на что расходуется теплота подведенная к термодинамической системе

Первый закон термодинамики.

Первое начало (первый закон) термодинамики — это закон сохранения и превращения энер­гии для термодинамической системы.

Согласно первому началу термодинамики, работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах — джоулях (как и энергию).

Первое начало термодинамики было сформулировано немецким ученым Ю. Л. Манером в 1842 г. и подтверждено экспериментально английским ученым Дж. Джоулем в 1843 г.

Первый закон термодинамики формулируется так:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

где ΔU — изменение внутренней энергии, A — работа внешних сил, Q — количество теплоты, переданной системе.

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.

Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение (ΔU = A + Q) записывается в виде:

,

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Первое начало термодинамики может быть сформулировано как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника (т. е. только за счет внутренней энергии).

Следует помнить, что как работа, так и количество теплоты, являются характеристиками процесса изменения внутренней энергии, поэтому нельзя говорить, что в системе содержится опреде­ленное количество теплоты или работы. Система в любом состоянии обладает лишь определенной внутренней энергией.

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.

Изохорный процесс.

Зависимость р(Т) на термодинамической диаграмме изображается изохорой.

Изохорный (изохорический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в систе­ме при постоянном объеме.

Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.

При изохорном процессе объем газа не меняется (ΔV= 0), и, согласно первому началу термоди­намики ,

т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа (А = рΔV=0) газом не совершается.

Источник

Основы теплотехники

Термодинамические процессы

Как упоминалось в предыдущей статье, термодинамическим процессом называют изменение состояния системы, в результате которого хотя бы один из ее параметров (температура, объем или давление) изменяет свое значение. Впрочем, если учесть, что все параметры термодинамической системы неразрывно взаимосвязаны, то изменение любого из них неизбежно влечет изменение хотя бы одного (в идеале) или нескольких (в реальности) параметров. В общем случае можно сказать, что термодинамический процесс связан с нарушением равновесия системы, и если система находится в равновесном состоянии, то никаких термодинамических процессов в ней протекать не может.

Изучение термодинамического процесса заключается в определении работы, совершенной в данном процессе, изменения внутренней энергии, количества теплоты, а также в установлении связи между отдельными величинами, характеризующими состояние газа.

Изохорный процесс

Давление газа на стенки сосуда прямо пропорционально абсолютной температуре газа.

Изобарный процесс

Изобарным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении. Такой процесс можно осуществить, поместив газ в плотный цилиндр с подвижным поршнем, на который действует постоянная внешняя сила при отводе и подводе теплоты.
При изменении температуры газа поршень перемещается в ту или иную сторону; при этом объем газа изменяется в соответствии с законом Гей-Люссака:

Это означает, что в изобарном процессе объем занимаемый газом, прямо пропорционален температуре.
Можно сделать вывод, что изменение температуры в этом процессе неизбежно приведет к изменению внутренней энергии газа, а изменение объема связано с выполнением работы, т. е. при изобарном процессе часть тепловой энергии тратится на изменение внутренней энергии газа, а другая часть – на выполнение газом работы по преодолению действия внешних сил. При этом соотношение между затратами теплоты на увеличение внутренней энергии и на выполнение работы зависит от теплоемкости газа.

Изотермический процесс

Очевидно, что при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не изменяется, поскольку его температура постоянна.
Чтобы выполнялось условие постоянства температуры газа, от него необходимо отводить теплоту, эквивалентную работе, затраченной на сжатие:

Используя уравнение состояния газа, проделав ряд преобразований и подстановок, можно сделать вывод, что работа газа при изотермическом процессе определяется выражением:

Адиабатный процесс

Адиабатным называют термодинамический процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой. Подобно изотермическому, осуществить на практике адиабатный процесс очень сложно. Такой процесс может протекать с рабочим телом, помещенным в сосуд, например, цилиндр с поршнем, окруженный высококачественным теплоизолирующим материалом.
Но какой бы качественный теплоизолятор мы не применяли в данном случае, некоторым, пусть даже ничтожно малым, количеством теплоты рабочее тело и окружающая среда неизбежно будут обмениваться.
Поэтому на практике можно создать лишь приближенную модель адиабатного процесса. Тем не менее, многие термодинамические процессы, осуществляемые в теплотехнике, протекают настолько быстро, что рабочее тело и среда не успевают обмениваться теплотой, поэтому с некоторой степенью погрешности такие процессы можно рассматривать как адиабатные.

Для вывода уравнения, связывающего давление и объем 1 кг газа в адиабатном процессе, запишем уравнение первого закона термодинамики:

С учетом уравнения Майера R = c_p – c_v последнее выражение можно переписать в виде:

Политропный процесс

Работа газа при политропном процессе может быть определена по формуле:

Теплоемкость при политропном процессе (приводится без вывода) :

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Источник

Работа, энергия, теплота с точки зрения термодинамики. Термодинамические параметры.

Термодинамика – раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии.

Изменение состояния термодинамической системы при ее взаимодействии с внешней средой можно осуществить путем теплообмена или совершением работы. Процесс передачи энергии системе от внешних тел, называют работой. Процесс обмена внутренними энергиями соприкасающихся тел, без совершения работы, называют теплообменом. Процесс передачи энергии системе внешними телами путем теплообмена, называют теплотой (количеством теплоты).

В процессе совершения работы над системой происходит изменение параметров, характеризующих ее состояние, например, давления, объема, температуры. Изменить параметры состояния системы можно при теплообмене за счет передачи тепла от одного нагретого тела другому. Теплота – это не заключенная в теле энергия, а то количество энергии, которое передается от горячего тела холодному. Таким образом, теплота и работа являются различными формами передачи энергии от одного тела другому.

Процессы работы и теплоты качественно различны. Совершение работы над системой может привести к изменению любого вида энергии: кинетической, потенциальной и т. д. Если энергия сообщается системе в форме теплоты, то она идет на увеличение энергии теплового движения частиц системы, называемой внутренней энергией U системы

Внутренняя энергия идеального газа определяется только средней кинетической энергией теплового хаотического движения всех молекул. Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса, а определяется только параметрами начального и конечного состояний,т. е. ∆U = U2 – U1. (2) Следовательно, внутренняя энергия является функцией состояния системы

В чем различие между температурой, теплотой и внутренней энергией? 1. Температура – мера средней кинетической энергии отдельных молекул. 2. Теплота – количество энергии, переданной от одного тела другому.3. Внутренняя энергия – полная энергия всех молекул газа.

Совокупность макроскопических тел, которые при взаимодействии обмениваются энергией между собой и окружающей средой, называют термодинамической системой.

Физические величины (например, давление, температура и т. д.), характеризующие состояние термодинамической системы в данный момент времени, называют параметрами состояния, или термодинамическими параметрами.

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность сил, с которыми одно тело действует нормально (перпендикулярно) на поверхность другого – внутренний параметр системы.В СИ единицей измерения давления считается паскаль (Па), 1 Н/м2 = 1 Па.

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия для всех частей макроскопической системы и являющаяся мерой отклонения от этого равновесия.Абсолютная температура по термодинамической температурной шкале обозначается символом Т, в СИ измеряется в кельвинах (К).

Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени, в условиях изоляции от окружающей среды, называют равновесным. Состояние термодинамической системы, в котором хотя бы один из параметров, характеризующих ее состояние, изменяется, называют неравновесным.

Первое начало термодинамики, его применение к изопроцессам.

Первое начало термодинамики: Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил:

Для бесконечно малого процесса перехода системы из одного состояния в другое первое начало термодинамики записывается в виде

Первое начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможно построить двигатель, который совершал бы работу большую, чем количество затраченной теплоты.

Применим первое начало термодинамики к различнымизопроцессам.Изопроцесс – это процесс, в котором один или несколько параметров остаются постоянными.

1.Изохорный процесс.При изохорическом процессе объем, занимаемый газом, не изменяется, т. е. V = сonst (∆V = 0) и А = P ∆V = 0. Для этого процесса первое начало термодинамики запишется в виде:

В изохорном процессе теплота, подведенная к системе, полностью расходуется на изменение ее внутренней энергии.

2. Изобарный процесс.При изобарическом процессе давление не изменяется, т. е. Р = const. Первое начало термодинамики для изобарического процесса записывают в виде:

так как все подведенное к системе тепло идет на изменение внутренней энергии системы и совершения системой работы.Вычислим работу, совершаемую системой при изобарном процессе (P=const)

,

(9.5)

3. Изотермический процесс. При постоянной температуре изменение внутренней энергии идеального газа не происходит: dU=0, Первое начало термодинамики для изотермического процесса записывают в виде:

так как все подведенное к системе тепло идет на совершения системой работы:

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 1642 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

изменение внутренней энергии рабочего тела и на совершение работы.

Обозначим количество тепла, подведенного к 1 кг рабочего тела в про-

димого тепла через dq ; тогда, согласно первому закону термодинамики, сле-

Для любого количества рабочего тела массой M эти уравнения имеют

В развернутом виде уравнение первого закона термодинамики запишется

Для удобства теплотехнических расчетов сумму upv  рассматривают как термодинамический параметр состояния — энтальпию (Дж/кг).

где u – внутренняя энергия (Дж/кг); p – абсолютное давление (Па); v — удельный объем (м3/кг).

Передача части внутренней энергии тела в термодинамическом процессе может происходить в форме теплоты или в форме работы.

Теплота, представляет собой одну из форм передачи части внутренней энергии от одного тела к другому и, одновременно, количество энергии, переданной данным способом. Характерной особенностью этой формы передачи энергии является то, что осуществляется она энергетическим взаимодействием между молекулами, участвующими в процессе тел, т.е. при этом отсутствует видимое движение тел.

Работа, являющаяся также одной из форм подачи части внутренней энергии, отличается от теплоты тем, что эта форма связана с видимым, направленным движением тел. Работа, так же как и теплота, представляет собой часть внутренней энергии тел, передаваемой в термодинамическом процессе.

По принятому в термодинамике условному правилу считается, что если энергия в форме работы отводится от тела, то при этом тело совершает положительную работу, и наоборот, если к телу подводится энергия в форме работы, то работа совершается над телом и эта работа считается отрицательной.

Теплота, так же как и работа, является функцией термодинамического процесса.

Далее рассмотрим второй закон термодинамики.

Важнейшим событием в истории термодинамики явилась публикация сочинения французского физика и инженера Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», первое издание которого появилось в 1824 году. Именно в этом труде впервые появилось упоминание второго начала термодинамики. Далее идеи Карно развили Томпсон и Клаузиус.

В применении к задачам технической термодинамики второй закон термодинамики может быть сведен к следующему положению: невозможно осуществить цикл в результате только подвода теплоты к рабочему телу или только отвода от него.

Первый закон термодинамики отмечает возможность перехода теплоты в работу и определяет их количественную зависимость, но не касается условий, при которых возможен переход теплоты в работу. Второй закон термодинамики устанавливает эти условия. Условиями перехода теплоты в работу является наличие холодильника наряду с наличием источника теплоты, т.е. наличие температурного перепада.

Разные авторы дают различные формулировки второго закона термодинамики в зависимости от того, куда они его применяют (их множество). Формулировка второго закона термодинамики применительно к тепловым двигателям гласит, что нельзя построить «вечный двигатель второго рода», т.е. двигатель, который бы полностью преобразовывал подведенную теплоту в работу.

Итак, в результате действия второго закона термодинамики в прямом цикле только часть теплоты, подводимой к рабочему телу, превращается в работу. Для оценки экономичности цикла используют отношение работы за цикл к подводимой теплоте.

Это отношение называют термическим коэффициентом полезного действия цикла (термическим к.п.д. Цикла).

Обратные или холодильные циклы используются для переноса теплоты от тел менее нагретых к более нагретым. Этот процесс, согласно второму закону термодинамики, не может протекать без затраты работы.

В качестве основной характеристики эффективности обратных циклов принимается величина так называемого холодильного коэффициента, равного отношению теплоты, отводимой от охлаждаемого тела, к затраченной для этого работе

Машины, основным продуктом производства которых является теплота, передаваемая в источник ограниченной емкости, называются тепловыми насосами. Эффективность работы в этом случае оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение теплоты, переданной потребителю, к затраченной работе.

В цикле теплового насоса теплота отбирается от источника неограниченной емкости (например, атмосфера).

В термодинамике рассматриваются идеальные циклы, поэтому они только условно могут характеризовать работу реальных тепловых двигателей или тепловых установок. Несмотря на это, исследование их экономичности имеет большое значение. Термические к.п.д. этих циклов оказывают решающее влияние на общую экономичность установок.

Циклы, так же как и разомкнутые термодинамические процессы, могут быть обратимыми циклами и необратимыми циклами.

Для необратимости цикла в целом достаточно, чтобы процесс протекал необратимо хотя бы на части цикла.

При осуществлении обратимого цикла будет получена максимальная полезная работа и она всегда будет больше работы необратимого цикла, протекающего в той же системе, в какой протекал обратимый цикл. При этом в обратимом цикле большая часть подведенной к рабочему телу теплоты будет превращена в полезную работу. Таким образом, у обратимого цикла, по сравнению с необратимым, термический коэффициент полезного действия будет выше.

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно.

Теперь подробнее о цикле Карно.

В развитии теории термодинамики большое значение имеет цикл максимальной экономичности в системе, имеющей только два источника теплоты различных постоянных температур. Впервые такой цикл предложил французский инженер Сади Карно в 1824 году.

Теорема Карно. Термический к.п.д. цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а зависит от температур источников тепла, между которыми совершается цикл.

Согласно сформулированной выше теореме Карно, термический к.п.д. цикла Карно будет одинаков как для идеального газа, так и для любого реального рабочего тела (газ, пар).

Запишем формулы для определения КПД цикла Карно.

ñ Термический к.п.д. цикла Карно зависит от значений абсолютных температур источника теплоты и холодильника.

ñ Чем больше эта разность, тем выше термический к.п.д. цикла Карно.

Далее изучим циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Запишем общие положения:

Так как рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания включают в себя процессы, в течение которых меняется количество рабочего тела и его химический состав, то непосредственный термодинамический анализ этих процессов невозможен.

Поэтому в термодинамике рабочие циклы реальных двигателей заменяют соответствующими идеальными циклами, предполагая, что химический состав рабочего тела в цикле не меняется ( идеальный газ). В таком цикле процессы сгорания топлива и выпуска продуктов сгорания заменяют соответствующими процессами подвода и отвода теплоты.

Очевидно, что идеальный термодинамический цикл не может быть осуществлен в реальном двигателе, даже если представить идеальные условия его работы. Принимается, что рабочим телом является 1 кг идеального газа и совершаемый в двигателе круговой процесс является замкнутым и обратимым.

В двигателях внутреннего сгорания применяют следующие циклы:

— цикл с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто), являющийся теоретическим циклом двигателей с низкой степенью сжатия (карбюраторные двигатели с искровым зажиганием);

— цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля), являющийся теоретическим циклом двигателей с высокой степенью сжатия (компрессорные дизели);

— цикл со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера), являющийся теоретическим циклом бескомпрессорных двигателей с высокой степенью сжатия.

Во всех ДВС отвод тепла от рабочего тела происходит по изохоре.

Перейдем к газотурбинным установкам.

Наиболее распространенным типом газотурбинных установок со сгоранием топлива при постоянном давлении являются установки с открытым циклом. В них сжигается жидкое или газообразное топливо.

Рассмотрим принцип действия:

Упрощенная схема наиболее простой энергетической установки с открытым циклом приведена на рисунке. В компрессор 2 поступает атмосферный воздух, который сжимается и подается в камеру сгорания 5, куда подается и топливо. Газы, образующиеся в результате сгорания топлива при постоянном давлении, имеют высокую температуру, поэтому в камеру сгорания воздух подается с большим избытком. Далее газы поступают в газовую турбину 1. Отработавшие газы удаляются в атмосферу. Турбина приводит в действие электрогенератор 3 и пускается в работу пусковым устройством 4.

Источник

Содержание:

Первый закон термодинамики:

При изучении физики в 9 классе вы узнали, что полная механическая энергия замкнутой системы тел сохраняется только при отсутствии трения, а при наличии трения она уменьшается. Куда девается механическая энергия? Если бутылку, заполненную до половины водой при комнатной температуре, встряхивать в течение нескольких минут, то окажется, что вода нагрелась на 1—2 °С. Каким образом нагрелась вода?

В середине XIX века известный английский физик Дж. Джоуль (1818— 1889), проведя многочисленные опыты, показал, что совершённая при перемешивании воды механическая работа практически равна увеличению её внутренней энергии. Опыты Джоуля, а также исследования немецкого врача и естествоиспытателя Р. Майера (1814—1878), немецкого профессора физиологии и одного из самых знаменитых физиков второй половины XIX века Г. Гельмгольца (1821 —1894) позволили сформулировать закон сохранения и превращения энергии, распространив его на все явления природы. Согласно этому закону при любых взаимодействиях материальных объектов энергия не исчезает и не возникает из ничего, она только передаётся от одних объектов к другим или превращается из одной формы в другую.

Для термодинамических систем (в термодинамике обычно рассматривают макроскопически неподвижные системы) закон сохранения и превращения энергии называют первым законом термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, приращение внутренней энергии термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое равно алгебраической сумме работы, совершённой внешними силами, и количества теплоты, полученного или отданного системой при взаимодействии с внешними телами:

Поскольку работа внешних сил равна работе, совершаемой термодинамической системой, взятой с противоположным знаком (

Если система представляет собой действующее устройство, периодически возвращающееся в исходное состояние, то при этом AU-0 и A-Q. Механизм, который мог бы совершать работу без изменения состояния составляющих его тел и без теплопередачи от внешних тел, называют «вечным двигателем первого рода». Поэтому первый закон термодинамики можно сформулировать и следующим образом: невозможен вечный двигатель первого рода, т. е. такой двигатель, который при неизменном значении собственной внутренней энергии совершал бы работу большую, чем энергия, получаемая им извне.

Применим первый закон термодинамики к различным изопроцессам, происходящим с идеальным одноатомным газом.

Изохорный процесс

Пусть идеальный одноатомный газ находится в цилиндрическом сосуде, закрытом неподвижным поршнем (V = const). Нагреем сосуд с газом. Объём газа остаётся практически постоянным (тепловым расширением сосуда пренебрегаем) (рис. 60), следовательно, работа силы давления газа А= 0. Тогда первый закон термодинамики примет вид
(11.З)

Это означает, что всё передаваемое газу количество теплоты идёт на увеличение его внутренней энергии. При этом приращение внутренней энергии газа (рис. 61, а). А если газ при изохорном

процессе отдаёт количество теплоты, то его внутренняя энергия убывает:

(рис. 61, б).

Изотермический процесс

Пусть цилиндрический сосуд с газом под поршнем находится в термостате — устройстве, в котором поддерживается постоянная температура. В этом случае внутренняя энергия идеального одноатомного газа остаётся постоянной, а её изменение Тогда первый закон термодинамики примет вид
(11.4)

Какие выводы следуют из этого? Если с помощью внешнего устройства медленно перемещать поршень в сосуде так, чтобы объём газа увеличивался (, поскольку ) (рис. 62), то работа силы давления расширяющегося газа А > 0 (рис. 63, а). При одинаковой первоначальной температуре термостата и газа теплопередачи не происходит. Положительная работа силы давления расширяющегося газа совершается за счёт уменьшения его внутренней энергии, а значит, и температуры. Тут же возникает теплопередача от термостата газу. При медленном перемещении поршня в сосуде температура газа успевает выравняться, а реально происходящий процесс близок к изотермическому процессу, при котором расширяющийся газ получает некоторое количество теплоты (Q > 0) от термостата.

Если же внешнее устройство обеспечивает медленное уменьшение объёма газа в сосуде (, так как ), то работа силы давления при сжатии газа А 0.

Изобарный процесс

Пусть газ находится в цилиндрическом сосуде, закрытом поршнем, который может свободно или под постоянной нагрузкой перемещаться (рис. 64). Нагреем газ, передав ему некоторое количество теплоты (Q > 0). Согласно первому закону термодинамики (11.2) переданное газу количество теплоты частично расходуется на увеличение внутренней энергии ) системы и частично идёт на совершение работы силой давления газа при его расширении (A>0)(рис. 65, a):

При изобарном процессе работа расширения (сжатия) газа , и первый закон термодинамики принимает вид

(11.5)

При изобарном сжатии газа внешние силы совершают работу А’ > 0. Чтобы давление газа при этом оставалось постоянным, газ необходимо охлаждать, т. е. он должен отдавать в окружающую среду некоторое количество теплоты (Q

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник