Лекция 5 термодинамические процессы в газах

Всякое изменение состояния рабочего тела (газа) в общем случае характеризуется изменением его основных параметров: , , T. Состояние газа изменяется двумя путями: сообщением ему теплоты q или отводом от него теплоты; механическим сжатием или расширением его.

Термодинамические процессы математически выражаются уравнениями, связывающими между собой параметры состояния, (, , T) и, следовательно, при их исследовании используется уравнение состояния идеальных газов и математическое выражение первого закона термодинамики. Такие уравнения называются политропными (от греческих слов: «поли» – много, «тропос» – путь). Наибольший практический интерес имеют термодинамические процессы, в которых какой-либо из основных параметров (, , T) состояния не изменяется или процесс осуществляется без теплообмена с внешней средой (q = 0).

Таких процессов четыре: изохорный, протекающий при постоянном объеме ; изобарный – при постоянном давлении ; изотермический – при постоянной температуре T; адиабатный – без теплообмена с внешней средой (то есть q = 0). Эти процессы называются основными. Они являются частными случаями политропного процесса.

§ 1. Метод исследования

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

ЭНТРОПИЯ ГАЗОВ

При исследовании все процессы рассматриваются как равновесные и обратимые.

Прежде чем рассматривать порядок исследования термодинамических процессов, введем пятый параметр состояния газа - энтропию S. Энтропия характеризует направления протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой.

Для произвольной массы газа G (кг) энтропию S измеряют в кДж/К, а энтропию 1 кг газа обозначают буквой s и измеряют в кДж/(кг ^. К), то есть в тех же единицах, что и массовую теплоемкость.

В термодинамике определяют лишь изменение энтропии: s = s₂ – s₁. В связи с этим условно считают, что при 0 ⁰С и при любом давлении энтропия s, так же, как и внутренняя энергия u, равна нулю.

Не прибегая к помощи высшей математики, для произвольного (политропного) термодинамического процесса можно записать:

s₂ – s₁ = s = q/T, (45)

где q – количество теплоты, участвующей в произвольном элементарном термодинамическом процессе, кДж/кг; s – изменение энтропии в данном элементарном процессе, кДж/(кг ^. К).

Отношение q/T называется приведенной теплотой и представляет собой качественную характеристику процесса преобразования теплоты.

Изменение энтропии как функции состояния не зависит от пути протекания процесса (то есть от пути перехода рабочего тела), а зависит лишь от самого начального и конечного состояния.

Введение понятия энтропии как параметра состояния рабочего тела позволяет применить для исследования термодинамических процессов новую (-диаграмма введена ранее) прямоугольную систему координат T, s, в которой по оси абсцисс в соответствующем масштабе откладывают энтропию s, а по оси ординат – абсолютную температуру T. Такая диаграмма называется Ts-диаграммой.

В этой диаграмме площадь, ограниченная перпендикулярами, опущенными на ось абсцисс източек начального и конечного состояний, и осью абсцисс,выражает количество сообщенной или отнятой теплоты q. Поэтому Ts-диаграмму называют также тепловой, или энтропийной. Так как в уравнении (45) температура Т – величина всегда положительная, то s и q имеют одинаковые знаки, то есть если теплота q подводится к газу (величина положительная), то и s возрастает. И, наоборот, если q отводится (величина отрицательная), то и s уменьшается. Это одно из наиболее важных свойств энтропии.

При исследовании термодинамических процессов определяют:

1. Уравнение процесса и его графическое изображение в системе координат , .

2. Связь между основными параметрами состояния газа.

3. Изменение внутренней энергии газа u и величину работы расширения ℓ.

4. Количество теплоты q, сообщаемой газу или отводимой от него.

5. Графическое изображение процесса в системе координат T, s.