Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Общая термодинамика

..pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
29.73 Mб
Скачать

цессы, графиками

которых являются

эти линии,— политропи-

ческими, а Я называется показателем политропы.

 

 

2°. Характерные свойства политропических процессов в иде­

альном газе легко

установить.

 

 

 

 

Рассмотрим элементарный политропический процесс АВ;

пусть

Я — показатель

политропы; С — теплоемкость этого

про­

цесса

в состоянии

A,

a

d t—TBТА— бесконечно

малое

изме­

нение

температуры.

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PBV B — PAVA=nR (Тв — Т^ —nRdt

 

 

и по (3-26")

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DWe= — DWl= ^

i \DQ=Cdt,

(10-64)

а так

как в идеальном

газе

dU = C vdt,

то первое

начало

дает:

 

 

 

Cvd t - C d t + ~

1‘,

 

 

Разделим на ndt;

положим ^ - = c v;

где cv

и с — моляр­

ные

теплоемкости

изохорного и

политропического процессов;

тогда

 

 

,

R

 

>

R

 

 

 

 

 

или

 

(10-65)

 

 

 

К - р

c , - c = x z n ;

отсюда

_ R | { -

с» ~ с

с„ — с 1

С„—С'

так как

 

R = cP - c *

 

Наконец, cp :c v—k, и поэтому (10-65) дает:

С— с.

R

l — k

С,..

®-

X— 1

X — 1

О

(10-66)

(10-67)

Зависимости

(10-65) — (10-67)

приводят

к следующим заключе­

ниям:

 

 

 

R и Я — постоянные, то

 

 

cvс также

а) Так

как

разность

постоянна

— теплоемкость

 

политропического процесса);

при

c0=const и c=const;

если же

cv— функция

температуры,

т. е.

cv= f(t), то

c ~ f{ t ) — a , где

a = c v — c=const.

 

 

б) При

c0=const

каждому

значению Я соответствует

одно

значение с,

и наоборот.

 

 

 

 

 

 

в)

Если

cv

постоянна, то

отношение

k —cp \cv и теплоем­

кость

с также

постоянны;

в

частности,

может

быть с = 0 =

21 А. А. Акопян.

=const; тогда

 

const, т. е. уравнение политропы

станет уравнением адиабаты и, таким

образом, политропиче-

ский процесс

оказывается адиабатическим.

Когда

cv= f

(t), то теплоемкость с также функция темпе­

ратуры;

следовательно,

с может обратиться в нуль только

при одной какой-нибудь

температуре и только при этой тем­

пературе

X—cp :c v—k.

Но при переменной теплоемкости cv

(см. вывод уравнения адиабаты, § 10-5)

уравнение pV k—const

не является уравнением

адиабаты.

 

Отсюда ясно, что обратимый адиабатический процесс яв­ ляется частным случаем (Я=:£) политропического процесса только тогда, если теплоемкость cv постоянна.

3°. Уравнения (10-61) политропы переводятся одно в другое посредством тех же преобразований, что и уравнения обрати­ мой адиабаты.

10-10. н ек о то ры е: сво й ства политропических п ро ц ессо в

1°. Политропа, смотря по значению показателя Я, может оказаться адиабатой, изотермой, изохорой, изобарой. Поэтому взамен раздельного изучения свойств обратимых адиабатиче­ ских, изотермических, изохорных и изобарных процессов целе­ сообразно изучить общие свойства политропических процессов. По (10-64) и (10-65) имеем:

D W = ^ - i d t= n (c v - c ) d t ,

(10-68)

где cv — c=const независимо от того, постоянна cv

или нет.

Поэтому в любом политропическом процессе, в котором на­ чальная и конечная температуры идеального газа равны t\ и t2, внешняя работа

^ 12= Й «а ~ * .)= « К ~ с) (t2 - f ,).

(Ю-69)

По (10-64) D Q =ncdt; если при этом c=const, то

Qi2= n c (t21\).

(10-70)

Если же с — функция температуры, то

ч

Ql2= $ncdt (10-70') /1

— функция t\, t2 и числа граммолей п. Та^им^образом,при cv~

const (и, следовательно, c=const)

Если же

cv= f( t )

(следовательно, с ~ с у — а, где a=const), то

 

 

DWa

с с

 

(10-71')

 

 

D Q

— .

 

 

 

 

 

 

Так, например, при Я=0 из (10-65) и (10-69)

 

D

имеем: c = c v —

—cv-\-R =cp\ Wel2= — nR (t2 — ti);

; следовательно, U^12

и Qi2 противоположны по

знаку. Все это

так

и должно быть,

так как

при Я=0

политропический процесс в

идеальном газе

становится изобарным и t и V возрастают одновременно, так

что если Ql2> 0 ,

т о W^I2<C0-

 

 

 

Выведенные

здесь

зависимости

 

 

(10-68) — (10-70) неприменимы к изо­

 

 

термическому

процессу

в идеаль­

 

 

ных газах,

так

как

при

 

этом £ =

 

 

=const, а

DWe и

DQ отличны

от

 

 

нуля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако

мы

знаем,

что

в этом

 

 

иг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

случае - т г - = — 1; тот же результат

 

 

W\2

 

 

 

 

как в изо­

 

 

получается из (10-71), так

 

 

термическом процессе c=zizoo,

и

 

 

поэтому в (10-71)

Ср~ с—__1 ,

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

2°. Рассмотрим одно из уравне­

 

 

ний политропы,

например,

pV k = £ .

 

 

Две политропы могут отличаться друг от друга показателем

А или постоянной Е. Совокупность политроп,

имеющих

один и

тот же показатель А,

называется семейством

политроп.

Поли­

тропы одного семейства отличаются одна от другой константой Е

и не

пересекаются. Так,

например, все изобары (р = р х=Е\—

=:const; р = р 2—Е2= const

и т. д.) образуют семейство поли­

троп,

показатель которых

Я=0.

На диаграмме р V ни две изобары, ни две изотермы не пересекаются.

Политропы двух различных семейств пересекаются. Так, всякая изобара пересекается со всякой изотермой и т. д.

Пусть (фиг. 10-7)

линии

b u . b 2, . . , Ьп образуют семейство

политроп с

показателем

Хь,

а линии а', а" относятся к другому

семейству

политроп,

показатель

которых Яа; а' и а" пересе­

каются с Ьх в точках

V

и

с

политропой Ь2 линии а' и а"

пересекаются

в точках

2'

и 2".

 

Величины,

относящиеся

к каждой точке пересечения, имеют

индексы этой

точки.

 

 

 

 

 

Так, например, V", р " означают абсолютную температуру, объем и давление в точке

Докажем, что при cv =const

JS

 

i f

 

11

II

3

V " :V '= V " -V '— - V " ' V ' -

v l •v Г

r

V2

*

V2

tr

t

tr

 

rt

t

P1 •P[P2 •^2=

' * --- P/i Pn

(10-72)

(10-73)

(10-74)

Теоремы (10-73) и (10-74) выводятся непосредственно из (10-72).

Доказательство (10-72) основано на теореме (10-59) и на том, что теплоемкости политроп, принадлежащих различным семействам, различны.

Рассмотрим цикл Г1"2"2'Г, совершаемый идеальным газом и состоящий из двух политропических процессов VI", 2"2',

имеющих показатель Хь, и двух других

политропических про­

цессов 1"2" и 2'1', показатель которых Ха

 

 

Согласно теореме (10-59) ^ ^ = 0 ,

где

 

 

 

§ ^ М

т + ] т

+ 1

т +

' 1

т

(10.75)

1'

1"

2"

 

2'

 

 

Согласно условию (10-66) при Ce=const постоянна теплоемкость

Слюбой политропы. Обозначив теплоемкости политроп семейств

аи b соответственно через Са и Сь, имеем, на основании

(10-67):

Са ф С ь , так как ^-а ф ^ ь \ С0 =const; Cb =const.

Интегралы правой части (10-75) вычисляются легко. Напри­ мер, в процессе VI" С —Сь, DQ—CbcLt, и поэтому

1”

Таким же образом определяются остальные интегралы:

2"

2'

1'

На основании (10-59) и (10-75)

или

Обратим внимание на дроби, стоящие под знаком In: их произведение равно единице; поэтому последнее равенство при­ нимает вид:

т т

Здесь Са -фСь\ значит,

I n - ?,

1= 0 и,

следовательно

 

 

 

 

 

т \

Т 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10-76)

Это равенство может быть

переписано двояко:

в

виде

 

 

 

 

 

 

 

(10-72)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

в виде

 

 

 

 

 

 

 

(10-72')

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эквивалентном (10-72).

 

 

 

 

 

 

3°. Из последних двух соотношений

получаются (10-73) и

(10-74).

 

 

 

 

1"

принадлежат политропе Ьи

В самом деле, точки V и

поэтому на основании (10-61)

 

 

 

 

 

 

 

T 'V 'X~ XT "V"x~1

 

 

 

 

м ч

 

1

1 v \

 

Точки же

2' и 2"

принадлежат политропе Ь2; следовательно,

 

 

 

■* О

У О

----

1

о

v о

 

 

 

 

2

V 2

2

V 2

 

Разделив

первое

равенство

 

на

второе и приняв во внима­

ние

(10-72'),

получим:

 

 

 

 

 

 

 

v'. V ~ l fv ' .' V - '

что и

требовалось

доказать.

Таким же

способом

получается

и (10-74).

 

 

 

 

4°. Обозначим через WeX и We2 внешние работы

политропи-

ческих

обратимых

процессов

/'/" и 2'2"

(фиг. 10-7):

 

 

(С .-С »)

 

- т[у.

Поэтому

К г К 2= (Т ['-Т [):(Т '’- Т ' 2).

Правую часть этого равенства можно преобразовать.

Действительно, по уравнению (10-72')

т"-т"—т ’-т'

1 1•19 --1 I * 1

поэтому

(77 - Т[):(Т2 - Т2)= Т " :Т 2 = Т [:Т 2.

(10-77)

Наконец, обозначим через Т\ и Т2 абсолютные температуры точек пересечения политроп Ь\ и Ь2 (фиг. 10-7) какой-либо по­ литропой семейства а. Тогда по доказанному

Т';:Т2 = Т [:Тг . 2-=.Т, х.-.Т2..

 

(10-78)

Таким образом, имея в виду

(10-77), можем написать:

=

Т[:Т'2 = Т х:Т2,

(10-79)

или

 

 

 

W :Т ‘ .

 

(10-80)

е\ * Г w е2*12 *

 

 

[10-Л]. В обратимых процессах /'/" и 2'2",

совершаю­

щихся по двум политропам

(Ь\ и Ь2) семейства

b , заклю­

ченным между двумя политропами семейства а, отношение

внешних работ равно отношению абсолютных температур

в точках пересечения политроп Ь{ и Ь2

какой-либо поли­

тропой семейства а.

 

 

 

Иначе:

 

Ьл заключенных

На обратимых политропах семейства

между политропами семейства а, внешняя работа про­ порциональна абсолютной температуре начального со­ стояния.

Из (10-78) видно, что вместо начальной можно взять конеч­ ную температуру или же температуру точки пересечения рас­ сматриваемой политропы с одной из политроп семейства а.

Справедливость теоремы [10-Л] нисколько не зависит от того, постоянна ли теплоемкость С политропы или она яв­

ляется функцией температуры.

 

 

 

 

 

Аналогичные зависимости существуют и между теплотами

политропических процессов, но только в

том

случае,

если

их

теплоемкость постоянна.

 

 

 

 

 

 

 

В самом деле, пусть

С =

const; тогда, обозначив

через

Q,

и Q2 теплоты процессов VI" и 2'2" (фиг. 10-7), имеем согласно

(10-70):

 

 

 

 

 

 

 

Ql= z C ( t l ' - t l ) = c (T'l' -

T[y;

 

 

 

0 .2 — с (т ”

т 2)’ .

 

 

 

(10-81)

 

 

 

 

 

Отсюда, пользуясь (10-77) и (10-78), находим:

 

 

Q1:Q2= 7 ’1" : 7 ' ; = 7 ’1' : r ; = r 1:7'2,

 

(10-82)

или

 

 

 

 

 

(10-83)

 

Q \ ' T l = Q 2 : T 2

 

 

 

 

 

 

 

Обратим внимание на то, что в частном случае, когда по­

литропой VI" является

изотерма,

теплота Q] не может быть

выражена равенством (10-81),

так

как Т {'= Т

и С оо.

 

Для обратимых изотерм

VI"

и 2'2"

идеального

газа

по

§ 10-2

 

 

 

 

 

 

 

 

; Q2=nRT2\n

 

 

 

Приняв во внимание (10-73), замечаем, что (10-82)

и (10-83)

остаются справедливыми и тогда, когда политропами

2'2"

семейства b являются изотермы.

 

работ Wel:W e2 и от­

Таким образом, и отношение внешних

ношение теплот Q j:Q2 в

(10-79) и (10-82)

не зависят от показа­

теля X семейства политроп.

 

 

 

 

 

 

З А Д А Ч И

10-1. Показать, что при изобарном изменении объема идеального газа,

теплоемкость Cv которого постоянна,

приращение

внутренней энергии

про­

порционально работе

давления.

(dU\ 1

 

 

102. Определить

Г д

в случае идеального

газа;

производную

J

показать:

а) что численное значение этой производной одно и то же во всех точках изотермы;

б) что оно равно ^ _ -р если теплоемкость cv идеального газа постоянна

№= ср СЛ

 

10-3. В идеальном газе,

начальные температура, давление и объем ко­

торого tt, рх и

Vb повышение давления на

Др производится

тремя различ­

ными способами: изотермически, обратимо-адиабатно и изохорно.

 

 

 

 

Считая теплоемкость Cv постоянной,

выразить

приращения

внутренней

энергии в

этих

процессах

посредством начального

и

конечного

давлений

(Pi

и p = P t - r Др).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10-4. Определить приращение внутренней

энергии

ненасыщенного

водя­

ного пара при изобарном повышении температуры от

100 до 600° С, приняв

для теплоемкости ср формулу ср =

а 4 - ^

+

Т*2» гДе а =

8,62;

6 =

0,002; 7=

= 7

, 2

кал\град'МОЛЪ,

и

рассматривая

ненасыщенный водяной

пар

как

идеальный газ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10-5. Для азота

 

 

 

 

 

и

t =

0° С,

а

средний

ко-

эффициент объемного расширения

между 0 и 100° С «0 100 = 36,604 • 10” 7 - f

-J- 167» 10“ 7р.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По этим данным определить приближенное значение производной

 

 

и отклонение разности ср cv от

газовой константы R.

 

 

 

 

 

 

 

10-6. Показать, что в случае идеального газа, теплоемкость Cv которого

постоянна, при изохорном изменении давления

приращение внутренней энер­

гии пропорционально объему и приращению давления.

(Сопоставить с зада­

чей 10- 1.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10-7. В цилиндре, емкость которого 2К0 постоянна, содержится некото­

рое

количество

идеального

газа. Диафрагма,

могущая

скользить

без трения

внутри цилиндра, делит

газ

на части 1 и 2,

массы которых одинаковы. Одно

основание цилиндра диатермично, а диафрагма, боковая

поверхность

и вто­

рое основание — адиабатны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В начальном состоянии

объем,

давление

и температура

каждой

части

VQ, Ро>*о-

 

 

 

 

основание)

теплоту

к

части

1, изменяют

 

Подводя (через диатермичное

состояния обеих частей газа, причем в конце процесса давление части 2

достигает значения р2 =

ар0,

где а — некоторый

положительный

коэффи­

циент.

 

 

 

(V2 и tz) части 2 в конце

 

Определить объем и

температуру

процесса,

работу W2 давления газа

в этой части,

давление рх в части 1 и подведенное

к этой части количество тепла.

 

 

 

 

 

Указание. В части 2 происходит

адиабатический процесс,

поэтому, счи­

тая Cv постоянной, зная

р2 и

k =

Cp :Cv, можно

определить

V2,

t2, и W2,

Ввиду отсутствия трения между диафрагмой и стенками цилиндра давления

в обеих частях одинаковы; общий объем

(2V0) обеих частей постоянен.

По

этим данным можно определить tv Наконец, пользуясь

первым

началом

и

применив (10-15) к каждой части, можно определить

количество

тепла, под­

веденное к части 1.

 

 

 

 

12 — процесс

10-8. В идеальном газе совершается цикл 1231,

в котором

„расширения в пустоту",

23— обратимое

изобарное

сжатие,

а 3/ — изохор-

ное повышение давления.

 

 

 

 

 

 

 

Считая Cv функцией

температуры, вычислить (pDQ,(f)DWe ii показать,

что Q + We = 0 .

 

 

J

 

J

 

 

 

10-9. Сосуд В , стенки которого адиабатны, разбит адиабатными диаф­

рагмами на части

Вь В2, . . . , Бд, объемы

которых

Vb

V2, . . . t Vk. Во всех

частях содержится

один

и тот же идеальный газ,

температура

и давление

которого tv P\ — eBx\ t2,p2 — eB2 и т. д.

 

 

 

 

 

 

Определить температуру и давление,

которые

установятся

в сосуде

по

дуалении всех диафрагм.

 

 

 

 

 

 

 

10-10. Пользуясь тем, что изменение, вызванное изохорным процессом, можно осуществить посредством последовательности изобарного и изотер­ мического процессов, и опираясь на первое начало, доказать, что в случае идеальных газов

Lp = Lv + RTbn.

Здесь Lv — скрытая теплота реакции в смеси идеальных газов при V^const;

Lp — скрытая теплота той же

реакции при р = const; Дя— изменение общего

числа

граммолей,

вызванное

реакцией.

 

 

В

задачах 10-11 — 10-17

„источник

т“ означает источник тепла,

темпера-

ратура

которого

равна г. Если

в источниках т' и т" температура т'

больше

температуры

то мы ради краткости

будем называть источник т'

горячим,

а т " — холодным. Тепло, полученное источником х' от системы или другого

источника,

обозначим )/.

При тепловом

общении источников х

и т"

имеет

место равенство

+ V '

= 0, причем

если т ' > т " , то V < 0 ; У' > 0.

При

тепловом

общении

источника х

с

системой, совершающей

процесс, а,

Ха + 0а =

°-

 

двумя источниками: горячим х и холодным х"

(т. е.

10-11.

Располагая

•т'>т"), мы можем установить между ними тепловое общение; при этом тепло будет переходить от горячего источника, к холодному, т. е.

* ; + * а = ° : * а < ° ; ^ ' > 0 -

Устанавливая тепловое общение сначала между г' и системой, являющейся идеальным газом, а затем между т" и этой системой, осуществить в системе обратимый цикл Карно 12341, в котором температуры верхней и нижней

изотерм 7\ и Г3 соответственно равны 7’1 = т'; Т3= т" (следовательно, 7'1> 7 3), а скрытые теплоты Q12 и Qu удовлетворяют условиям Qi2+^a = 0» Q34 +■ Xа = 0 , причем

Q i2 > 0 ; Х ; < 0 ; Оз4 < 0; ^ > 0 .

За этот цикл внешняя работа Wea будет отрицательной.

Считая, что в процессе а и цикле а источник т' отдает одинаковые ко­

личества тепла,

т. е. \'а =X^<0,

определить

разность теплот X’J

и

l'a'

и

ту

(отрицательную)

внешнюю работу, которую

мы теряем в процессе

а непо­

средственного перехода тепла от х к т".

 

б , в. .. источ­

10-12. Пусть

в течение последовательности процессов а,

ник т получает (положительные

или отрицательные) количества

тепла

1а,

•••

-|-

-[- +

. . . = 0 , то

будем источник считать

„неис­

Если сумма

пользованным".

Если эта

сумма

отлична от нуля, — источник

использован.

Помня, что теплота сама собой переходит от горячего тела к холодному, доказать, что:

всегда возможна такая последовательность процессов, в результате которой используется только один источник, внешняя работа положительна, система возвращается к начальному состоянию, а использованный источник получает положительное количество тепла.

10-13. Доказать, что:

если бы был возможен непосредственный переход тепла от холодного

тела к горячему,

то

была бы возможна и такая

последовательность про­

цессов, в результате

которой используется только

один источник, внешняя

работа отрицательна,

система возвращается к своему начальному

состоянию,

а использованный

источник получает отрицательное

количество

тепла (рав­

ное внешней работе).

10-14. Рассмотреть следующие циклы, осуществляемые идеальным газом: а) 1а2— процесс расширения в пустоту; роцесс — обратимое изо­

термическое сжатие;

6 ) 1 2 — обратимо-адиабатическое расширение; 23— изохорное увеличе­

ние давления

(и температуры);

31— обратимое изотермическое

сжатие.

Показать,

что: в цикле

яа“

используется

один

источник,

получающий

от системы положительное

тепло, а внешняя

работа

положительна (и равна

теплу, получаемому источником); в цикле „6“ тоже может быть использован

только один источник, причем тепло,

получаемое

им от системы, положи­

тельно и внешняя работа тоже положительна

равна теплу,

получаемому

источником).

 

 

 

 

 

 

10-15. В предыдущей задаче даны примеры

циклов, в которых внешняя

работа положительна, а использованный

источник

получает положительное

тепло.

 

 

 

 

 

 

Показать, что после всякого цикла

а, в котором UP,a > 0

и

использо­

ван один источник х' (причем Х д> 0),

можно осуществить такой

обратимый

цикл Карно в идеальном газе, чтобы в результате циклов а и

Карно внеш­

няя работа оказалась равной нулю и холодный

источник г" получил столько

тепла, сколько потерял горячий источник (т. е. последовательность этих циклов сводится к переходу тепла от горячего источника к холодному, имеющему место при тепловом общении этих источников).

10-16. Опираясь на результаты двух предыдущих задач, показать, что' после процесса расширения в пустоту а можно осуществить ряд таких об­ ратимых процессов б , чтобы в результате а и б внешняя работа оказалась равной нулю, система вернулась к своему начальному состоянию, а из двух использованных источников холодный получил столько тепла, сколько по­ терял горячий.

10-17. В эксперименте Джоуля по определению механического эквива­ лента теплоты при опускании груза нужно отводить тепло от жидкости, для того чтобы состояние последней оставалось неизменным. Пусть отводи­

мое тепло

получает источник х'. (Назвав

процесс

опускания груза

процес­

сом а, имеем:

Wea = Ph\

= Wea.)

 

 

 

 

 

 

 

 

Показать, что после процесса а можно осуществить такой обратимый

цикл а Карно в идеальном газе, чтобы в

результате а

и а

внешняя

работа

оказалась

равной нулю,

системы (жидкость

и

идеальный

газ) оказались

в своих начальных состояниях, а из

двух

использ.ованных

источников х и

х" холодный полечил столько тепла, сколько потерял

горячий. (В

экспери­

менте Джоуля

при опускании груза в жидкости

вращается

валик

с

лопат­

ками, а это вызывает трение жидкости о лопатки

и частиц

жидкости

друг

о друга. Таким образом, полученный

результат можно

формулировать так:

трение .сводится к переходу тепла от

горячего

тела к

холодному.)

 

 

ГЛ А В А О Д И Н Н А Д Ц А Т А Я

НАИБОЛЕЕ О БЩ Е Е ВЫ РАЖ ЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА.

ТЕО РИ Я ТЕЧЕН И Я

11-1. НАИБОЛЕЕ ОБЩЕЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА

1°. Частицы, образующие систему, находятся в непрестан­ ном движении: сталкиваются, отскакивают с резко изменив­ шимися скоростями, ударяются о стенки сосуда...

При наличии беспорядочного движения частиц система как целое может быть в состоянии движения ш!и оказаться в со­ стоянии покоя.

Движение частиц системы, находящейся в покое, будем на­ зывать тепловым (термическим).