Тема 2 Энергетические характеристики

Внутренняя энергия  термодинамической системы представляет собой сумму всех видов энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему.

Это означает, что независимо от предыстории системы её энергия в данном состоянии имеет присущее этому состоянию значение, поэтому приращение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое всегда равно разности значений внутренней энергии в конечном и начальном состояниях независимо от пути перехода.

Таки образом,

. (2.1)

Внутренняя энергия является величиной аддитивной, т.е. внутренняя энергия системы равна сумме внутренних энергий отдельных ее частей.

В термодинамике часто используется понятие удельной внутренней энергии, т.е. внутренней энергии для массы системы равной 1кг.

 (2.2)

где  ¾ масса системы, кг.

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотиче­ски движутся и взаимодействуют друг с другом, по­этому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина, характери­зующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц си­стемы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2• т/М • RT.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существуют два способа изменения внутрен­ней энергии: теплопередача и совершение механи­ческой работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопере­дача бывает трех видов: теплопроводность (непо­средственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излуче­ние (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче яв­ляется количество теплоты (Q).

Эти способы количественно объединены в за­кон сохранения энергии, который для тепловых про­цессов читается так. Изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теп­лоты, переданной системе, и работы, внешних сил, совершенной над системой.  U= Q + А, где  U— изменение внутренней энергии, Q — количество теп­лоты, переданной системе, А — работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А'. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым за­коном термодинамики, можно записать так: Q = Α' +  U, т. е. количество теплоты, переданное систе­ме, идет на совершение системой работы и измене­ние ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает ра­боту над внешними силами Α' = p(V₁-V₂) = pΔV, где

V₁, и V₂ — начальный и ко­нечный объем газа. Если про­цесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигу­ры, заключенной между ли­нией, выражающей зависи­мость p(V) и начальным и ко­нечным объемом газа (рис. 13).

Рассмотрим применение первого закона тер­модинамики к изопроцессам, происходящим с иде­альным газом.

В изотермическом процессе температура по­стоянная, следовательно, внутренняя энергия не ме­няется. Тогда уравнение первого закона термодина­мики примет вид: Q = А', т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому темпе­ратура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и ко­личество теплоты, переданное газу, идет на увеличе­ние его внутренней энергии и на совершение им ра­боты: Q =  U + А'.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет вид:

Q =  U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следо­вательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следова­тельно, газ охлаждается, Α' =  U. Кривая, изобра­жающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

24. Теплоёмкости идеального газа. Ср и Сv. Работа газа различных изопроцессах. Адиабатический процесс. Уравнение Пуасонна.

Отношение количества теплоты  , полученного телом при бесконечно малом изменении его состояния, к связанному с этим изменению температуры тела  , называется теплоемкостью тела в данном процессе:

.

Обычно теплоемкость относят к еди­нице количества вещества и в зависимо­сти от выбранной единицы различают:

удельную массовую теп­лоемкость c , отнесенную к 1 кг газа,

Дж/(кг·К);

удельную объемную теп­лоемкость c´, отнесенную к количеству газа, содержащегося в 1 м³ объема при нормальных физических условиях, Дж/(м³·К);

удельную мольную тепло­емкость  , отнесенную к одному киломолю, Дж/(кмоль·К).

Зависимость между удельными теплоемкостями устанавливается очевидны­ми соотношениями:  ; 

Здесь  — плотность газа при нормаль­ных условиях.

Изменение температуры тела при од­ном и том же количестве сообщаемой теплоты зависит от характера происходя­щего при этом процесса, поэтому тепло­емкость является функцией процесса. Это означает, что одно и то же рабочее тело в зависимости от процесса требует для своего нагревания на 1 К различного ко­личества теплоты. Численно величина с изменяется в пределах от +∞ до -∞.

В термодинамических расчетах боль­шое значение имеют:

теплоемкость при посто­янном давлении

,

равная отношению количества теплоты  , сообщенной телу в процессе при по­стоянном давлении, к изменению температуры тела dT

теплоемкость при посто­янном объеме

, (1.5)

равная отношению количества теплоты , подведенной к телу в процессе при постоянном объеме, к изменению темпе­ратуры тела .

В соответствии с первым законом термодинамики для закрытых систем, в которых протекают равновесные про­цессы  , и

.

Для изохорного процесса (v=const) это уравнение принимает вид  , и, учитывая (1.5), по­лучаем, что

,

т. е. теплоемкость тела при постоянном объеме равна частной производной от его внутренней энергии по температуре и характеризует темп роста внутренней энергии в изохорном процессе с увеличе­нием температуры.

Для идеального газа 

Для изобарного процесса () из уравнения (2.16) и (2.14) получаем

или

Это уравнение показывает связь между теплоемкостями с_р и сv. Для иде­ального газа оно значительно упрощает­ся. Действительно, внутренняя энергия идеального газа определяется только его температурой и не зависит от объема, поэтому  и, кроме того, из уравнения состояния следует  , откуда

.

Это соотношение называется уравнением Майера и является одним из основных в технической термодинамике идеальных газов.

В процессе v=const теплота, сооб­щаемая газу, идет лишь на изменение его внутренней энергии, тогда как в про­цессе р = const теплота расходуется и на увеличение внутренней энергии и на со­вершение работы против внешних сил. Поэтому с_р больше сv на величину этой работы.

Для реальных газов , по­скольку при их расширении (при p=const) совершается работа не только против внешних сил, но и против сил притяжения, действующих между моле­кулами, что вызывает дополнительный расход теплоты.

Обычно теплоемкости определяются экспериментально, но для многих ве­ществ их можно рассчитать методами статистической физики.

Числовое значение теплоемкости идеаль­ного газа позволяет найти классическая тео­рия теплоемкости, основанная на теореме о равномерном распределении энергии по сте­пеням свободы молекул. Согласно этой теоре­ме внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна числу степеней свободы мо­лекул и энергии kТ/2, приходящейся на одну степень свободы. Для 1 моля газа

,

где Nо — число Авогадро; i — число степеней свободы (число независимых координат, которые нужно задать для того, чтобы полно­стью определить положение молекулы в про­странстве) .

Молекула одноатомного газа имеет три степени свободы соответственно трем состав­ляющим в направлении координатных осей, на которые может быть разложено поступатель­ное движение. Молекула двухатомного газа имеет пять степеней свободы, так как помимо поступательного движения она может вра­щаться около двух осей, перпендикулярных линии, соединяющей атомы (энергия враще­ния вокруг оси, соединяющей атомы, равна нулю, если атомы считать точками). Молекула трехатомного и вообще многоатомного газа имеет шесть степеней свободы: три поступа­тельных и три вращательных.

Поскольку для идеального газа , то мольные теплоемкости одно-, двух- и многоатомных газов равны со­ответственно:

; ;  .

Результаты классической теории теплоем­кости достаточно хорошо согласуются с экспе­риментальными данными в области комнатных температур (табл. 2.1), однако основной вы­вод о независимости от температуры экспери­мент не подтверждает. Расхождения, особенно существенные в области низких и достаточно высоких температур, связаны с квантовым по­ведением молекул и находят объяснения в рамках квантовой теории теплоемкости.

Теплоемкость некоторых газов при t= 0°С в идеально-газовом состоянии

Газ	Число степеней свободы	Мольная теплоемкость,   кДж/кмольК	k = ср /сv
Гелий Не		12,60	1,660
Аргон Аг		12,48	1,660
Кислород 02		20,96	1,397
Водород Н2		20,30	1,410
Азот М2		20,80	1,400
Метан СН4		26,42	1,315
Аммиак ЫН3		26,67	1,313
Диоксид угле- рода СО2		27,55	1,302

Эта теория устанавливает, прежде всего, несправедливость теоремы о равномерном распределении энергии по степени свободы в об­ласти низких и высоких температур. С умень­шением температуры газа происходит «вымо­раживание» числа степеней свободы молеку­лы. Так, для двухатомной молекулы происхо­дит «вымораживание» вращательных степеней свободы и она вместо пяти имеет три степени свободы, а следовательно, и меньшую внут­реннюю энергию и теплоемкость. С увеличени­ем температуры у многоатомных молекул про­исходит возбуждение внутренних степеней свободы за счет возникновения колебательно­го движения атомов молекулы (молекула ста­новится осциллятором). Это приводит к увели­чению внутренней энергии, а следовательно, и теплоемкости с ростом температуры.

Теплоемкость реального газа зависит от давления, правда, очень слабо.

Поскольку теплоемкость реального газа зависит от температуры, в термоди­намике различают истинную и среднюю теплоемкости.

Средней теплоемкостью с_ср данного процесса в интер­вале температур от t1 до t2 называется отношение количества тепло­ты, сообщаемой газу, к разности конеч­ной и начальной температур:

Выражение

 *

определяет теплоемкость при данной температуре или так называемую истинную теплоемкость. Из * следует, что

поэтому

.

Для практических расчетов теплоем­кости всех веществ сводят в таблицы, причем с целью сокращения объема таб­лиц средние теплоемкости приводят в них для интервала температур от 0 до t.

Вычислим работу идеального газа при различных изопроцессах в соответствии с её определением

А= . (5)

1. Изотермический процесс.

Подставив в (5) выражение р из уравнения pV=νRT₀, получаем:

.

2. Изохорный процесс. Так как здесь V=const, то А=0.

3. Изобарный процесс. Так как здесь р=const=р₀, то  .

4. Адиабатный процесс.

Так как здесь Q=0. то работа газа совершается только за счёт его внутренней энергии:

А=Q−ΔU=−ΔU=−νC_VΔT=νC_V(Т₁−Т₂). (6)

Отсюда видно, что при адиабатном расширении, когда А=pΔV>0, газ охлаждается, т.е. ΔТ<0.

Если в формулу (6) подставить Т₂ из уравнения адиабаты T₁V₁^γ−1=T₂V₂^γ−1, то получим ещё одно выражение для работы газа при адиабатном процессе:

А=νС_VТ₁(1−(V₁/V₂)^γ−1) (получить самостоятельно).

Имеется два существенно различных вида воздействия, которые приводят к изменению состояния системы, ᴛ.ᴇ. к изменению термодинамических параметром: давления, объёма и температуры. Одно из них – совершение работы.

В термодинамики рассматривается перемещение частей макроскопического тела друг относительно друга. При совершении работы изменяется объём тела, скорость тела остается равной нулю, но скорость молекул газа меняется. Меняется и температура газа.

 – работа газа при изобарном процессе

 – изменение объёма

При рассмотрении   газ совершает работу, отдает энергию окружающим телам. В случае если   то над газом совершают работу, газ получает энергию.

 – работа газа при изотермическом процессе

При изохорном процессе:   тогда А=0.

 

Работа͵ совершаемая газом численно равна площади под кривой, изображающей изменения состояние в диаграмме p,V.

4. Адиабатический процесс. Если сосуд с расширяющимся газом теплоизолировать от окружающей среды, то теплообмен будет отсутствовать, т. е. Q = 0. Процесс, происходящий при соблюдении этого условия, называется адиабатическим.

Уравнение первого начала термодинамики при учете условия Q = 0 прини­мает вид

0 = ΔU + A или A = – ΔU. (109)

Следовательно,при адиабатическом процессе работа совершается только за счет внутренней энергии газа.При адиабатическом расширении газ совершает работу, а его внутренняя энергия и, следовательно, температура падают. При адиабатическом сжатии работа газа отрицательна (внешняя среда производит работу над газом), внутренняя энергия и температура газа возрастают.

Адиабатический процесс можно реализовать практически и при отсутствии хорошей теплоизоляции. Но тогда необходимо вести процесс столь быстро, чтобы за время его осуществления не произошел сколько-нибудь существенный теплообмен с внешней средой.

Теплоемкость при адиабатическом процессе

 . (110)

Выведем уравнение кривой, изображающей адиабатический процесс на рV-диаграмме. Уравнение состояния моля газа имеет вид

pV=RT. (111)

При бесконечно малом изменении состояния совершаемая работа А = pdV, а изменение внутренней энергии, согласно (83), ΔU –> C_VdT. Подставляя эти значения A и ΔU в уравнение первого начала термодинамики (109), получим:

C_VdT + pdV = 0. (112)

Это есть уравнение адиабаты в дифференциальной форме. Поскольку оно содержит все три параметра — р, V и Т, — то для исключения одного из них воспользуемся уравнением состояния (111), предварительно продифференцировав его:

pdV + Vdp = RdT. (113)

Умножая уравнение (112) на R, а (113) — на С_V искладывая их, получим

(C_V + R)pdV + C_VVdp = 0. (114)

Принимая во внимание, что для идеального газа C_V + R = = С_р, разделим уравнение (114) на произведение C_VpV и введем обозначение

 . (115)

Тогда (114) примет вид

 . (116)

Учитывая, что постоянный множитель γ можно внести под знак дифференциала, преобразуем (116) к виду

d[γlnV + lnp] = 0. (117)

Отсюда следует, что величина, стоящая в скобках, должна быть постоянной. Обозначим эту константу как ln(const). Тогда

γlnV + lnp = ln(const). (118)

Учитывая, что γlnV = lnV^γ и потенцируя выражение (118), получим

pV^γ = const. (119)

Это и есть уравнение адиабаты. Его также называют уравнением Пуассона.

Поскольку γ > 1. то кривая, изображаемая этим уравнением (рис. 39), идет круче изотермы pV = const, которая для сравнения показана на том же чертеже штрих-пунктиром. Видно, что при адиабатическом расширении из точки I кривая (119) опускается ниже изотермы, т. е. газ охлаждается, а при адиабатическом сжатии кривая (119) поднимается выше изотермы, т. е. газ нагревается. Величина работы адиабатического процесса может быть особенно просто вычислена с помощью уравнения (109):

A = –C_VΔT =–C_V(T₂ – T₁) = C_V(T₁ – T₂). (120)

Используя формулу (115), выражение (120) можно преобразовать к виду:

 (121)

Для нахождения же конечной температуры T₂ можно, комбинируя (111) и (119), получить соотношение

TV^γ–1 = const. (122)

Для одноатомного газа C_v = 12,5 кДж/(кмоль*К), С_P = C_v + R = 20,8 кДж/(кмоль*К), и показатель степени адиабаты равен примерно 1,67. Для двухатомных газов при обычных температурах   . Для многоатомных газов при возбуждении их колебательных степеней свободы теплоемкости С_P и C_v имеют еще большие значения и показатель степени адиабаты

 (123)

еще ближе к единице.

В быстроходных двигателях внутреннего сгорания и при истечении газов через сопла реактивных двигателей процесс расширения газа протекает настолько быстро, что его можно считать практически адиабатическим и рассчитывать по уравнению (119).

Рис. 39. Адиабата и изотерма

Так как у> 1, то из (122) следует, что при адиабатическом сжатии газ нагревается, а при адиабатическом расширении — охлаждается. Это явление находит применение в дизелях, где воспламенение горючей смеси осуществляется путем адиабатического сжатия. Нагревание газа при адиабатическом сжатии объясняется тем, что во время сжатия над газом производится работа, которая идет на увеличение его внутренней энергии. А так как внутренний энергия идеального газа зависит только от температуры, то это увеличение внутренней энергии проявляется в повышении его температуры. Аналогично объясняется и охлаждение газа при адиабатическом расширении. Охлаждение газа при адиабатическом расширении используется в холодильных машинах.