1. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ДИНАМИКИ.

Первый закон термодинамики является частным случаем общего закона сохранения и превращение энергии применительно к процессам взаимного превращения теплоты и работы. Закон утверждает, что сумма всех видов энергии изолированной системы при любых происходящих в системе процессах остается постоянной:

При осуществлении термодинамиче­ского процесса подводимая к телу теплота Q идет на изменение его внутренней энергии и совершение механической работы:

Для 1 кг рабочего тела

.

ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ТЕЛА P,V,T,U,I,S.

Величины, характеризующие тело в данном состоянии, называют параметрами состоя­ния. Чаще всего состояние тела определя­ется следующими параметрами: удельным объемом, давлением, энтальпией и тем­пературой.

Удельный объем (v) тела представляет со­бой объем единицы его массы. В техниче­ской термодинамике за единицу массы при­нимают килограмм (кг), за единицу объ­ема— кубический метр (м³). Если V — объем в м³, занимаемый телом массой М в кг, то удельный объем

Плотность – величина обратная удельному объему

Давление р в Международной системе еди­ниц (СИ) измеряют в паскалях. Паскаль (Па) — давление, вызы­ваемое силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нор­мальной к ней поверхности площадью 1 м². Таким образом, в единицах СИ паскаль из­меряют в ньютонах на квадратный метр (Н/м²).

Температура характеризует степень нагре­того тела. Ее измеряют или по термодина­мической температурной шкале, или по международной практической температур­ной шкале. Единицей термодинамической температуры является кельвин (К), пред­ставляющий собой 1/273,16 часть термоди­намической температуры тройной точки воды.

Энтальпия

Энтальпией термодинамического тела называют сумму внутренней энергии u и произ­ведения pv.

где dl_t - есть дифференциал технической работы (dl_t = - vdp).

Полученное уравнение является также вто­рой формулировкой первого закона термо­динамики, используя понятия энтальпии и технической работы.

Величина i может также рассматриваться как параметр состояния термодинамиче­ского тела наряду с ранее введенными p, v, T, и. Физический смысл величины iможет пояснен на основе уравненияdq = di - vdp, которое для процесса p =const запи­шется как:

dq_p = di . (86)

Откуда следует, что di есть элементарное количество теплоты, подведенное к термо­динамическому телу в процессе постоян­ного давления.

Изменение энтальпии в любом процессе определяется только начальным и конеч­ным состояниями тела и не зависит от ха­рактера процесса.

Энтропия является функцией состояния, поэтому её изменение в термодинамическом процессе опреде­ляется только начальными и конеч­ными значениями параметров состоя­ния. Изменение энтропии в основных термодинамических процессах:

в изохорном

в изобарном

визотермическом

в адиабатном

в политропном

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ РА­БО­ЧЕГО ТЕЛА, ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И РАЗМЕРНОСТЬ.

Внутренняя энергия – это вся энер­гия заключенная в теле или системе тел.Эту энергию можно представить в виде суммы отдельных видов энергий: ки­нетической энергии молекул, включающей энергию поступательного и вращательного движения молекул, а также колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии или энергии положения молекул в каком либо внешнем поле сил; энергии электромагнитного излучения.

Полную внутреннюю энергию тела принято обозначать U (Дж), а удельную внутреннюю энергию u (Дж/кг).

Внутренняя энергия равна:

Где – внутренняя кинетическая энергия молекул, внутренняя по­тенциальная энергия молекул, – по­стоянная интегрирования.

В технической термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенциальная составляющие внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса при бесконечно малом изменении состояния (для 1 кг)

В теплотехнических расчётах обычно требуется знать изменение внутренней энергии , а не её абсолютное значение; поэтому начало отсчёта (0 К или 0⁰ С) для конечного результата () не имеет значения.

где - средняя массовая теплоёмкость при постоянном объёме в пределах

Таким образом, изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса равно произведению средней теплоёмкости при постоянном объёме на разность температур газа.

Процессы обратимые и не­обратимые. Равновесные и неравновесные

Термодинамический процесс – это по­следовательное изменение состояния тела, происходящее в результате энер­гетического взаимодействия рабочего тела с окружающей средой.

Понятия обратимый и необратимый термодинамический процесс тесно связаны с равновесием системы. Рас­смотрим такую термодинамическую систему у которой отсутствует тепло­обмен с окружающей средой (адиабат­ная термо­динамическая система). Происходящие в такой системе термо­динамические процессы называют об­ратимыми, если система в ходе пря­мого и обратного процесса вернется в исходное состояние без какого-либо дополнительного теплового воздей­ствия окружающей среды на систему. В случае если система в ходе обрат­ного процесса не может возвратиться в исходное состояние или для этого тре­буется подвод тепла, то такой процесс называется необратимым.

Процесс при каждом изменении дав­ления и температуры может быть об­ратимым только в том случае, когда на протяжении всего процесса от точки к точке термодинамической си­стемы давление постоянно и темпера­тура в каждой точке равна темпера­туре окружающей среды или их раз­ность бесконечно мала.

обратимые термодинамические про­цессы являются идеальным или тео­ретическим случаем. Все реальные процессы являются необратимыми, так как на практике выполнение условия квазистатичноститрудно вы­полнимо. Кроме того, необратимость процессов вызывается наличием внутреннего трения в рабочем теле и поверхностного трения в техническом оборудовании (течение в сопле, тре­ние поверхности поршня о стенку ци­линдра и т.д.). Для преодоления тре­ния всегда необходимо затратить не­которое количество механической ра­боты, которая в ходе процесса пре­вращается в тепло.

Энтальпия. Физические свойства

Энтальпией термодинамического тела называют сумму внутренней энергии u и произ­ведения pv.

где dl_t - есть дифференциал техниче­ской работы (dl_t = - vdp).

Полученное уравнение является также второй формулировкой первого за­кона термо­динамики, используя поня­тия энтальпии и технической работы.

Величина i может также рассматри­ваться как параметр состояния термо­динамического тела наряду с ранее введеннымиp, v, T, u. Физический смысл величины iможет пояснен на основе уравнения (dq = di - vdp), ко­торое для процесса p =const запи­шется как: dq_p = di .

Откуда следует, что di есть элемен­тарное количество теплоты, подве­денное к термодинамическому телу в процессе постоянного давления.

Изменение энтальпии в любом процессе определяется только начальным и конеч­ным состояниями тела и не зависит от промежуточных состояний и ха­рактера процесса.

Теплоёмкость рабочего тела

Теплоемкостью называют количество теплоты, которое необходимо сооб­щить телу (газу), чтобы повысить тем­пературу какой-либо количественной единицы на 1° С.

Для определения значений перечис­ленных выше тепло­емкостей доста­точно знать величину одной какой-либо - из них. Удобнее, всего иметь величину мольной теплоем­кости, то­гда массовая теплоемкость:

а объемная теплоемкость:

Объемная и массовая теплоемкости связаны между собой зависимостью:

где - плотность газа при нормаль­ных условиях.

Теплоемкость газа зависит от его тем­пературы. По этому признаку разли­чают среднюю и истинную теплоём­кость.

Если q- количествотеплоты, сообща­емой единице количества газа (или от­нимаемого от него) при изменении температуры газа от t₁ до t₂ то

Представляет собой среднюю тепло­ёмкость в пределах . Предел этого отношения, когда разность температур стремиться к нулю, называют истинной теплоёмко­стью.