2. Первый закон термодинамики Работа и внутренняя энергия.

Работа есть одна из форм передачи энергии от одного тела к другому, осуществляемая посредством макропроцессов поэтому коли­чество работы представляет собой меру передаваемой энергии. При расши­рении газа увеличивается его объем и газ при этом совершает работу против внешней среды (работу расширения). При сжа­тии объем газа уменьшается, вне­шняя среда совершает работу над газом (работу сжатия).

В РV -диаграмме (Рис.1.) кривая 12 изображает процесс расширения газа в цилиндре, а кривая 21 — процесс сжатия.

Сила Р, действующая на поршень площадью А приведет к изменению объёма цилиндра ΔV =(V₂ –V₁) а элементарная работа L при перемещении поршня от точки 1 до точки 2 составит:

L = РА ΔV= РА (V₂ –V₁) (19)

Рис. 1. Графическое изображение работы газа в РV-диаграмме.

Как известно, молекулы газа находят­ся в постоянном хаотическом тепловом движении. При этом каж­дая молекула обладает кинетической энергией поступательного и кинетической энергией вращательного движений. Кроме того, при столкновениях атомы, составляющие молекулу, приходят в колебательное движение, в результате чего возникает энергия внутримолекулярных колебаний. Сумма перечисленных трех ви­дов энергии молекул зависит только от температуры газа. Для реального газа к указанным трем видам энергии прибавляется еще четвертая — потенциальная энергия от сил сцепления между молекулами.

Сумму перечисленных видов энергии молекул называют внутренней тепловой энергией, или просто внутренней энергией газа – u.

Изменение внутренней энергии газа Δu, следовательно, яв­ляется суммой изменений внутренней кинетической энергии Δu_к и внутренней потенциальной энергии Δu_п и для 1 кг газа

Δu= Δu_к + Δu_п

Энергия — это свойство тел при определенных усло­виях совершать работу.

Первый закон термодинамики является по существу законом сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам и гласит:

Тепло, сообщенное телу (системе) из вне приводит к изменению его внутренней энергии и совершению работы системой.

Q = + L (20)

где: - изменение внутренней энергии, L - работа.

Работа процесса – энергия, передаваемая одной системой другой не зависящей от температуры этих систем.

L = P· , Дж (21)

где: Р – давление, - элементарное. изменение объема.

Если работа системой не совершается, то тепло сообщенное ей из вне идет на изменение внутренней энергии.

Энтальпия (теплосодержание).

Введе­ние в термодинамику этого параметра оказалось очень удобным, так как облегчило исследование процессов в тепловых двигате­лях, особенно в паровых. Новый параметр состояния обознача­ют буквой i и он равен

i = u + р· υ (22)

где: и — внутренняя энергия 1 кг газа;

pv — работа проталкивания, при этом р и v соответственно давление и удельный объем газа при температуре, для которой определена внутренняя энергия. Энтальпию измеряют в тех же единицах, что и внутреннюю энергию (кдж/кг).

Если в выражение (22) подставить вместо и и pv их значения, а именно

u = c_vT и pv = RT и принять начальную температуру равной абсолютному нулю, тогда в процессе при Р =соnst: αP=0

i = u + р· υ = c_vT + RT = (c_v+ R)·T

Заменяя ( c_v+ R) = c_р получается i = c_pT.

Следовательно, энтальпия идеаль­ного газа численно равна количеству тепла, затрачиваемого при нагревании 1 кг от 0°К или от 0°С до температуры Т при постоянном давлении.

Уравнение первого закона термодинамики для любого газа в процессе постоянного давления

q_p = Δu + р· αυ = u₂ – u₁ + р· (υ₂ - υ₁) = (u₂ + р· υ₂) – (u₁ + р· υ₁) = i₂ - i₁

q_p = i₂ - i₁= c_pT₂- c_pT₁= c_p(T₂- T₁)

Это уравнение удоб­но использовать в ряде теплотех­нических расчетов.