Тема 89. Понятия о термодинамическом процессе. Рабочее тело, параметры его состояния. Закон идеальных газов.

Всякая тепловая машина приводится в действие вследствие происходящего в ней изменения состояния вещества, называемого рабочим телом или рабочим агентом. Совокупность тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии друг с другом и окружающей средой, называется термодинамической системой. Рабочее тело определяет тип и назначение тепловой машины. Так у поршневых двигателей внутреннего сгорания— продукты сгорания топлива.

В технической термодинамике в качестве рабочего тела принимается идеальный газ — условное газообразное вещество, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают.

Параметрами состояния газа - величины, характеризующие данное состояние газа: абсолютная температура, абсолютное давление, удельный объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия и др.

Абсолютное давление. Давление — физическая величина, характеризующая интенсивность сил, действующих по нормали к поверхности тела и отнесенных к единице площади этой поверхности. Барометрическое давление зависит от массы слоя воздуха.

Нормальное давление — это среднее значение давления воздуха за год на уровне моря, которое определяется ртутным барометром при температуре ртути 273 К.

Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объемах. Оно не зависит от состояния окружающей среды.

Манометрическим давлением называется разность между абсолютным давлением и барометрическим давлением, если первое больше второго.

Манометр — прибор, с помощью которого измеряют давление в закрытом сосуде, находясь вне этого сосуда, испытывает давление, как со стороны окружающей среды, так и со стороны сосуда. Полное или абсолютное давление газа в сосуде равно сумме манометрического давления и барометрического.

Вакуумметрическим давлением называется разность между барометрическим давлением и абсолютным давлением, если последнее меньше первого.

Удельный объем вещества — это величина, равная отношению его объема к его массе: ʋ = V /т, где m — масса вещества; V — объем вещества. Плотность вещества: ρ = m/V.

Законы идеальных газов

Закон Р. Бойлем, Э. Мариоттом pʋ =Т=const.

ʋ₂/ʋ₁ = p₁/p₂ и р₁ʋ₁=р₂ʋ₂ (при Т = const), где ʋ₁ и ʋ₂ — удельные объемы в начальном и конечном состояниях газа; р₁ и р₂ — соответствующие им давления.

Закон Гей-Люссак ʋ₂/ʋ₁ = Т₁/Т₂ при p=const

Гей-Люссак открыл свой закон, Шарль доказал, p₁/p₂= Т₁/Т₂ или р₂/Т₂= р₁/Т₁ (при ʋ = const)

Уравнение состояния идеальных газов, или уравнением Клайперона

pʋ = RT, где R – удельная газовая постоянная.

Теплоемкость газов

Количество теплоты (q), среднюю теплоемкость (с) газа в пределах от Т₁ до Т₂:

с = q/(T₂ – Т₁), следовательно, q = с(Т₂ – Т₁).

Теплоту можно подводить к рабочему телу различными способами.

1) при постоянном удельном объеме (изохорный способ), с_ʋ, (изохорная теплоемкость)

2) при постоянном давлении рабочего тела (изобарный способ), с_р (изобарная теплоемкость).

Первый закон термодинамики

В термодинамике принято следующее-

- теплоту Q считать положительной, если она подводится к газу и отрицательной, если она отводится;

- изменение внутренней энергии ∆U считать положительным, если температура газа растет, и отрицательным, если она падает;

- работу L считать положительной, если газ расширяется и отрицательной, если газ сжимается под действием внешних сил.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия состоит из внутренней кинетической энергии (хаотического движения частиц тела, с увеличением скорости которых возрастает) и внутренней потенциальной энергии (силы взаимодействия между частицами вещества).

Обратимые и необратимые процессы

Термодинамическим процессом называется последовательное изменение состояния рабочего тела, при котором параметры его состояния (все или некоторые) изменяются, а масса рабочего тела, совершающего процесс, остается неизменной.

Обратимыми называются процессы, в результате совершения которых в прямом и обратном направлениях термодинамическая система возвращается в исходное состояние.

Необратимым называется процесс, при котором система не возвращается в исходное состояние.

Все естественные самопроизвольные процессы необратимы. Обратимых процессов в природе не существует. Типичным примером необратимого процесса является процесс трения. Работа, затраченная на преодоление трения, превращается в теплоту.

Изохорный процесс

Изохорными называются процессы, протекающие при постоянном объеме. К таким процессам относятся нагревание или охлаждение газа в сосуде постоянного объема: ʋ - const.

В изохорном процессе вся подведенная теплота идет на увеличение внутренней энергии газа

Изобарный процесс

Изобарными процессами называются процессы, протекающие при постоянном давлении: р = const.

Изотермический процесс

Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре: Т = const Таким образом, в изотермическом процессе расширения вся подведенная теплота расходуется на внешнюю работу, а при изотермическом процессе сжатия внешняя работа полностью превращается в теплоту.