Закон сохранения и превращения энергии :
«Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах».
Т.е. для любой изолированной системы (такой термодинамической системы, которая не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни работой, ни веществом) количество энергии, заключённое в этой системе, сохраняется неизменным.
Формулировка и уравнение первого закона термодинамики
Первый закон термодинамикиустанавливает эквивалентность при взаимных
превращениях механической и тепловой энергии и математически может быть выражен следующим образом: Q = L, (9)
где Q — количество теплоты, превращенной в работу;
L — работа, полученная за счет теплоты Q.
Количества теплоты Q и работы L измерены в данном случае в соответствии с системой единиц СИ — в одних и тех же единицах — в джоулях.
В результате подвода теплоты к телу температура тела повышается, объем тела увеличивается и производится внешняя работа. При этом «подведенная к телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела U и на совершение работы L»:
Q1-2= ∆ U1-2+ L1-2 , (10)
где Q1-2– теплота, сообщенная телу при нагревании от состояния 1 до состояния 2;
∆ U1-2– изменение внутренней энергии тела; ∆ U1-2= U2 - U1
L1-2 - работа, совершаемая телом в процессе 1-2.
Аналитическое выражение первого закона термодинамики или основное уравнение теплоты в дифференциальной форме для любого тела
dQ = dU + dL, (11)
где dQ — количество теплоты, сообщенное извне рабочему телу массой М кг;
dU — изменение внутренней энергии рабочего тела; dL — работа, совершенная рабочим телом по преодолению внешнего давления, «внешняя работа» расширения.
Каждый из трех членов этого уравнения может быть в зависимости от характера изменения состояния положительным, или отрицательным, или равным нулю.
Теплота, подводимая к системе – положительная, отводимая от системы – отрицательная.
Работа, производимая системой – положительная (работа расширения Lрасш ), работа, совершаемая над системой – отрицательная (работа сжатия Lсж).
Так как за единицу работы принят Дж, то единицей мощности будет являться Дж/с. Эта единица носит название ватт (Вт). В технике применяют более крупные единицы энергии (работы) и мощности: килоджоуль (кДж), мегаджоуль (МДж), киловатт (кВт), мегаватт (МВт), киловатт-час (кВт•ч).
В промышленности до последнего времени за единицу тепловой энергии принимали калорию (кал), за единицу механической работы килограмм-силу-метр, или килограммометр (кгС'М), а за единицу мощности — килограммометр в секунду (кгс•м/с). Так как эти единицы слишком малы, то в качестве практических единиц были приняты килокалория (ккал), мегакалория (Мкал), лошадиная сила (л. с.) и киловатт (кВт). Соответствующими единицами работы (энергии) были приняты киловатт-час (кВт•ч), лошадиная сила-час (л. с. ч.), а мощности — килограммометр в секунду (кгс ·м/с).
Соотношения между различными единицами энергии и мощности даны соответственно в таблицах 6.1 и 6.2.
Таблица 6.1- Соотношения между единицами энергии
|
Единицы измерения
|
Дж |
кгс· м |
Кал |
|
Джоуль |
1 |
0,102 |
0,239 |
|
Килограмм-сила-метр |
9,8067 |
1 |
2,343 |
|
Калория |
4,1868 |
0,42686 |
1 |
|
Килокалория |
4,1868·103 |
4,2686·102 |
103 |
|
Киловатт-час |
3,6·106 |
3,67·105 |
8,6·105 |
|
Фут-фунт-сила |
1,356 |
0,138 |
0,325 |
|
Единицы измерения
|
ккал |
кВт·ч |
ft·lbf |
|
Джоуль |
2,39·10-4 |
2,78·10-7 |
0,7376 |
|
Килограмм-сила-метр |
2,343·10-3 |
2,72·10-6 |
7,233 |
|
Калория |
10-3 |
1,16·10-6 |
3,088 |
|
Килокалория |
1 |
1,16·10-3 |
3,088·103 |
|
Киловатт-час |
8,6·102 |
1 |
2,653·106 |
|
Фут-фунт-сила |
3,25·10-4 |
3.76·10-7 |
1 |
Таблица 6.2 - Соотношения между единицами мощности
|
Единицы измерения
|
Вт |
кгс·м/с |
Кал/с |
ft·lbf/ s |
л.с. |
|
Ватт |
1 |
0,102 |
0,239 |
0,7376 |
1,36·10-3 |
|
Килограмм-сила-метр в секунду |
9,8067 |
1 |
2,343 |
7,233 |
1,33·10-2 |
|
Калория в секунду |
4,1868 |
0,427 |
1 |
3,088 |
5,69·10-3 |
|
Фут-фунт-сила в секунду |
1,3558 |
0,138 |
0,3246 |
1 |
1,84·10-3 |
|
Лошадиная сила |
736 |
75 |
175,5 |
542,5 |
1 |
Пользуясь
первым законом термодинамики, можно
определить коэффициент
полезного действия (к.
п. д.) теплосиловых установок
,
характеризующий степень совершенства
превращения ими теплоты в работу.
К. п. д. может быть вычислен, если известны расход топлива на 1 кВт-ч и теплота сгорания топлива, т.е. то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании массовой или объемной единицы топлива.
Если расход топлива на 1 кВт-ч (удельный расход топлива) b выражен в кг/(кВт •ч), а теплота сгорания топлива Qр н — в кДж/кг, то к. п. д. теплосиловой установки
(12)