Молярные теплоемкости идеального газа
Молярная теплоёмкость — теплоёмкость 1 моля идеального газа. 
Если система молекул находится в тепловом равновесии при температуре T, то средняя кинетическая энергия равномерно распределена между всеми степенями свободы и для каждой степени свободы молекулы она равна: 
Из теоремы распределении энергии по степеням свободы следует, что молярные теплоемкости газа Cp и CV и их отношение γ могут быть записаны в виде 
где i – число степеней свободы газа. Для газа, состоящего из одноатомных молекул (i = 3) 
Для газа, состоящего из двухатомных молекул (i = 5) 
Для газа, состоящего из многоатомных молекул (i = 6) 
РАВНОВЕСНЫЕ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ. ОБРАТИМОСТЬ ПРОЦЕССА. ЦИКЛЫ. ТЕПЛОВАЯ МАШИНА. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ В РАБОТУ. ИДЕАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА. ЦИКЛ КАРНО.
Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется равновесным. Из этого следует, что равновесным может быть только бесконечно медленный процесс. Равновесный процесс может быть проведен в обратном направлении, причем система будет проходить через те же состояния что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Поэтому равновесные процессы называю обратными. Следовательно, работа, совершаемая системой против внешней среды в равновесном процессе, максимально возможная. Энергия же, рассеянная в виде теплоты, минимальна. Другая особенность равновесного процесса — отсутствие потерь энергии на преодоление трения, завихрений потоков в газах и жидкостях.
|
|
|
Обратимость процесса. Обратимый процесс (то есть равновесный) — термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений. Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину. Обратимость термодинамического процесса определяют как процесс, допускающий возможность возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. В противном случае процесс является необратимым.
|
|
|
Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе.Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна 
, где 
— контур цикла. C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать 
.
Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно 
Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния рабочего тела в термодинамическом цикле служат температура и энтропия.
Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объем, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды.
|
|
|
Неравновесные процессы , в термодинамике и статистической физике — физические процессы, включающие неравновесные состояния.Неравновесное состояние, в термодинамике состояние системы, выведенной из равновесия термодинамического; в статистической физике — из состояния статистического равновесия. В системе, находящейся в Н. с., происходят необратимые процессы, которые стремятся вернуть систему в Состояние термодинамического (или статистического) равновесия, если нет препятствующих этому факторов.
Неравновесный процесспроисходит с конечной скоростью, обусловленной конечной разностью в давлениях и температурах между системой и внешней средой или большой неравномерностью температурных, концентрационных и иных полей внутри системы. Неравновесные процессы всегда необратимы, так как возвращение системы в исходное состояние связано с изменением состояния внешней среды вследствие большей затраты работы по сравнению с той, которая получается в прямом процессе. Работа, совершаемая системой в этом процессе, меньше, чем в равновесном, так как часть энергии тратится на преодоление различного рода сопротивлений и превращается в бесполезную теплоту. Количество последней равно разности между максимальной работой в равновесном процессе и соответствующей работой в неравновесном процессе. Таким образом, протекание неравновесного процесса сопровождается потерей работоспособности системы.
|
|
|
Расширение газа в цилиндре с поршнем хорошо иллюстрирует различие между равновесным и неравновесным процессами. Поршень в цилиндре не движется, если давление п молей газа в объеме 
уравновешено внешним давлением Р (например, Р — это вес поршня и набора гирь с разным весом). Если же снимать груз бесконечно малыми порциями, давление газа каждый раз будет бесконечно мало превышать внешнее давление, и расширение станет вполне равновесным. Расширение будет быстрым и неравновесным, если снимать крупные гири.
Циклы. Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела: (давление, объём, температура и энтропия).
Тепловая машина.
Теплова́я маши́на — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.
Работа, произведённая тепловым двигателем, согласно первому началу термодинамики равна разности количеств тепла подведённого 
и отведённого 
: 
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение произведённой работы к подведённому извне количеству тепла: 
Работа холодильной машины равна: 
Эффективность работы холодильных машин определяется величиной холодопроизводительности, представляющей отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты к затраченной для этого механической работе : 
Теплопередача преобразование теплоты в работу.
Действительно на преобразование теплоты в работу природой накладывается ограничение, имеющее принципиальный характер, и связанное с отношением температур холодильника и нагревателя. Цикл Карно является идеальным, то есть предельным по эффективности циклом относительно любой реальной тепловой машины. Отсутствие каких-либо потерь или нерационального расходования энергии на всех этапах связано с полной обратимостью всех рассматриваемых в машине Карно процессов. Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.
Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно.
Цикл Карно – обратимый цикл совершаемый телом, вступающим в теплообмен с двумя тепловыми резервуарами бесконечно большой емкости, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Цикл Карно - обеспечивает максимальную величину к.п.д., если заданы максимальная температура нагревателя и минимальная температура холодильника. Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности.
Квазистатический процесс в термодинамике — идеализированный процесс, состоящий из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия.
10. Цикл Карно. Обратимость тепловой машины. Идеальная тепловая машина и ИДЕАЛЬНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ И ХОЛОДИЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ.
Холодильный коэффициент, определяется как отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты Q2/A’=Q2/(Q’1-Q2)
Холодильный коэффициент, безразмерная величина (обычно больше единицы), характеризующая энергетическую эффективность работы холодильной машины; равна отношению холодопроизводительности к количеству энергии (работе), затраченной в единицу времени на осуществление холодильного цикла.
eк = T0/(Т — Т0), где T0 и Т — абсолютные температуры охлаждаемого объекта и окружающей среды (кипения и конденсации хладагента). При заданной температуре окружающей среды Т на единицу полученного искусственного холода затрачивается тем большая энергия, чем ниже температура охлаждаемого объекта. Последняя характеризует термодинамическую ценность холода.
В течение цикла рабочее тело теплового двигателя получает от нагревателя количество теплоты Q1, совершает работу А и отдает некоторое количество теплоты Q2 < Q1 холодильнику. Все процессы совершаются квазистатически, что обеспечивает их обратимость.
Идеальная тепловая машина и идеальная холодильная машина. Под идеальной понимается тепловая машина, имеющая максимальный к.п.д. при заданных значениях нагревателя T1 и холодильника T2.
Из второго начала термодинамики следует, что даже у идеального теплового двигателя, работающего без потерь, к.п.д. принципиально ниже 100 % и вычисляется по формуле: 
. Рабочим телом в идеальной тепловой машине является идеальный газ, а работает она по циклу Карно 
(рис. 5.6): 1–2 изотермический: медленно расширяясь при температуре 
, газ получает теплоту от нагревателя. 2–3 адиабатный: резко расширяясь, газ охлаждается до температуры 
3–4 изотермический медленно сжимаясь при температуре 
, газ отдает теплоту холодильнику. 4–1 адиабатный: резко сжимаясь, газ нагревается до температуры 
Идеальная холодильная машина Цикл Карно обратим, поэтому его можно провести в обратном направлении. Это будет уже не тепловая машина, а идеальная холодильная машина. Процессы пойдут в обратном порядке. Работа А совершается для приведения в действие машины. Количество теплоты Q1передается рабочим телом нагревателю более высокой температуры, а количество теплотыQ2поступает к рабочему телу от холодильника (рис. 5.17). Теплота передается от холодного тела к горячему, поэтому машина и называется холодильной. Но второму закону термодинамики это не противоречит: теплота переходит не сама собой, а за счет совершения работы. Выразим количества теплоты Q1 иQ2 через работу А и КПД машины η. Так как согласно формуле А' =ηQ1 =-A, то 
. Передаваемое рабочим телом количество теплоты, как всегда, отрицательно. Очевидно, |Q1| =— . Согласно выражению 
количество теплотыQ2 =Q1(η - 1) или с учетом соотношения 
(работу, совершаемую машиной за цикл (из определения КПД)): 
. Такое количество теплоты получает рабочее тело от холодильника. Горячему телу передается количество теплоты Q1, большее того количества, которое забирается от холодильника. Согласно формуле . Отсюда 
Назначение холодильной машины — охлаждать некоторый резервуар, передавая теплоту в окружающую среду. Назначение теплового насоса — нагревать резервуар, забирая теплоту из окружающей среды. Эффективность холодильной машины определяется отношением 
, так как ее назначение отнимать как можно большее количество теплоты от охлаждаемой системы при совершении как можно меньшей работы. Величина ε называется холодильным коэффициентом. т. е. холодильный коэффициент тем больше, чем меньше разность температур, и тем меньше, чем меньше температура того тела, от которого отбирается теплота.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1132; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!