1.2. Термодинамические процессы изменения состояния идеального газа
Все возможные термодинамические процессы изменения состояния идеального газа, в которых скорость движения газа пренебрежительно мала, могут быть описаны одним уравнением при допущении, что процессы обратимы и теплоемкость при их протекании постоянна.
Обобщенный процесс называется политропным
(1.1)
где n – показатель политропы.
Анализ термодинамических процессов осуществляется обычно с целью установления связи между параметрами и для определения количеств работы, теплоты, изменения энтальпии, внутренней энергии, энтропии. Для этого используют уравнения первого закона термодинамики, состояния и процесса.
Рассмотрим уравнения для политропного процесса:
1. Уравнение политропного процесса
.
2. Связь между параметрами
Используя уравнение
состояния
,
можно получить
3. Показатель политропы, если известны параметры состояния двух точек процесса, из (1.1):
4. Изменение внутренней энергии в любом процессе идеального газа
или
5. Изменение энтальпии
или
6. Работа расширения
7. Теплоемкость политропного процесса
8. Количество теплоты в процессе
или
9. Изменение энтропии
или
Уравнения четырех основных процессов, играющих важную роль в термодинамике, получаются при следующих значениях показателя политропы: изохорный процесс = const; n = ; изобарный процесс р = const; n = 0; изотермический процесс Т = const (или р = const) n = 1; адиабатный процесс pk = const; n = k.
В табл. 1.1 дана сводка показателей этих процессов. На рис. 1.2 представлены политропные процессы в координатах р и Тs.
|
Рис. 1.2. Политропные процессы в координатах р и Т s |
1.3. Термодинамические свойства воды и водяного пара
1.3.1. Термодинамические свойства паров
Любое чистое вещество может находиться в твердой, жидкой или газообразной фазе. Переход вещества из одной фазы в другую связан с изменением параметров при передаче теплоты. Промежуточное состояние вещества между газом и жидкостью называется паром. Приближенно соотношение между параметрами пара можно характеризовать уравнением Клапейрона-Менделеева или уравнением Ван-дер-Ваальса.
|
Рис. 1.3. Диаграмма реального газа |
Если сжимать газ при постоянной температуре, то можно достичь состояния насыщения (сжижения газа), соответствующего этой температуре и некоторому определенному давлению. При дальнейшем сжатии пар будет конденсироваться и в определенный момент полностью превратится в жидкость. Процесс перехода пара в жидкость происходит при постоянных температуре и давлении, так как давление насыщенного пара однозначно определяется температурой. На р-диаграмме (рис. 1.3) область двухфазных состояний (пар и жидкость) лежит между кривыми кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. При увеличении давления эти кривые сближаются. Сближение происходит потому, что объем пара уменьшается, а объем жидкости увеличивается. При некотором определенном для данной жидкости (пара) давлении кривые кипящей жидкости и пара встречаются в критической точке К, которой соответствуют критические параметры: давление рКР, температура ТКР, удельный объем КР, характеризующие критическое состояние вещества. При критическом состоянии исчезают различия между жидкостью и паром. При температуре более высокой, чем критическая, газ ни при каком давлении не может сконденсироваться, т.е. превратиться в жидкость.