Работа при изменении объема газа

Одним из основных термодинамических процессов, совершающихся в большинстве тепловых машин, является процесс расширения газа с совершением работы. При изобарном расширении газа от объема ^ до объема V^ происхо­дит перемещение поршня в цилиндре на расстояние L (рис. 59). При этом работа А, совершаемая газом, будет равна (рис. 60):

A =F• L=p • S • L = p • ∆V, Н • м = Дж,

где F— сила, действующая на поршень, Н; L — расстояние, пройденное поршнем, м; S — площадь поршня, м²; р — давление газа, Па; Д^— объем цилиндра на ходе поршня, м³.

При изохорном процессе изменения объема газа не происходит, следовательно работа в данном случае будет равна 0.

При изотермическом расширении газа (т. е. при неизменной температуре) работа определяется площадью фигуры под гиперболой (рис. 61).

Рис. 59. Работа поршня

Рис. 60. Изобарное расширение газа

Рис. 61. Сравнение изотермического и изобарного процессов расширения газа

При расширении газа направление вектора силы давления газа совпадает с направлением вектора перемещения поршня, поэтому работа, совершаемая газом в этом случае, будет положительной, а работа внешних сил — отрица­тельной. При сжатии газа направление вектора внешней силы совпадает с направлением перемещения поршня, поэтому работа внешних сил будет положительной (А>0), а работа газа — отрицательной (А<0).

Энтропия

Энтропия S является также одним из параметров состояния системы, которая характеризует ее энергоспособ­ность. Увеличение энтропии системы указывает на снижение ее энергоспособности.

В технической термодинамике элементарное изменение энтропии тела или системы определяется элементарным теплообменом тела или системы с внешней средой и уровнем температуры, при котором этот теплообмен происходит.

работу Величина S измеряется в Дж/(кг • К). Выразив удельный теплообмен через внутреннюю энергию тела и изменения объема, можно записать

∆S = CV • ln T2 + R • 1n V2

1→2 T1 V1

где Сv — изохорная теплоемкость, Дж/(кг-К); R — газовая постоянная, Дж/(кг • К).

Таким образом, энтропия зависит от изменения параметров системы р, V, Т. В теплотехнике для графического представления состояний газа и отображения термодинамических процессов в тепловых двигателях широко использует­ся так называемая энтропийная диаграмма T— s.

Теплопроводность

Применительно к телам можно сказать, что теплопроводность — это перенос энергии от более нагретых участков тела к его менее нагретым участкам вследствие теплового движения и взаимодействия частиц.

Теплопроводность — это процесс передачи теплоты (энергии) вследствие хаотичного теплового движения молекул или атомов.

Помимо теплопроводности теплота может передаваться конвекцией и излучением.

Конвекция — это процесс теплопередачи, при котором энергия переносится струями жидкости или газа.

Конвекция может происходить только в жидкостях или газах.

Конвекция, происходящая без вмешательства извне, называется естественной, если же неоднородно нагретую массу газа или жидкости перемешивать с помощью насоса или вентилятора, то происходит вынужденная конвекция.

Излучение — особый вид передачи энергии за счет электромагнитных колебаний. Тепловое излучение происходит в диапазоне инфракрасного спектра.

На практике при перевозке сжиженных газов теплопроводность материалов используется при расчете изоляции грузовых танков.