Контрольные вопросы

1. Что называется идеальным газом?

2. Что называется молем газа?

3. Дать определение универсальной газовой постоянной и единицы ее из­мерения.

4. Провести исследование уравнения Ван-дер-Ваальса.

5. Дать определение термических коэффициентов.

6. При каких условиях можно превращать газы в жидкое состояние?

7. Что такое критическая точка?

8. Что положено в основу вывода уравнения состояния М.П. Вукаловича И.И. Новикова?

9. Теплота и работа как формы передачи энергии.

10. Математические формулировки первого закона термодинамики.

11. Внутренняя энергия.

12. Что такое энтальпия?

13. Дать определение удельной теплоемкости.

14. Что такое истинная и средняя теплоемкость?

15. Практическое значение уравнения Майера.

ЗАДАЧИ

Задача 1. Определить количество теплоты, которое нужно подвести к ки­слороду, и его массу, если он содержится в закрытом сосуде емкостью V₁ = 0,8 м³, при начальных температуре и давлении t₁=150 °С, р₁=200 кПа и конечной температуре t₂ =550 °С. ().

Решение. Из уравнения состояния pV = mRT: найдем

m = pV/RT = 200000 · 0,8/(260 · 423) = 1,87 кг.

Количество подведенной теплоты находится по формуле

где - средняя удельная теплоемкость кислорода, определяемая по соотно­шению

,

где значения = 0,7193 кДж/(кг·К) и = 0,6632 кДж/(кг·К) находятся по таблицам из [13]. Тогда

= (0,7193 · 550 · 0,6632 150)/ 400 = 0,75 кДж/(кг·К).

Q_v = 1,87 · 0,75400 = 561 кДж.

Задача 2. Избыточное давление в емкости, измеряемое пружинным ма­нометром,

p_и = 1000 кПа. Атмосферное давление по ртутному барометру со­ставляет 750 мм.рт.ст. при температуре t = 40 °С.

Определить абсолютное давление в емкости.

Решение. Так как с изменением температуры изменяется плотность рту­ти, то при измерении давления ртутными приборами необходимо учитывать не только их показания, но и температуру ртути. С увеличением температуры от 0 °С плотность ртути уменьшается, а с уменьшением - возрастает. В связи с чем, показания ртутных приборов следует приводить к 0 °С посредством введения поправок на температуру ртути. Для этого используется формула

где В₀ - показание ртутного прибора, приведенное к 0 °С; В – показание при­бора при температуре окружающего воздуха t,°С. Число 0,000172 - коэффи­циент объемного расширения ртути.

Найдем показание ртутного прибора, приведенное к 0 °С

B₀=В(1 - 0,000172· t)=750(1- 0,000172·40)=744,84 мм.рт.ст.=99,3 кПа=р₀.

Абсолютное давление в емкоcти

p = p₀+p_и =99,3+1000=1099,3 кПа.

Задача 3. Найти абсолютное давление в паровом котле, если измеряемое пружинным манометром избыточное давление р_и =2000 кПа. Барометриче­ское давление по ртутному барометру р₀ =740 мм.рт.ст. при температуре 0°С.

Решение. Абсолютное давление в котле определяется по формуле

р=р_и+р₀ .

1 мм.рт.ст. создает давление 133,32 Па, а 740 мм.рт.ст. соответствуют 98,6 кПа. Отсюда

р=р_и+р₀=2000+98,6=2098,6 кПа.

Глава 3 второй закон термодинамики

§ 3.1. Энергия и энтропия

Тезис о неуничтожимой материи и ее движении в естествознании полу­чил подтверждение в результате установления закона сохранения и превра­щения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии, однако, лишь констатирует на­личие процессов превращения видов энергии и ее сохранение. Но он не по­зволяет решать вопросы о возможности осуществления того или иного про­цесса, не указывает направление происходящих превращений энергии. Ответ на эти вопросы был найден в результате открытия второго закона тер­модинамики. Этот закон устанавливает, что самопроизвольные процессы возможны лишь в том случае, когда в системе нет равновесия, и что эти про­цессы всегда протекают в направлении, при котором система приближается к равновесному состоянию.

Таким образом, второй закон термодинамики позволяет указать направ­ление теплового потока и устанавливает максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах. Наиболее общая фор­мулировка второго закона термодинамики дана Клаузиусом в виде следую­щего постулата: "Теплота не может самопроизвольно (без компенсации) пе­реходить от менее нагретого тела к более нагретому". Что такое компенсация, а также другие формулировки второго закона термодинамики будут рассмотрены ниже (см. § 3.4).

С открытием первого закона термодинамики было осознано значение энергии в материальном мире. Замечено, что все виды энергии, в конечном счете, превращаются в теплоту, которая затем рассеивается в окружающей среде. Мера этого рассеивания была названа энтропией. Чем больше рассеи­вается (обесценивается) энергия, тем больше увеличивается энтропия.

Энергия и энтропия являются неотъемлемыми свойствами материи, при­чем энергия есть мера движения материи, а энтропия - мера рассеивания (деградации) энергии.

Под энергией понимается физическая мера движения материи. Существо­вание видов энергии обусловлено различными способами движения материи. Так, например, электрической форме движения материи соответствует элек­трическая энергия, химической - химическая и т.д. Энергия служит количе­ственной мерой движения материи. Превращение видов энергии происходит при переходе движения материи из одних форм в другие.

Кроме видов энергии различают формы передачи энергии. В термодина­мике приняты две формы обмена энергии: работа и теплота процесса.

Теплота, связанная с движением молекул и атомов, является микроскопи­ческой формой передачи энергии, а работа, связанная с перемещением тела или его частей, - макрофизической.

Необходимо помнить, что теплота и работа, должны связываться не с ка­ким - то «запасом» энергии, а с некоторым процессом, в результате которого происходит передача энергии. В связи с этим ошибочно считать теплоту и работу видами энергии. Любой вид энергии является однозначной функцией состояния, не зависящей от пути процесса, тогда как зависимость теплоты и работы от пути процесса есть их неотъемлемое свойство.

Следует заметить, что теплота и работа не являются равноценными фор­мами передачи энергии. Работа непосредственно может быть преобразована в любой вид энергии. Теплота без промежуточного превращения в работу может быть направлена на увеличение запаса лишь внутренней энергии тела. Работа, без каких бы то ни было ограничений, может быть превращена в теп­лоту, а переход теплоты в работу, согласно второму закону термодинамики, без компенсации (без некоторого дополнительного процесса) невозможен.