Термодинамический процесс

Последовательное прохождение рабочим телом непрерывного ряда равновесных состояний будем называть термодинамическим процессом.

Под равновесным состоянием рабочего тела будем понимать состояние, при котором во всех точках рабочего тела сохраняется одинаковое давление, температура и удельных объем. В дальнейшем будем рассматривать только равновесные процессы.

Рис. 2

Особое место в термодинамике при изучении тепловых процессов занимают круговые процессы или циклы.

Циклом будем называть круговой замкнутый процесс, в результате осуществления которого рабочее тело возвращается в исходное состояние, рис. 2б.

Введем понятие обратимого процесса: под обратимым процессом будем понимать процесс, протекающий в прямом и обратном направлении через те же равновесные состояния и не оставляющий никаких следов в окружающей среде после обращения.

Протекание обратимых процессов возможно при следующих условиях: 1)  отсутствие трения; 2)  устремление к нулю величин ΔР  0, ΔТ  0; 3) отсутствие диффузии.

Обратимые процессы являются идеальными процессами. Действительные процессы, протекающие в природе и технике, являются необратимыми, т.е. сопровождаются трением и протекают при конечных значениях величин ΔР и ΔТ. Графическое изображение в различных системах координат возможно только обратимых процессов.

В практических расчетах переход от обратимых процессов к действительным (необратимым) осуществляется с помощью эмпирических коэффициентов, которые учитывают отклонения действительных от идеальных (обратимых) процессов. Следовательно, обратимые процессы можно рассматривать как предельный случай необратимого процесса.

В дальнейшем будем рассматривать только обратимые процессы.

Теплота и работа

Передача энергии от одного тела к другому в термодинамической системе может осуществляться двумя способами: в виде теплоты и работы.

При соприкосновении двух тел с различной температурой происходит обмен кинетической энергией молекул этих тел. При этом кинетическая энергия молекул тела с более высокой температурой передается телу с меньшей температурой, т.е. с меньшей кинетической энергией молекул. Такой способ передачи энергии называется передачей энергии в виде теплоты. Количество теплоты, сообщенной телу, обозначается Q, Дж; теплота, отнесенная к единице массы тела, обозначается q, Дж/кг.

Тело, находящееся под действием внешних сил, может либо деформироваться, т.е. изменять свой объём, либо перемещаться в пространстве. Такой способ передачи энергии, при котором происходит изменение объема тела, либо его перемещение, называют передачей энергии в виде работы. Количество переданной энергий в виде работы называют работой L, Дж; работа, отнесенная к единице массы тела, обозначается l, Дж/кг.

Заметим, что зачастую в термодинамических процессах передача энергии в виде теплоты и работы происходит одновременно.

Уравнение состояния

Параметры p, V, T связаны между собой функциональной зависимостью f(p, V, T) = 0, которая называется характеристическим уравнением состояния рабочего тела. Характеристическое уравнение состояния имеет большое значение в термодинамике. Это уравнение позволяет определить один из параметров состояния по известным двум другим.

Для большинства реальных рабочих тел аналитическая зависимость между параметрами состояния достаточно сложна и воспользоваться ею для определения параметров состояния в ряде случаев бывает затруднительно.

Наиболее простое уравнение состояния может быть получено для идеального газа, под которым будем понимать газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия и объём молекул исчезающе мал по сравнению с объемом газа. При этом молекулы представляют собой материальные точки.

Заметим, что зачастую реальные газы ведут себя как идеальные.

Характеристическое уравнение состояния идеального газа может быть представлено в виде:

.

В приведенных уравнениях:

р – абсолютное давление, Н/м²;

V – полный объем газа, м³;

M – масса газа, кг;

T – абсолютная температура, К;

R – газовая постоянная, Дж/кгК, зависящая от природы газа.

Приведенное выше уравнение может быть записано для 1 моля газа, которое называют уравнением Клайперона-Менделеева:

.

Величина является постоянной для 1 кмоля любого газа во всех состояниях и называется поэтому универсальной газовой постоянной. Универсальная газовая постоянная может быть легко вычислена при нормальных физических условиях:

.

Газовая постоянная для газа может быть вычислена по формуле:

,

где μ – молекулярная масса.