7.Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. В термодинамике широко используется понятие термодинамической системы.

Определение: Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой.

Все тела находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы называются окружающей средой.

Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находится в разных состояниях, (пример: лед – вода – пар , одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества – так называемые параметры состояния.

Перечислим основные параметры состояния вещества:

Температура тел - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами.

В Северной Америке используется шкала Фаренгейта. Для термодинамических расчетов очень удобна абсолютная шкала или шкала Кельвина. За ноль в этой шкале принята температура абсолютного нуля, при этой температуре прекращается всякое тепловое движение в веществе. Численно один градус шкалы Кельвина равен одному градусу шкалы Цельсия. В настоящее время в мире существует несколько температурных шкал и единиц измерения температуры. Наиболее распространенная в Европе шкала Цельсия где нулевая температура – температура замерзания воды при атмосферном давлении, а температура кипения воды при атмосферном давлении принята за 100 градусов Цельсия (° С).

Температура, выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой.

Соотношение для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина:

T [K] = t [°C] + 273.15

где: T - температура в Кельвинах, t – температура в градусах Цельсия.

Давление - представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.

Для измерения давления применяются различные единицы измерения. В стандартной системе измерения СИ единицей служит Паскаль (Па).

Соотношение между единицами:

1 бар = 10⁵ Па

1 кг/см² (атмосфера) = 9.8067×10⁴ Па

1мм рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133 Па

1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) =  9.8067 Па

Плотность – отношение массы вещества к объему занимаемому эти веществом.

Удельный объем - величина обратная плотности т.е. отношения объема занятого веществом к его массе.

 (обратно к содержанию)

Термодинамические процессы и циклы

 Определение: Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс. 

Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния: F (P, V, Т). Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:

P × v = R × T

где: P - давление; v – удельный объем; T – температура; R – газовая постоянная (у каждого газа свое значение).

Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные изтрех Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)

Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое. 

Рассмотрим термодинамическую систему, состоящую из одного тела – какого либо газа в сосуде с поршнем, причем сосуд и поршень в данном случае является внешней средой. Пусть, для примера, происходит нагрев газа в сосуде, возможны два случая: если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущий при постоянном объеме.

eсли поршень свободен то нагреваемый газ будет расширятся при постоянном давлении такой процесс называетсяизобарным (P=const), идущим при постоянном давлении.;

Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным, при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводится за счет нагрева поршня и сосуда.

Определение: Круговой процесс (Цикл) это совокупность любого числа отдельных процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние.

Понятие кругового процесса является для нас ключевым в термодинамике, поскольку работа АЭС основана на паро–водяном цикле, другими словами мы можем рассматривать испарение воды а активной зоне (АЗ), вращение паром ротора турбины, конденсацию пара и поступление воды в АЗ как некий замкнутый термодинамический процесс или цикл. (обратно к содержанию)

Теплота и работа

Тела, участвующие в процессе, обмениваются между собой энергией. Энергия одних тел увеличивается, других - уменьшается. Передача энергии от одного тела к другому происходит 2-мя способами: 

• Первый способ передачи энергии при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергии между молекулами соприкасающихся тел (или лучистым переносом при помощи электромагнитных волн). Энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому. Энергия кинетического движения молекул называется тепловой, поэтому такой способ передачи энергии называется передача энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученной телом в форме теплоты называется подведенной теплотой (сообщенной), а количество энергии, отданное телом в форме теплоты - отведенной теплотой (отнятой). Обычное обозначение теплоты Q, размерность Дж. В практических расчетах важное значение приобретает отношение теплоты к массе – удельная теплота обозначается q размерность Дж/кг. Подведенная теплота - положительна, отведенная - отрицательна. 

• Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. Этот способ называется передачей энергии в форме работы. Если в качестве примера тела рассматривать газ в сосуде с поршнем то в случае приложения внешней силы к поршню п роисходит сжатие газа – работа совершается над телом, а в случае расширения газа в сосуде работу, перемещение поршня, с овершает само тело (газ). Количество энергии, полученное телом в форме работы называется совершенной над телом работой, а отданная - затраченной телом работой. Количество энергии в форме работы обычно обозначается L размерность Дж. Удельная работа - отношение работы к массе тела обозначается l размерность – Дж/кг.

Определение: Рабочие тело - определенное количество вещества, которое участвуя в термодинамическом цикле совершает полезную работу.

Рабочим телом в реакторной установке РБМК является вода, которая после испарения в активной зоне в виде пара совершает работу в турбине, вращая ротор.

Определение: Передача энергии в термодинамическом процессе от одного тела к другому, связанная с изменением объема рабочего тела, с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения называется работой процесса.

(обратно к содержанию)

Первый закон термодинамики.

Формулировка:

В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.

Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой. Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел. Существую другие формулировки этого закона:

1.  Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии из ничего и уничтожения ее в ничто). 

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии). 

3. Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии). 

4.  Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим. (обратно к содержанию)

Энтальпия

В прошлом столетии Гибсс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию - энтальпию.

Определение: Энтальпия это сумма внутренней энергии тела и произведения давления на объем.;

I = U + PV;

где: I – энтальпия; U –внутреней энергия; P – давление; V -объем.

Удельная энтальпия i это отношение энтальпии тела к его массе. Удельная энтальпия это параметр состояния. Значение удельной энтальпии пара и воды при определенном давлении и температуре можно найти в справочнике. Пользуясь этими данными, можно определить количество теплоты участвующее в процессе или работу процесса. (обратно к содержанию)

Энтропия

Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия обозначается S размерность [Дж/К]

dS = dQ/T 

где dS – дифференциал энтропии; dQ – дифференциал теплоты; Т – абсолютная температура;

Удельная энтропия - отношение энтропии тела к его массе. Удельная энтропия s является справочной величиной. Удельная энтропия - функция состояния вещества, принимающая для каждого его состояния определенное значение:

s = f (Р, v, Т) [Дж/(кг x K)]

(обратно к содержанию)

Удельную энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров для графического изображения процессов. Аналогично тому как мы строили изменение объема в зависимости от изменения температуры мы можем изобразить некоторый процесс изменения энтропии и температуры в Т- S координатах. В этом случае любая точка на графической плоскости соответствует определенному состоянию рабочего тела, а линия от точки 1 до точки 2 отображает некий термодинамический процесс. Особенностью Т- S координат является то, что площадь под линией процесса соответствует количествуэнергии отданной или полученной рабочим телом.

На данной диаграмме (рисунок 5) представлен некий замкнутый цикл. Система последовательно переходит из точки 1 в 2 затем 3, 4 и снова в 1. Из графика видно, что процесс 1 => 2 является изотермическим (происходит при Т₁ = const) и процесс 3 => 4, также является изотермическим (происходит при T₂=const). Процессы 2 => 3 и 4 => 1 являются адиабатными, поскольку в них не происходит изменение энтропии то dS = 0, следовательно dQ = 0 или Q = const. Причем в процессе 2 => 3 происходит охлаждение  рабочего тела за счет совершения работы телом, а   в процессе 4 => 2 происходит нагрев рабочего тела,  за счет совершения работы над телом.

Количество тепла подводимое к системе: Q₁ = T₁ × (S₂-S₁) - площадь прямоугольника 1-2-S₂-S₁-1 (вся область закрашенная голубым и зеленым).

Количество тепла отдаваемое системой: Q₂ = T₂ × (S₂-S₁) площадь прямоугольника 3-S2-S1-4-3 (область закрашенная голубым цветом).

Работа цикла - разность подведенной и отведенной теплоты: L = Q1 - Q2 (область закрашенная зеленым).

К.П.Д цикла:

Главной особенностью данного цикла является то, что при данном перепаде температур у любого другого цикла КПД будет меньше. Другими словами максимально возможным КПД при данном перепаде температур является КПД цикла Карно. Диаграмма Т-S дает наглядное доказательство этого утверждения. Любой другой цикл в диапазоне температур Т₁-Т₂, на диаграмме будет иметь соотношение площадей меньшее чем соотношение площадей прямоугольников. В связи с площадями на диаграмме возникло выражение - степень заполнения цикла – насколько площади работы цикла близки к площадям прямоугольников

Важным следствием из формулы для КПД цикла Карно является то, что для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру подвода тепла T₁, и снижать температуру отвода тепла T₂. На любых энергетических установках с паро - водяным циклом, использующих в качестве конечного поглотителя, тепла окружающие пространство, (АЭС, ТЭЦ) зимой к.п.д. выше за счет снижения температуры окружающей среды T₂.

Второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным (до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.

В тепловых машинах превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источниками теплоты и теплоприемниками. При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Закон, позволяющий указать направление теплового потока, и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах - 2-й закон термодинамики.

Формулировки второго закона термодинамики:

1. Вечный двигатель второго рода не возможен (под вечным двигателем второго рода понимается машина, которая могла бы превращать всю подводимую к ней теплоту в работу. Такая машина имела бы КПД = 1). 

2. Стопроцентное превращение теплоты в работу посредством тепловой машины - двигателя невозможно. Условия работы тепловых машин:

   1. Тепловая машина всегда работает в определенном перепаде температур. (Это значит, что для работы такой машины необходим иметь по крайней мере 1 источник теплоты, и 1 приемник теплоты).

   2. Любая тепловая машина должна работать циклично, т.е. рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние.

Циклы паросиловых установок.

Как было сказано выше, реакторную установку можно представить в виде тепловой машины, в которой осуществляется некий термодинамический цикл.

Цикл Ренкина

Теоретическим циклом современной паросиловой установки является цикл Ренкина.

Пароводяная смесь образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в Барабан – сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан сепаратор.

Конденсатор играет двоякую роль в установке: Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство, разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей. Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк около 0,04 - 0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.

Синяя линия в Т-S диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре соответствующим точкам лежащим на диаграмме выше этой линии существует только пар, ниже паро–водяная смесь.

Влажный пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре p₂=const (линия 2 - 3). Затем вода сжимается насосом от давления P2 до давления P1, этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме вертикальным отрезком 3-5.

Длина отрезка 3-5 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэптропном (при постоянной энтропии) сжатии воды, температура воды возрастает менее чем на 2 - 3 °С, и можно с хорошей степенью приближения считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают с левой пограничной кривой (синяя линия); поэтому зачастую при изображении цикла Ренкина в Т-S-диаграмме изобары в области жидкости изображают сливающимися с левой пограничной кривой. Малая величина отрезка адиабаты 3-5 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая величина работы сжатия по сравнению с величиной работы, производимой водяным паром в процессе расширения 1-2, является важным преимуществом цикла Ренкина.

Из насоса вода под давлением P2 поступает в барабан сепаратор, а затем в реактор, где к ней в изобарно (процессе 5-4 P1=const) подводится тепло. Вначале вода в реакторе нагревается до кипения (участок 5-4 изобары P₁=const) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 4-1 изобары P₁=const). Пароводяная смесь поступает в барабан сепаратор где происходит разделение воды и пара. Насыщенный пар, из барабана сепаратора поступает в турбину. Процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1-2 (Этот процесс относится к классическому циклу Ренкина в реальной установке процесс расширения пара в турбине несколько отличается от классического). Отработанный влажный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается.

С точки зрения термического к. п. д. цикл Ренкина представляете менее выгодным, чем цикл Карно, изображенный выше (рисунок 5) поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температур подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре. (обратно к содержанию)

Цикл с промежуточным перегревом пара.

Для того чтобы увеличить термический к. п. д. цикла Ренкина, часто применяют так называемый перегрев пара в специальном элемент установки - пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении P₁. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева и, следовательно, термический к. п. д. цикла возрастает. Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике.

Поскольку в настоящее время не существует промышленных энергетических установок с ядерным перегревом пара (перегрев пара в непосредственно в активной зоне ядерного реактора), то для ядерных реакторов BWR и РБМК используется цикл с промежуточным перегревом пара. (обратно к содержанию)

Для повышения КПД в цикле с промежуточным перегревом пара, используется двух ступенчатая турбина, состоящая из цилиндра высокого давления и нескольких (4 для РБМК) цилиндров низкого давления. Пар из барабана сепаратора направляется в цилиндр высокого давления (ЦВД), часть пара отбирается для перегрева. Расширяясь в цилиндре высокого давления процесс на диаграмме 1-6, пар совершает работу. После ЦВД пар направляется в пароперегреватель, где за счет охлаждения отобранной в начале части пара, осушается и нагревается до более высокой температуры, (но уже при более низком давлении, процесс 6-7 на диаграмме) и поступает в цилиндры низкого давления турбины (ЦНД). В ЦНД пар расширяясь, снова совершает работу (процесс 7-2 на диаграмме) и поступает в конденсатор. Остальные процессы соответствуют процессам в выше рассмотренном цикле Ренкина. (обратно к содержанию)

Регенеративный цикл

Малое значение КПД цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно связано с тем, что большое количество тепловой энергии при конденсации пара передается охлаждающей воде в конденсаторе. Для снижения потерь часть пара из турбины отбирается и направляется на регенерационные подогреватели, где тепловая энергия, высвобождаемая при конденсации отобранного пара, используется для подогрева воды, полученной после конденсации основного парового потока.

В реальных паросиловых циклах регенерация осуществляется с помощью регенеративных, поверхностных или смешивающих, теплообменников, в каждый из которых поступает пар из промежуточных ступеней турбины (так называемый регенеративный отбор). Пар конденсируется в регенеративных теплообменниках, нагревая питательную воду, поступающую в реактор. Конденсат греющего пара смешивается с основным потоком питательной воды.

Цикл паросиловой установки с регенерацией, строго говоря, нельзя изобразить в плоской Т-S-диаграмме, поскольку эта диаграмма строится для постоянного количества рабочего тела, тогда как в цикле установки с регенеративными подогревателями количество рабочего тела оказывается различным по длине проточной части турбины.

Поэтому, в дальнейшем, рассматривая изображение цикла этой установки в плоской Т-S-диаграмме, следует иметь в виду условность этого изображения; для того чтобы подчеркнуть это, рядом с Т-S-диаграммой (рисунок 9) помещена диаграмма, показывающая расход (D) пара через турбину вдоль ее проточной части. Эта диаграмма относится к линии 1-2 в T-S-диаграмме — линии адиабатного расширения пара в турбине. Таким образом, на участке 1-2 цикла в T-S-диаграмме количество рабочего тела убывает с уменьшением давления, а на участке 5 - 4 количество рабочего тела возрастает с ростом давления (к питательной воде, поступающей из конденсатора, добавляется конденсат пара из отборов). (обратно к содержанию)

Изображение циклов и процессов в T-S диаграмме обладает большой наглядностью, поскольку площади на данной диаграмме соответствуют работе или энергии процесса. Эта наглядность позволяет визуально сравнивать различные процессы и циклы, однако эта наглядность является одновременно и недостатком Т-S диаграммы, поскольку измерить площадь сложной фигуры очень сложно, а все основные циклы, как мы видели представляют собой именно комбинацию сложных кривых, исключение составляет только цикл Карно.

Для практического применения более удобна диаграмма тепловых процессов, на которых значение энергии, теплоты или работы соответствует не площади а отрезку, такой диаграммой является i,s –диаграмма. По вертикальной оси на этой диаграмме откладывается энтальпия по горизонтальной – энтропия. Такая диаграмма с нанесенными на нее линиями постоянного давления (изобарами), линиями постоянной температуры (изотермами), линиям постоянного паросодержания и постоянным постоянного объема, называется диаграмма состояния вещества.

В тепловых расчетах паросиловых циклов используется диаграмма состояния воды. На рисунке 10 изображен цикл с перегревом пара на диаграмме состояния воды (см рисунок 10).

На диаграмме состояния воды изображены линии постоянных температур, давлений и паросодержания. Линия постоянного паросодержания X=1 (вся вода находится в виде пара), является разделительной, при параметрах соответствующим точкам выше этой линии существует один пар, ниже – паро-водяная смесь.

Точка 1 верхняя точка цикла, по линии 1-2 происходит адиабатное расширение пара от давления Р₁ до давления Р₂ (Р₁>Р₂). При этом происходит снижение температуры пара с Т₁ до Т₄, и увлажнение пара до паросодержания X₁<1. Величина отрезка 1 – 2 соответствует работе совершенной паром в процессе расширения, в некотором масштабе схемы. (Далее подобная диаграмма будет рассмотрена с конкретными цифрами, в данный момент нас интересует только сам принцип определения величины работы.)  Пар с параметрами соответствующими точке 2 поступает в конденсатор, где при постоянных давлении P₂ и температуре Т₄, происходит конденсация пара, линия процесса 2 – 3. Характерной особенность данного процесса является то что, температура и давления остаются постоянным, меняется только паросодержание от Х₁ до нуля, линии изображающие этот процесс являются прямыми причем изотерма (Т₄=const) совпадает с изобарой (P₂ = const).  Вода с параметрами соответствующими точке 3 на диаграмме поступает в насос. Здесь происходит процесс адиабатного сжатия воды от давления Р₂ до давления Р₁ по линия процесса 3-4. Линия 4–5, это линия нагрева воды до температуры насыщения Т₃ при постоянном давлении Р₁ этот участок не является прямой линией, а представляет собой некую кривую.  В точке 5 начинается испарение воды. Изобара P₁ = const от этой точки превращается в прямую линию, которая совпадает с прямой линией изотермой (Т₃=const) в плоть до точки 6, где вся вода превращается в пар (паросодержание Х=1) .  Процесс 6 – 1 это процесс перегрева пара при постоянном давлении P₁=сonst. В точке 6 происходит разделения линий процессов изобарического (изобара P₁=сonst) и точки изотермического (изотерма Т₃=const). По линии 6–1 пар нагревается до температуры Т₁ – цикл замкнулся.

Внутренняя энергия идеального газа

При изучении тепловых явлений наряду с механической энергией тел вводится новый вид энергии — внутренняя энергия. Вычислить внутреннюю энергию идеального газа не составляет большого труда.

Наиболее прост по своим свойствам одноатомный газ, т. е. газ, состоящий из отдельных атомов, а не молекул. Одноатомными являются инертные газы — гелий, неон, аргон и др. Можно получить одноатомный (атомарный) водород, кислород и т. д. Однако такие газы будут неустойчивыми, так как при столкновениях атомов образуются молекулы Н₂, О₂ и др. Молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, кроме моментов непосредственного столкновения. Поэтому их средняя потенциальная энергия очень мала и вся энергия представляет собой кинетическую энергию хаотического движения молекул. Это, конечно, справедливо, если сосуд с газом покоится, т. е. газ как целое не движется (его центр масс находится в покое). В этом случае упорядоченное движение отсутствует и механическая энергия газа равна нулю. Газ обладает энергией, которую называют внутренней.Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой т нужно умножить среднюю энергию одного атома, выражаемую формулой (4.5.5), на число атомов. Это число равно произведению количества вещества  на постоянную Авогадро N_A.

Умножая выражение , получим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа:Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. От объема газа она не зависит. Внутренняя энергия газа представляет собой среднюю кинетическую энергию всех его атомов.

Если центр масс газа движется со скоростью v₀, то полная энергия газа равна сумме механической (кинетической) энергии и внутренней энергии U:

Внутренняя энергия молекулярных газов

Внутренняя энергия одноатомного газа (4.8.1) — это по существу средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул. В отличие от атомов молекулы, лишенные сферической симметрии, могут еще вращаться. Поэтому наряду с кинетической энергией поступательного движения молекулы обладают и кинетической энергией вращательного движения.

В классической молекулярно-кинетической теории атомы и молекулы рассматриваются как очень маленькие абсолютно твердые тела. Любое тело в классической механике характеризуется определенным числом степеней свободы f — числом независимых переменных (координат), однозначно определяющих положение тела в пространстве. Соответственно число независимых движений, которые тело может совершать, также равно f. Атом можно рассматривать как однородный шарик с числом степеней свободы f = 3 (рис. 4.16, а). Атом может совершать только поступательное движение по трем независимым взаимно перпендикулярным направлениям. Двухатомная молекула обладает осевой симметрией (рис. 4.16, б) и имеет пять степеней свободы. Три степени свободы соответствуют ее поступательному движению и две — вращательному вокруг двух осей, перпендикулярных друг другу и оси симметрии (линии, соединяющей центры атомов в молекуле). Многоатомная молекула, подобно, твердому телу произвольной формы, характеризуется шестью степенями свободы (рис. 4.16, в); наряду с поступательным движением молекула может совершать вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей.

От числа степеней свободы молекул зависит внутренняя энергия газа. Вследствие полной беспорядочности теплового движения ни один из видов движения молекулы не имеет преимущества перед другим. На каждую степень свободы, соответствующую поступательному или вращательному движению молекул, приходится одна и та же средняя кинетическая энергия. В этом состоит теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы (она строго доказывается в статистической механике).

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна

 Поступательному движению соответствуют три степени свободы. Следовательно, средняя кинетическая энергия , приходящаяся на одну степень свободы, равна:

Если эту величину умножить на число степеней свободы и число молекул газа массой т, то получится внутренняя энергия произвольного идеального газа:

Эта формула отличается от формулы (4.8.1) для одноатомного газа заменой множителя 3 на множитель f.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна абсолютной температуре и не зависит от объема газа.

Если газ расширяется при постоянном давлении р, то сила, действующая со стороны газа на поршень: F = рS, гдеS - площадь поршня.

При подъеме поршня на высоту   газ совершает работу

где ΔV - изменение объема газа.

При медленном сжимании газа работа, совершаемая внешними телами над газом, будет отличаться только знаком:

Работа, совершаемая термодинамической системой при постоянном давлении, равна

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом.

Количество теплоты - это энергия, переданная телу в результате теплообмена.

Теплоемкость С - количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m на 1 К. Удельная теплоемкость с - это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К: c=C/m

Для изменения температуры вещества массой m от Т₁ до Т₂ ему необходимо сообщить количество теплоты

Коэффициент с в этой формуле называют удельной теплоемкостью: [с]=1 Дж/(кг*К).

При нагревании тела Q > 0, при охлаждении Q < 0.

Для того, чтобы жидкость массы m полностью превратить в пар, ей необходимо передать количество теплоты

Q=rm

где r - удельная теплота парообразования: [r] = 1 Дж/кг .

Удельная теплота парообразования - это количество теплоты, которое необходимо для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре.

Конденсация - процесс, обратный испарению.

Для того, чтобы расплавить полностью тело массой m , ему необходимо сообщить количество теплоты

Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она только переходит из одной формы в другую. Закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом термодинамики.

Первый закон термодинамики

Изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Этот закон можно сформулировать иначе:

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

В первой формулировке А - работа, совершаемая над системой (над газом), во второй А' - это работа, совершаемая системой (газом).

Вечный двигатель первого рода - устройство, способное совершать неограниченное количество работы без подведения энергии извне.

Из первого закона термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя первого рода. Если к системе не поступает теплота, то

Иными словами, работа совершается системой за счет уменьшения ее внутренней энергии. После того, как запас энергии будет исчерпан, двигатель перестанет работать.

Процесс, протекающий в теплоизолированной системе, называют адиабатным.

Абсолютно исключить теплопередачу невозможно, но иногда реальные процессы близки к адиабатным. Они протекают за очень малый промежуток времени, в течение которого не происходит существенного теплообмена между системой и внешними телами.

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Тепловые двигатели - устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей.

Рабочее тело - газ, совершающий работу А' при расширении.

Нагреватель - устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q₁

Холодильник - устройство, которому рабочее Q= λm

где - удельная теплота плавления: {λ} = 1 Дж/кг .

Удельная теплота плавления - это количество теплоты, которое необходимо для плавления 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления.

Кристаллизация - процесс, обратный плавлению.

Для замкнутой системы, состоящей из N тел, можно записать уравнение теплового баланса:

Q₁+...+Q_n=0

где Q₁, ... , Q_N - количества теплоты, полученные или отданные телами.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Закон сохранения энергии

тело передает количество теплоты Q₂

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы,совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как Q₂ < Q₁, то   всегда < 1.

Идеальная тепловая машина Карно - модель теплового двигателя, в котором рабочим телом является идеальный газ. КПД машины Карно

где Т₁ - температура нагревателя, T₂ - температура холодильника.

Реальная тепловая машина не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Пример. Объем кислорода массой 160 г, температура которого 27°С, при изобарном нагревании увеличился вдвое. Найдите работу газа при расширении, количество теплоты, которое пошло на нагревание кислорода, изменение внутренней энергии.

Величина работы, совершаемой газом при изобарном процессе, когда V = V₂ - V₁ = V₁, определяется выражением

С учетом уравнения состояния

можно записать

Изменение внутренней энергии двухатомного газа, с учетом уравнения состояния, будет выглядеть:

Учитывая, что А^| = pV₁, получим: 

Количество теплоты, переданное газу, согласно первому закону термодинамики, идет на изменение его внутренней энергии и совершение газом работы:

Ответ: работа газа равна 12,5 кДж, количество теплоты, которое пошло на его нагревание, равно 43,8 кДж, изменение внутренней энергии - 31,3 кДж .

Теплоёмкость идеального газа — отношение количества теплоты, сообщённого газу, к изменению температуры δТ, которое при этом произошло.

Молярная теплоёмкость — теплоёмкость 1 моля идеального газа.

{\displaystyle \delta Q=\nu C\Delta T}Теплоёмкость идеального газа в изопроцессах[

Адиабатический[

В адиабатическом процессе теплообмена с окружающей средой не происходит, то есть {\displaystyle dQ=0}. Однако, объём, давление и температура меняются, то есть {\displaystyle dT\neq 0}.

Следовательно, теплоёмкость идеального газа в адиабатическом процессе равна нулю: {\displaystyle C={0 \over dT}=0} .

Изотермический

В изотермическом процессе постоянна температура, то есть {\displaystyle dT=0}. При изменении объёма газу передаётся (или отбирается) некоторое количество тепла. Следовательно, теплоёмкость идеального газа равна плюс-минус бесконечности: {\displaystyle C\to -\infty }

Изохорный

В изохорном процессе постоянен объём, то есть {\displaystyle \delta V=0}. Элементарная работа газа равна произведению изменения объёма на давление, при котором происходит изменение ({\displaystyle \delta A=\delta VP}). Первое Начало Термодинамики для изохорного процесса имеет вид:

Другая формула: {\displaystyle C_{V}={\frac {R}{\gamma -1}}}, где γ — показатель адиабаты, R — универсальная газовая постоянная.

Изобарный[править | править вики-текст]

Молярная теплоёмкость при постоянном давлении обозначается как {\displaystyle C_{p}} . В идеальном газе она связана с теплоёмкостью при постоянном объёме соотношением Майера {\displaystyle C_{p}=C_{v}+R} .

Молекулярно-кинетическая теория позволяет вычислить приблизительные значения молярной теплоёмкости для различных газов через значение универсальной газовой постоянной:

• для одноатомных газов {\displaystyle C_{p}={\frac {5}{2}}R}, то есть около 20.8 Дж/(моль·К);

• для двухатомных газов {\displaystyle C_{p}={\frac {7}{2}}R}, то есть около 29.1 Дж/(моль·К);

• для многоатомных газов {\displaystyle C_{p}=4R}, то есть около 33.3 Дж/(моль·К).

Теплоёмкости можно также определить исходя из уравнения Майера, если известен показатель адиабаты, который можно измерить экспериментально (например, с помощью измерения скорости звука в газе или используя метод Клемана — Дезорма).

Вывод формулы для теплоёмкости в данном процессе[

Согласно Первому началу термодинамики существует два способа увеличения внутренней энергии тела (в нашем случае идеального газа): передать ему некоторое количество теплоты или совершить над ним работу.

{\displaystyle \Delta U=\Delta Q-A} , где {\displaystyle A}  — работа газа.

{\displaystyle A_{outsideforce}=-A_{gas}}

δQ=dU+δA_газа

В расчете на 1 моль:

С=δQ/ΔT=(ΔU+pΔV)/ΔT

ΔU=C_V*ΔT

{\displaystyle C=C_{V}+{\frac {p\Delta V}{\Delta T}}}  в данном процессе

Уравнение Майера

Физический смысл уравнения Майера заключается в том, что при изобарном нагревании газа к нему должна быть подведена большая теплота, чем для такого же изохорного нагревания. Разность теплот должна быть равна работе, совершенной [ азом при изобарном расширении. [3]

10. Круговой процесс. Цикл Карно. Кпд тепловой машины.

Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия), совпадают.

Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла вмеханическую работу.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальнымКПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Цикл Карно назван в честь французского военного инженера Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

КПД теплово́го дви́гателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле

,

где  — количество теплоты, полученное от нагревателя,  — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника T₁ и холодного T₂, обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен

.

11. Напряженность и потенциал электрического поля. Закон Кулона.

Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы   действующей на неподвижный^[1] пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда  :

.

Потенциал является энергетической характеристикой поля. Он численно равен работе, которую надо затратить против сил электрического поля при перенесении единичного положительного точечного заряда из бесконечности в данную точку поля. Единица измерения потенциала - вольт. С учетом (1.16)

Когда поле образовано несколькими произвольно расположенными зарядами   , потенциал его   в данной точке равен алгебраической сумме потенциалов   , создаваемых каждым зарядом в отдельности, т.е.

Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между точечными электрическими зарядами.

Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними

Иначе: Два точечных заряда в вакууме действуют друг на друга с силами, которые пропорциональны произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды. Эти силы называются электростатическими (кулоновскими).

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

1. точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;

2. их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;

3. взаимодействие в вакууме.

Однако с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов.^[1]

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где  — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2;  — величина зарядов;  — радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами —  );  — коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые — притягиваются).

ДЮЛОНГА И ПТИ ЗАКОН, эмпирическое правило, согласно которому молярная теплоёмкость при постоянном объёме для всех твёрдых тел одинакова и приблизительно равна 25 Дж/(моль К). Установлен П. Дюлонгом и А. Пти в 1819. Дюлонга и Пти закон может быть выведен из закона равного распределения колебательной энергии по степеням свободы, согласно которому на каждую степень колебательного движения приходится энергия kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Поскольку число степеней свободы кристалла, содержащего N атомов (N - число Авогадро), равно 3N, то средняя энергия теплового движения в кристалле Е = 3NkT, а соответствующая молярная теплоёмкость с_υ= ∂Е/∂Т = 3Nk = 3R = 24,9 Дж/(моль·К) (R - универсальная газовая постоянная).

Дюлонга и Пти закон выполняется для большинства химических элементов и простых соединений вблизи комнатной температуры. При низких температурах наблюдаются отклонения от этого закона (например, при понижении температуры теплоёмкость диэлектриков стремится к нулю как Т³, а металлов - как Т), которые были объяснены в Дебая модели твёрдого тела. Согласно этой модели, Дюлонга и Пти закон справедлив при температурах выше Дебая температуры θ_D. В кристаллах с высокой θ_D (например, у алмаза θ_D = 1860 К, у бериллия θ_D = 1000 К) Дюлонга и Пти закон не выполняется уже при комнатной температуре. Небольшие отклонения от Дюлонга и Пти закона наблюдаются и при Т > θ_D; они связаны с энгармонизмом колебаний кристаллической решётки и дисперсией акустических фононов.

ДЮЛОНГА И ПТИ ЗАКОН, эмпирическое правило, согласно которому молярная теплоёмкость при постоянном объёме для всех твёрдых тел одинакова и приблизительно равна 25 Дж/(моль К). Установлен П. Дюлонгом и А. Пти в 1819. Дюлонга и Пти закон может быть выведен из закона равного распределения колебательной энергии по степеням свободы, согласно которому на каждую степень колебательного движения приходится энергия kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Поскольку число степеней свободы кристалла, содержащего N атомов (N - число Авогадро), равно 3N, то средняя энергия теплового движения в кристалле Е = 3NkT, а соответствующая молярная теплоёмкость с_υ= ∂Е/∂Т = 3Nk = 3R = 24,9 Дж/(моль·К) (R - универсальная газовая постоянная).

Дюлонга и Пти закон выполняется для большинства химических элементов и простых соединений вблизи комнатной температуры. При низких температурах наблюдаются отклонения от этого закона (например, при понижении температуры теплоёмкость диэлектриков стремится к нулю как Т³, а металлов - как Т), которые были объяснены в Дебая модели твёрдого тела. Согласно этой модели, Дюлонга и Пти закон справедлив при температурах выше Дебая температуры θ_D. В кристаллах с высокой θ_D (например, у алмаза θ_D = 1860 К, у бериллия θ_D = 1000 К) Дюлонга и Пти закон не выполняется уже при комнатной температуре. Небольшие отклонения от Дюлонга и Пти закона наблюдаются и при Т > θ_D; они связаны с энгармонизмом колебаний кристаллической решётки и дисперсией акустических фононов.

Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам.

Работа и теплота связаны друг с другом. Опыты Джоуля и Роберта Майера показали, что работа и теплота переходят друг в друга в эквивалентных количествах. Однако теплота и работа неравноценны: работа может полностью перейти в теплоту, а теплота полностью перейти в работу не может. Причины этого объясняются началами термодинамики.

I закон термодинамики:

.

Количество теплоты  , переданное системе, идет на увеличение её внутренней энергии   и совершение системой работы   против внешних сил (рис. 2).

Первое начало термодинамики подтверждается как теми опытами, на основании которых установлена эквивалентность между Q и A,так и совпадением выводов из него с наблюдаемыми фактами. Оно является выражением закона сохранения и превращения энергии.

Установление первого начала термодинамики позволило объяснить все неудачи, связанные с попыткой создания машины, которая могла бы совершать работу, не получая энергии извне (перпетуум мобиле, или вечный двигатель первого рода). После формулировки первого закона термодинамики стало ясно, что если система не получает извне тепла или другой энергии, то Q=0 и U=0, поэтому и A=0 Таким образом, создать вечный двигатель первого рода невозможно. Это утверждение является одной из формулировок первого начала термодинамики.

Работа, совершаемая системой при изменении объема, определяется следующим образом.

Пусть газ заключен в некотором цилиндре (рис. 3); найдем его работу при расширении.

Элементарная работа на пути 

,

где  - сила, с которой газ давит на поршень.

.

Работа, совершаемая системой при конечном изменении объёма от   до  , находится интегрированием:

.

Произведенную при том или ином процессе работу можно изобразить графически с помощью кривой в координатах  .

При увеличении объёма на совершаемая газом работа   определяется заштрихованной площадью.

Поэтому полная работа, совершаемая при расширении от   до  , определяется площадью, ограниченной осью абсцисс, кривой и прямыми и (рис. 4).

При p=const

.

Как было ранее установлено,

.

1. Изохорный процесс (V=const).

Диаграмма этого процесса в координатах p,V изображается прямой, параллельной оси ординат. Газ при этом не совершает работы, A=0.

.

Вся теплота, сообщаемая газу, идёт на увеличение его внутренней энергии.

.

2. Изобарный процесс (p=const).

,

.

Т.к. p=const,  , .

3.Изотермический процесс (T=const).

Т.к. Т = const,  U=0, Q=A,

Адиабатным называется процесс, происходящий в системе без теплообмена с внешней средой.

Близкими к адиабатным являются все быстропротекающие процессы, например, быстрое сжатие или расширение, происходящее так, чтобы система не успела обменятся теплом с внешней средой.

Адиабатные процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т.п.)

–адиабатное расширение, температура уменьшается.

Работа газа над внешними телами совершается за счет его внутренней энергии. При этом его внутренняя энергия (и температура) уменьшается. Т.о., при адиабатном расширении газ охлаждается.

–адиабатное сжатие, температура растет. Внутренняя энергия увеличивается за счет работы внешних сил над газом.

Уравнение адиабатного процесса или уравнение Пуассона:

,

где  – показатель адиабаты или коэффициент Пуассона.

Это же уравнение имеет другие формы записи:

.

Работа, совершаемая газом при адиабатном процессе, выражается формулами:

или .