2. Понятие о внутренней энергии газов

Вследствие того, что температура газа определяет кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул и энергию внутримолекулярных колебаний, а давление или объём определяют потенциальную энергию, то внутренней энергией газа и называют сумму перечисленных четырёх видов энергии молекул газа.

Для газа u = f(p, T).

u – это также параметр состояния газа, и разность внутренних энергий для двух каких-либо состояний рабочего тела, или системы тел не будет зависеть от того, каким путём это рабочее тело или система тел будет переходить из первого состояния во второе. Математически разность внутренних энергий для двух состояний рабочего тела записывается

так: u_{2 -} u₁ =∆u., где ∆u обычно называют изменением внутренней энергии, единица измерения которой в системе СИ, отнесённая к 1 кг газа, будет дж/кг.

3. Первый и второй законы термодинамики. Понятие об энтальпии газа.

Первый закон термодинамики устанавливает возможность превращения различных форм энергии друг в друга и определяет, в каких количественных соотношениях эти взаимные превращения осуществляются. Таким образом, первый закон термодинамики фактически является законом сохранения и превращения энергии, отражающим особенности вечно движущийся и вечно изменяющейся материи.

Сущность этого закона состоит в том, что энергия не создаётся и не уничтожается, различные формы энергии могут превращаться друг в друга в строго эквивалентных соотношениях. Сформулировать первый закон термодинамики можно следующим образом: … «любая форма движения способна и вынуждена при определённых для каждого случая условиях превращаться прямо или косвенно в любую другую форму движения».

Выражение u + pv, является параметром состояния газа, поскольку u и pv для каждого состояния газа имеют вполне определённые значения. Сумму величин u + pv называют энтальпией газа и обозначают буквой i. Энтальпия измеряется в джоулях.

Величина pv, входящая в выражение энтальпии i = u + pv, носит название потенциальной энергии давления. Поэтому энтальпию газа можно рассматривать как энергию газа, являющуюся суммой его внутренней энергии и потенциальной энергии давления.

Для более полного анализа явлений и процессов необходимо к первому закону термодинамики добавить ешё одну общую закономерность, позволяющую определить качественные особенности явлений и процессов. Такой закономерностью и является второй закон термодинамики, который устанавливает, возможен или не невозможен тот или иной процесс, в каком преимущественном направлении будет он протекать, когда система достигнет динамического равновесия и при каких условиях от системы можно получить максимальную работу.

Второй закон термодинамики показывает, что необратимые процессы возможны лишь при условии, когда в системе нет равновесия, когда, например, в системе имеется разность температур, и что процессы эти всегда протекают в направлении, приближающим систему к равновесию, при котором подобные процессы и заканчиваются. Второй закон термодинамики устанавливает также, что максимальную работу можно получить от системы только при условии протекания в ней термодинамически обратимых процессов.

Чтобы выяснить условия, при которых осуществляется процесс преобразования тепловой энергии в механическую, и понять сущность второго закона термодинамики, рассмотрим на примере устройства простейшей паросиловой установки (рис. 1.), каким образом тепло преобразуется в механическую энергию.

В паровом котле осуществляются процессы нагрева воды и получения пара за счёт тепловой энергии, выделяемой при сгорании топлива в топке, расположенной под котлом. Из котла пар по трубопроводу поступает к соплам и лопаткам рабочих колёс турбины, где расширяется и совершает работу, заставляя вращаться вал турбины. Так получается механическая энергия, которая может быть использована для привода генератора, вырабатывающего электрический ток. После расширения пар обычно вновь возвращается в первоначальное состояние. С этой целью отработавший пар из турбины выпускают в конденсатор, где он омывает трубки, внутри которых движется холодная вода. Отдавая ей тепло, пар конденсируется, превращается в воду, которая с помощью насоса обратно перекачивается в паровой котёл, вновь превращается в пар, который опять поступает в турбину, расширяется, совершая при этом работу, и т.д.

Для такой непрерывно действующей машины характерно следующее. Если через q₁ обозначить количество тепла, получаемого рабочим телом от горячего (высшего) источника (горящее топливо в топке), а через q₂ обозначить количество тепла, отдаваемого рабочим телом холодному (низшему) источнику (холодная вода в конденсаторе), то только разность между q₁ и q₂ перестаёт существовать в виде тепла и превращается в механическую энергию, за счёт которой и совершается работа А, равная по первому закону термодинамики

q₁ – q₂ = q₀.

Для работы непрерывно действующей машины необходимо иметь по крайней мере два источника тепла (один горячий, а другой холодный), поэтому в ней невозможно целиком перевести в работу всё тепло q₁, сообщённое рабочему телу. Часть этого тепла в виде q₂ неминуемо должна быть отдана холодному источнику и только разность между этими количествами тепла превращается в механическую энергию. Это утверждение, высказанное впервые в 1824 г. французским инженером Сади Карно, и составляет сущность второго закона термодинамики.

4. Изохорный и изобарный процессы.

Среди большого многообразия различных процессов изменения состояния газов широкое распространение имеют некоторые частные случаи процессов, т.е. такие, на протекание которых накладывается какое-либо ограничение. К таким процессам относятся:

1. процесс изменения состояния при постоянном объёме рабочего тела (изохорный процесс);

2. процесс изменения состояния при постоянном давлении рабочего тела (изобарный процесс);

3. процесс изменения состояния при постоянной температуре рабочего тела (изотермический процесс);

4. процесс изменения состояния, при котором между рабочим телом и внешней средой отсутствует теплообмен (адиабатный процесс).

Изохорный процесс. Изохорными называются процессы, осуществляемые при постоянном объёме рабочего тела. Примером изохорного процесса может служить нагревание или охлаждение газа в закрытом сосуде. Изохорный процесс в РV – диаграмме имеет вид прямой линии V = const. Если точка 1 характеризует начальное состояние газа, то при нагревании конечное состояние газа будет характеризоваться точкой 2, расположенной выше точки 1, а при охлаждении – точкой 2-1, расположенной ниже точки 1 (рис. 2.). В изохорных процессах тепло, сообщаемое газу, идёт только на увеличение его внутренней энергии, и отвод тепла возможен только за счёт уменьшения внутренней энергии, т. е. q_v = ∆u_v.

Изобарный процесс. Так называется процесс изменения состояния газа, который осуществляется при постоянном давлении. Уравнение процесса в pv-координатах

р = const, а его график в pv-диаграмме есть горизонтальная прямая (рис.3.).

Если точка 1 характеризует начальное состояние газа, процесс изобарного расширения будет представлен линией 1 – 2, а изобарного сжатия 1 – 2¹.

Тепло, сообщаемое газу в изобарном процессе, идёт на увеличение его энтальпии.