Энергия системы. Работа и теплота.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1. Рабочее тело. Термодинамическая система. Термодинамический процесс.
Под рабочим телом в термодинамике понимается вещество, с помощью которого происходят процессы переноса теплоты и совершения механической работы в тепловых машинах.
В современных тепловых машинах в качестве рабочего тела выступают: газы, продукты сгорания топлив ипары различных жидкостей. Например, в качестве рабочего тела ДВС и ГТД выступают продукты сгорания топлив, в ПТУ - пары воды, в воздушно-компрессионной холодильной машине - воздух.
Каждое из этих веществ обладает своими индивидуальными свойствами, связанными с особенностями их молекулярного строения (например: СО2 - излучает энергию, а воздух нет). Однако, наряду с этим, некоторые закономерности в свойствах различных веществ имеют и общий характер. Например, нет принципиальной разницы между газами и парами, т.к. пар, по сути дела, представляет собой газ, находящийся близко к состоянию сжижения. Эти общие взаимозависимости между свойствами различных веществ устанавливает физическая термодинамика.
Работа любого теплового двигателя всегда связана со взаимодействием некоторой системы тел (в общем случае система - это группа тел, подлежащая исследованию). Например, в ДВС это: продукты сгорания, цилиндр, кривошипно-шатунный механизм, коленчатый вал. В турбине: пар или газ, рабочие и сопловые лопатки. Однако термодинамика на систему тел смотрит в более узком смысле.
|
|
|
| |||||||||||||
Под термодинамической системой понимается рабочее тело, рассматриваемое в определенных границах. Все тела, находящиеся за этой границей, называются окружающей средой. Например, в ДВС в качестве термодинамической системы рассматриваются продукты сгорания в переменных границах, образованных стенками цилиндра, крышкой цилиндра и движущимся поршнем (Рис. 1.1).
Если рабочее тело рассматривается во взаимодействии с телами окружающей среды, то термодинамическая система называется расширенной. Примером такой системы может служить рассмотрение продуктов сгорания в ДВС с учетом их теплообмена со стенками цилиндра или расширение газов в турбине.
Все термодинамические системы подразделяются на: гомогенные и гетерогенные; изолированные, закрытые и открытые.
Гомогенной (однородной) называется система, состоящая из одной фазы вещества и не имеющая поверхностей раздела. Например, продукты сгорания под поршнем, сухой пар в турбине.
Гетерогенной (неоднородной) называется, состоящая из нескольких фаз вещества и имеющая поверхности раздела. Например, воздух с каплями воды в компрессоре ГТД, влажный пар в последних ступенях турбины.
|
|
|
Изолированной термодинамической системой называется система, которая не обменивается с окружающей средой массой и энергией (например, газ, находящийся в закрытом и хорошо изолированном баллоне). Если через границы системы передается теплота и работа, а само рабочее тело их не пересекает, то такая система называется закрытой т.д.с.
Открытая термодинамическая система это система, через границы которой может передаваться масса и энергия рабочего тела.
  
|
Любая термодинамическая система всегда находится в строго определенном состоянии. Например, если газ поместить в эластичную оболочку (классический пример закрытой т.д.с.), то под действием окружающей среды в нем установятся строго определенное давление и температура (рис. 1.2). Если давление окружающей среды по каким либо причинам возрастет, то оболочка сожмется и внутри ее установится новое давление, величина которого не будет зависеть от того мгновенно или плавно сжималась оболочка. Новое состояние газа в оболочке будет характеризоваться новыми значениями давления, температуры, удельного объема.
|
|
|
Любая физическая величина, изменение которой определяется только конечным состоянием системы и не зависит от характера процесса перехода к нему, представляет собой свойство термодинамической системы.
Термодинамическое состояние это совокупность свойств системы.
Два термодинамических состояния будут тождественны тогда и только тогда, когда у них будут одинаковые свойства (p1=p2; T1=T2; v1=v2). Иными словами можно сказать, что свойства термодинамической системы являются функцией от ее состояния.
Если свойства термодинамической системы в два различных момента времени одинаковы, то т.д.с. называется равновесной. При этом термодинамическое равновесие подразумевает равенство давлений и температур во всех элементах системы.
Все свойства термодинамических систем подразделяются на две большие группы: интенсивные и экстенсивные.
Интенсивными называются свойства, величины которых не зависят от находящейся в системе массы рабочего тела. Эти свойства называют параметрами состояния.
Так как рабочими телами в тепловых машинах являются газы и пары, то основными параметрами состояния для них являются:
1) Абсолютная температура (мера нагретости тела) - это величина, пропорциональная средней кинетической энергии структурных частиц вещества (молекул и атомов): T ~ W. Отсчет ее ведется от абсолютного нуля, и в системе “Си” она измеряется в “Кельвинах” ( Т, [K] ). Т.к. абсолютная температура это энергетическая характеристика, то всегда Т ³ 0.
|
|
|
В технике для измерение температуры применяются и другие системы единици, наприме градусы Цельсия, градусы Форенгейта и т.д.. В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда - 0 °С, а за 100 °С температура кипения воды при давлении 101300 Па. Переход от температуры измеренной в °С к кельвинам и обратно осуществляется по соотношениям: 0 ° C = 273,15 K , T = t + 273,15
2) Абсолютное давление (сила, действующая на единицу поверхности) - это величина пропорциональная средней кинетической энергии структурных частиц вещества и их концентрации в объеме. С точки зрения молекулярно-кинетической теории оно является средним результатом ударов молекул о поверхность ограничивающую объем. В системе“Си”давление измеряется в“Паскалях” ( p,[ Па ]=[H/м2 ] ). Отсчет ведется от абсолютного вакуума.
3) Удельный объем - это объем занимаемый единицей массы вещества ( v , [ м3/кг ] ). Величина, обратная удельному объему называется плотность ( r , [ кг/м3 ] ).
v = V / G , r = 1 / v = G / V ,
где V - полный объем занимаемый газом [ м3 ]; G - масса газа [ кг ].
Экстенсивными называются свойства т.д.с., зависящие от массы вещества в системе. К ним относятся: масса, полная энергия, полный объем... Главным признаком их является свойства аддитивности (слагаемости). Например, энергия системы тел равна сумме энергий тел ее составляющих. Однако любое экстенсивное свойство т.д.с., отнесенное к единице количества вещества приобретает смысл интенсивного. Например, масса вещества в единице объема - это интенсивное свойство - плотность.
Термодинамическим процессом называется изменение состояния термодинамической системы, заключающееся в последовательном прохождении ее через различные состояния.
Рассмотрим сжатие газа в цилиндре под поршнем (рис. 1.3). Бесконечно малое перемещение поршня на величину Dn, даже протекающее очень быстро во времени, вызовет нарушение внутреннего равновесия в системе
| |||||||||||||
(давление возле поршня станет больше, чем у крышки цилиндра). Однако, согласно основного постулата термодинамики, для любой т.д.с. устойчивым является состояние, в которое оно переходит, поэтому нарушенное воздействием поршня равновесие системы будет стремиться восстановиться. В результате реалаксации через некоторое время равновесие в системе восстановится, и рабочее тело перейдет к новому состоянию.
Если скорость изменения возмущающего параметра оказывается меньше скорости реалаксации системы, то такой термодинамический процесс называется равновесным. На практике же скорость реалаксации системы всегда несколько меньше скорости изменения возмущающего параметра. Поэтому все реальные термодинамические процессы являются неравновесными. Однако, большинство из таких процессов, для термодинамических исследований, с достаточной степенью точности, можно считать квазиравновесными, полагая что процесс протекает во времени бесконечно медленно, и система все время поддерживается в динамическом равновесии.
Термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело пройдя ряд промежуточных состояний вновь возвращается в исходное, называется циклом.
Из всего многообразия термодинамических процессов важно выделить два больших класса: обратимые и необратимые процессы.
Термодинамический процесс называется обратимым, если он может быть проведен в прямом и противоположном направлении, и при этом все изменения системы, происходящие в любой части прямого процесса, точно обращаются в соответствующей части обратного процесса, а в окружающих систему телах нет никаких конечных остаточных изменений. Процесс, неудовлетворяющий этим условиям, называется необратимым.
Все реальные процессы протекающие, в природе и технике, являются необратимыми. В условиях гомогенной системы основными причинами необратимости термодинамических процессов являются: самопроизвольный переход теплоты от тел более нагретых к менее нагретым; неупругий удар и трение; переход жидкости или газа из среды высокого давления в среду низкого без совершения внешнего механического эффекта (например, утечки газа через лабиринтные уплотнения и поршневые кольца); самопроизвольное смешение (диффузия) различных жидкостей и газов.
Однако, обратимый термодинамический процесс, будучи реально невыполнимым, представляет собой некоторую научную абстракцию понятия идеального процесса, к которому реальные процессы могут приближаться в большей или меньшей степени. Понятие обратимости служит критерием совершенства реальных термодинамических процессов.
Энергия системы. Работа и теплота.
Энергия -это мера количественной оценки различных форм движения материи.Различают пять основных видов энергии: механическая, термическая, химическая, электромагнитная и атомная.
Каждое тело одновременно может обладать всеми видами энергии. С точки зрения термодинамики из всех видов энергии, которыми обладает рабочее тело, выделяют одну составляющую: термическую энергию, которая обусловлена тепловым состоянием тела.
В связи с делением всех термодинамических систем на закрытые и открытые величина термической энергии в термодинамике оценивается двумя понятиями:
Внутренняя энергия ( U, [ Дж ] ) - используется для оценки термической энергии закрытой термодинамической системы и складывается из внутренней кинетической энергии движения и внутренней потенциальной энергии взаимодействия молекул вещества.
Энтальпия ( I, [ Дж ] ) - используется для оценки термической энергии открытой термодинамической системы и равна сумме внутренней энергии рабочего тела и его потенциальной энергии давления.
Величины U и I являются экстенсивными свойствами термодинамической системы. Однако, кроме массы рабочего тела они зависят только от параметров состояния системы и поэтому, отнесенные к 1 кг рабочего тела, они тоже являются параметрами состояния термодинамической системы:
u = U / G , [ Дж/кг ] - удельная внутренняя энергия;
i = I / G , [ Дж/кг ] - удельная энтальпия.
В ходе термодинамических процессов различные тела взаимодействуют между собой и в следствии этого обмениваются энергией. Обмен энергией между телами может происходить двумя способами:
Совершение работы ( L , [ Дж ] ) одним телом над другим (например в ДВС газ давит на поршень и приводит в действие кривошипо-шатунный механизм; в турбине поток пара, набегающий на рабочие лопатки, заставляет вращаться ротор). Работа, которую совершает единица массы рабочего тела называется удельная работа ( l , [ Дж/кг ] ).
При наличии разности температур энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы (передача энергии от охлаждающей жидкости к воздуху в радиаторе автомобиля, обогрев комнаты камином, остывание чайника). Передаваемая в этом случае энергия называется теплота ( Q , [ Дж ] ). Энергия, передаваемая единицей массы рабочего тела называется удельная теплота ( q , [ Дж/кг ] ).
Исходя из сказанного можно сделать вывод, что работа и теплота это способы передачи энергии.
Теплота и работа наблюдаются только в ходе термодинамического процесса и представляют собой нечто переходящее. Возникая при исчезновении какого либо вида энергии, они тотчас же превращаются в энергию другого рода (термическая энергия при расширении газов в цилиндре ДВС посредством работы превращается в кинетическую энергию движения поршня; химическая энергия топлива при горении посредством передачи теплоты превращается в термическую энергию рабочего тела...).
Работа и теплота не могут быть содержанием тела, они являются функцией процесса и поэтому в отличие от удельной внутренней энергии и энтальпии не являются параметрами состояния рабочего тела. Поэтому выражение “резервуар теплоты” является абсурдным, в то время как выражение “резервуар энергии” вполне правомерно.
Тем не мение, все три рассмотренных понятия (энергия, работа, теплота) связаны с энергией и поэтому в системе “Си” в качестве единицы их измерения принят 1 Джоуль = 1 Н×м. В технике, для измерения энергии, теплоты и работы применяется еще и несистемная единица 1 кВт×час = 3600 кДж.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 63; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!