1.5. Термодинамические процессы

Термодинамический процесс — это изменение состояния системы, характеризующееся изменением её параметров и подчиняющееся определённой закономерности. Равновесный процесс –– непрерывная последовательность равновесных состояний. Он протекает бесконечно медленно, при бесконечно малой разности между параметрами рабочего тела и окружающей среды. Неравновесный процесс — последовательность состояний, среди которых есть неравновесные.

Обратимый процесс — частный случай равновесного. После его окончания система и взаимодействующие с ней система (окружающая среда) могут вернуться в начальное состояние за счет эффекта, полученного в прямом процессе. В таком процессе при прямом и обратном его ходе рабочее тело и окружающая среда должны проходить через одни и те же состояния.

В технической термодинамике рассматриваются только обратимые процессы. При малых скоростях протекания многих реальных процессов, в частности, для процессов в ДВС, такая идеализация допустима.

При изображении процессов на диаграммах учитывают, что уравнение состояния — это уравнение термодинамической поверхности вещества в координатах p,v,T. Равновесное состояние тела изображается точкой, а равновесный процесс — линией на этой поверхности.

Рис.1.1. Изображение процесса в p,v,T координатах (а) и его проекций на диаграммах: p,v (б), p,T (в) и T,v (г).

Пространственная кривая процесса (рис.1.1а) может быть задана проекциями на координатные плоскости, которые совместно с проекциями процесса представляют собой термодинамические диаграммы. Уравнения проекций — это уравнения процесса в соответствующих координатах (например, p=f₁(v), p=f₂(T) и Т=f₃(v) – рис. 1.1б, 1.1в и 1.1г).

Процесс задан, если заданы уравнения двух его проекций либо уравнение состояния тела (уравнение поверхности) и уравнение одной проекции процесса.

Особую роль в термодинамике играют замкнутые круговые процессы (циклы), протекающие в тепловых двигателях и холодильных установках. Цикл можно осуществить потому, что на тело оказываются два воздействия: тепловое и механическое.

1.6. Работа и теплота процесса

ДОООО 28.01.15

Работа процесса — это энергия, передаваемая одним телом другому при их механическом взаимодействии, не зависящая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому. Работа процесса — количественная характеристикой механического взаимодействия системы и окружающей среды.

Рис.1.2. Работа сил давления при равновесном процессе расширения (а); определение деформационной работых (б); зависимость работы от процесса (в).

Вычислим работу сил давления при равновесном процессе расширения газа. Пусть в цилиндре с подвижным поршнем, поверхность головки которого F, находится М килограмм газа при давлении p (рис.1.2а). При элементарном перемещении поршня на расстояние δS производится механическая работа δL, равная произведению силы pF на расстояние или давления p газа на изменение его объёма dV

δL = pFδS = pdV .

(1.20)

При размерности p – Н/м² и V – м³ получаем значение δL в Джоулях. Работа, рассчитываемая по этому уравнению, называется деформационной или физической.

Удельная элементарная деформационная работа, совершаемая одним килограммом газа, равна

δl = δL/M = pdv .

(1.21)

При размерности M – кг получаем значение δl в Дж/кг.

Для конечного равновесного процесса удельная деформационная работа определяется из соотношения

.

(1.22)

Диаграмму p,v называют рабочей, в ней работа изображается площадью под кривой процесса (рис. 1.2б).

При расширении газа dv>0, поэтому работа положительна. При сжатии dv<0 и работа отрицательна. В зависимости от вида зависимости p=f(v) получаются разные значения интеграла, то есть работа зависит от процесса (рис. 1.2в). Обозначение элементарной работы (δ) подчеркивает, что она зависит от процесса и не является полным интегралом.

Теплота процесса — энергия, передаваемая более нагретым телом менее нагретому и не связанная с переносом вещества. Это количественная характеристика процесса термического (теплового) взаимодействия тел, обусловленного разностью их температур. Теплота, как и работа, является функцией процесса.

В системе СИ в качестве единицы количества тепловой энергии (как и механической) принят Джоуль. Общее количество теплоты, подведенное к телу (либо отведенное от него), обозначается Q [Дж], а удельное — q [Дж/кг]. Теплоту, подводимую к телу, считают положительной, а отводимую — отрицательной.

В метрической системе в качестве единицы количества теплоты применялась калория — теплота, необходимая для нагрева одного грамма воды от 19,5 до 20,5ºС: 1 кал = 4,1868 Дж.