3 Завдання 3

3. 1 Термодинамічні функції стану в зварювальних процесах

Термодинамічні функції введені для аналізу конкретних процесів.

Термодинамічні функції:

U — внутрішня енергія.

H — ентальпія або тепломісткість

H = U + pV , (3.1)

де р — тиск;

V — об’єм.

S — ентропія.

F — вільна енергія Гельмгольца

F = U+TS. (3.2)

G — вільна енергія Гібса

G = H+TS. (3.3)

Основна властивість цих функцій крім ентропії у тому, що у спонтанно протікаючих термодинамічних процесах вони зменшуються і у стані термодинамічної рівноваги приймають мінімальні значення. Через часткові похідні цих функцій можна вивести значення будь–якого термодинамічного параметру. Самі ці функції виводяться з першого та другого законів термодинаміки.

3. 1. 1 Внутрішня енергія

Внутрішня енергія U (Дж·моль^-1) — енергія яку мають усі тіла та системи. Саме за її допомогою відбуваються взаємодії між тілами, або частками одного тіла, та їх рух.

Повна внутрішня енергія визначається

U=W_кін+W_пот, (3.4)

де W_кін — кінетична енергія пов’язана з рухом часток;

W_пот — потенціальна енергія взаємодії між елементарними

частками або тілами.

Класична термодинаміка не оперує поняттям повної внутрішньої енергії, а лише розглядає ту її частину, яка здобуває зміни у наслідку зміни маси речовини, або параметрів стану

U=W_пот (3.5)

Внутрішня енергія — термодинамічна функція стану, тому що її значення не залежить від шляху процесу, а визначається лише абсолютним значенням термодинамічних параметрів.

Поняття внутрішньої U енергії тісно пов’язане з першим законом термодинаміки.

Перший закон термодинаміки встановлює енергетичний баланс між ізольованою системою та навколишнім середовищем. Базується на законі збереження енергії Ломоносова: на заміну зниклого виду енергії з’являється новий в суворо еквівалентній кількості.

Передана тілу енергія іде на виконання роботи і зміну внутрішньої енергії тіла або системи

Q= U+A , (3.6)

де Q — передана системі енергія;

U — зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи;

A — робота, яку виконала термодинамічна система.

3. 1. 2 Ентальпія або тепломісткість

Ентальпія (Н) або тепломісткість (Дж/моль).

1 2

Н₁ Н₂

Рисунок 3.1 — Схема переходу системи з положення 1 в положення 2

Якщо система прийшла з початкового положення 1 в кінцеве 2, то тепловий ефект на основі 1–го закону термодинаміки буде визначатись

Q₁₂ = (U₂+pV₂) – (U₁+pV₁), (3.7)

H₁=U₁+pV₁ , (3.8)

H₂=U₂+pV₂ , (3.9)

де H₁, H₂ — тепломісткість системи у положенні 1 і 2 відповідно.

Тоді

Q₁₂ = H₂ – H₁= H , (3.10)

де H — зміна ентальпії.

У загальному випадку

H= U+ pV , (3.11)

де H — термодинамічна функція стану, яка представляє з себе суму внутрішньої енергії і роботи розширення або об’ємної роботи pV, переданої в зовнішнє середовище.

З виразу (3.10) витікає, що поглинута теплота в процесі, який проходить при р=const, витрачається на приріст ентальпії. Перший закон термодинаміки можна записати у вигляді

Q_p= Q_v+ pV . (3.12)

Тобто тепловий ефект ізобарного процесу (Q_p) відрізняється від теплового ефекту ізохорного процесу (Q_V) на величину виконаної роботи (pV). Якщо газова фаза відсутня, то рV=0 тоді Q_p = Q_V.

З виразу (3.10) витікає

dQ = d( H) = c_pdT , (3.13)

де c_p — теплоємність при р=const;

H — зміна ентальпії для системи у якій не проходять

полиморфні перетворення і зміни агрегатного стану.

(3.14)

У тих випадках, коли в системі проходять полиморфні перетворення (наприклад, ), і зміна агрегатних станів, то H визначається за формулою

H₀ — ентальпія початкового стану системи;

H_перетв, H_пл, H_випар — ентальпія переходів із одного стану в інший;

c_p — теплоємність при р=const.