1.7 Теплота. Работа. Термодинамический процесс

Теплота – это мера количества переданной энергии к системе или от нее. Обмен теплотой зависит от разности температур. Если нет разность температур, то нет и теплообмена, тепловой поток отсутствует.

Теплота, подведенная к системе или отведенная от нее, обозначается как Q. Измеряется теплота в Джоулях Дж, кДж, МДж.

Для удобства сравнения различных систем вводят понятие удельная теплота – количество теплоты, приходящееся на один килограмм вещества.

Обозначается удельная теплота q, Дж/кг:

,

где Q - теплота, подведенная к системе или отведенная от нее, Дж;

M – масса вещества, кг.

Работа (механическая энергия) – макроскопическая форма обмена энергии между системой и окружающей средой. Работа совершается при изменении объема или формы тела.

Работа всей системы обозначается L, измеряется в Джоулях, Дж.

Удельная работа- работа, совершаемая каждым килограммом вещества. Удельная работа определяется как отношение работы всей системы к массе вещества:

; .

Из физики - элементарная работа dl определяется как произведение силы F на путь действия силы (перемещение) dx:

.

Термодинамический процесс – это любое измерение состояния термодинамической системы во времени.

Обратимый процесс – это процесс, при протекании которого в прямом и обратном направлении ни в системе, ни в окружающей среде не наблюдается остаточных изменений.

Все реальные процессы необратимы. Однако обратимые процессы изучают, как некоторое приближенное представление реальных процессов.

В приведенной на рис. 1.3 системе координат p- (давление – удельный объем) каждая точка отражает состояние системы, т.к. известные значения двух основных параметров позволяют рассчитать все остальные параметры системы. Линия 1-2 в координатах p- отображает термодинамический процесс. Стрелка указывает направление протекания процесса.

Рисунок 1.3 – Термодинамический процесс в координатах p-

1.8 Работа расширения

Если рабочему телу сообщается теплота, то в общем случае изменяется не только внутренняя энергия, но при расширении рабочего тела совершается работа против внешних сил.

Для определения работы расширения удобно воспользоваться графическим изображением процессов в координатах p- . На рис. 1.4 в этой системе координат представлен процесс расширения 1-2.

Работа расширения – это площадь фигуры, которая в координатах ограничена линией термодинамического процесса 1-2, осью абсцисс и крайними ординатами. Таким образом, работа изменения объема эквивалентна площади под линией процесса в диаграмме p- .

Рисунок 1.4 – Работа расширения в координатах (давление - удельный объем)

Определим работу расширения аналитически.

Сила воздействия газа на оболочку равна произведению давления газа на площадь:

,

где: - сила, под действием которой совершается работа, Н;

р - давление , Па;

- площадь, м².

Далее, вспоминая, что элементарная работа dl определяется как произведение силы F на перемещение ее точки приложения dx:

используя известные соотношения и S∙dx=d можно получить следующие выражения:

.

Следовательно, элементарная работа расширения равна:

,

где р - давление , Па;

d – изменение удельного объема, м³/кг.

Работу расширения l_1-2, совершаемую рабочим телом в процессе 1-2, (рис. 1.4) получим, интегрируя выражение для элементарной работы dl:

.

Поскольку в общем случае давление р – величина переменная, то для интегрирования необходимо знать закон изменения давления .

Пример. Рассмотрим частный случай, определим работу расширения в процессе при постоянном объеме :

.

Таким образом, работа изменения объема эквивалентна площади прямоугольника (рис. 1.5) одна сторона которого равна давлению р, а вторая – разности объемов ( ₂- ₁)

Рисунок 1.5 – Изображение процесса расширения в координатах p-

при

Также в технике широко используется понятие техническая работа, которая определяется по формуле:

.

Проинтегрируем приведенное выражение:

.

Рисунок 1.6 – Графическая иллюстрация технической работы.