинита горячим щелоком в растворителях со шнековыми мешалками и ковшовыми элеваторами, охлаждению (с целью кристаллизации хлорида калия из осветленного насыщенного раствора) сгущения в отстойниках. Затем сгущенная суспензия через промежуточную мешалку подается на центрифуги. Сушка отфильтрованного хлорида калия осуществляется на сушильных барабанах или печах кипящего слоя.

Содержание хлористого калия в концентрате составляет 95-98%, в галитовых отходах 2,5-3,0%, извлечение 86,5-87,5%.

Паросиловая установка

предназначается для преобразования тепла сжигаемого топлива в механическую энергию при помощи пара. Как правило, механическая энергия не является конечной продукцией П. у., а посредством генераторов электрического тока трансформируется в электроэнергию, передаваемую затем потребителям. В этом случае П. у. называется тепловой электростанцией. П. у., в которой пар получают от атомной паропроизводящей установки, принято называть атомной энергетической установкой или атомной электростанцией. П. у. состоит из одного или группы паровых котлов и одного или нескольких паровых двигателей (Паровая машина, Паровая турбина) со вспомогательными механизмами, аппаратами и приборами. Простейшая П. у.— Локомобиль, состоящий из жаротрубно-дымогарного котла, на котором смонтирована поршневая паровая машина. Мощные П. у. состоят из паровых котлов и паровых турбин с конденсационными установками. Современная тенденция в строительстве П. у.— составлять их из котёл-турбины блоков (См. Котёл - турбина блок) (мощностью 200—300 Мвт и больше), не связанных между собой по пару и воде. Это позволяет применять короткие паропроводы с минимальным числом арматуры, что очень важно при высоких параметрах пара [давление до 24 Мн/м2 (240 кгс/см2) и температура 570 °С и выше]. Часть пара, получаемого в П. у., нередко используется для бытовых или технологических целей (отопление, варка, сушка). П. у. применяют на речных и морских судах (Пароходы), а также на рельсовом транспорте (Паровозы) и ограниченно на паровых автомобилях (См. Паровой автомобиль).