2.4. Перше начало термодинаміки. Тепловий баланс

Термодинаміка – один з найважливіших розділів фізики і фізичної хімії, предметом вивчення якого є:

а) основні співвідношення, що дозволяють розрахувати кількість виділеного або поглиненого тепла у фізичних і хімічних перетвореннях і виконану при цьому роботу;

б) виявлення можливого мимовільного плину процесів у певному напрямку, їх рівновага.

До цього слід додати, що термодинаміка досліджує також переходи енергії з однієї форми в іншу. Термодинаміка побудована на двох основних законах, які називаються першим і другим началом, і на постулаті Планка, який часто розглядають як третій закон термодинаміки.

Предметом хімічної термодинаміки служить термодинамічне розглядання явищ, що відносяться до області хімії. Уява про суть термодинамічного методу дозволяє екологу будь-якого профілю усвідомити його багаті можливості і більш обґрунтовано оцінювати розроблені і запропоновані до застосування технолого-екологічні рішення.

Одне з основних понять термодинаміки свідчить: у замкненій системі сума всіх видів енергії постійна, при їхньому взаємоперетворенні енергія не зникає і не створюється знову:

Q = ∆U + A, (2.27)

де Q – кількість повідомленій системі теплоти, Дж;

∆U = U₂ – U₁ – перетворення внутрішньої енергії;

A – сумарна робота, виконана системою, Дж.

Для кругового процесу завжди повинна дотримуватися рівність:

Q = A, (2.28)

Процеси, у яких бере участь система, можуть протікати при різних умовах. У багатьох процесах робота відбувається тільки проти зовнішнього тиску.

1. Ізобарний процес (p = const).

Якщо під впливом постійного зовнішнього тиску відбувається зміна об’єму від V₁ до V₂, то робота, чинена системою, буде рівна:

А = PdV (2.29)

Для n молей ідеального газу одержуємо наступне рівняння:

A = nP(V₂ – V₁) (2.30)

Враховуючи, що PV₂ = nRT₂ і PV₁ = nRT₁ тоді:

A = nR(Т₂ – Т₁) (2.31)

2. Ізохоричний процес (V = const).

У цьому процесі зміни тиску не відбувається dV = 0, тоді з рівняння (2.29) випливає, що А = 0.

3. Ізотермічний процес (Т = const).

Для ідеального газу, а так само і для реального, при невисоких тисках внутрішня енергія є тільки функцією температури. Тому при ізотермічних процесах U = const і має місце рівняння (2.28).

Враховуючи, що Q = A = PdV, підставивши рівняння Менделєєва-Клапейрона і тому що V₁/V₂ = P₂/P₁ одержимо:

A = nRТln(V₂/V₁) (2.32)

A = nRТln(P₂/P₁) (2.33)

Тепловий баланс – зіставлення приходу і витрати теплової енергії при аналізі теплових процесів. Складається як при вивченні природних процесів (тепловий баланс атмосфери, океану, земної поверхні та Землі в цілому і ін.), так і в техніці в різному тепловому обладнанні (казанах, парових і газових турбінах, печах та ін.).

Тепловий баланс складають у Дж або кДж на одиницю маси основної сировини або продукту. Рівняння теплового балансу виражають у такий спосіб:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ (2.34)

де: ліва частина – статті приходу;

права – статті витрати;

Q₁ – теплота вхідних в апарат продуктів;

Q₂ – теплота фізичних і хімічних перетворень;

Q₃ – теплота внесена (наприклад підігрів);

Q₄ – теплота вихідних з апарата продуктів;

Q₅ – втрати тепла в навколишнє середовище.

Теплота вхідних в апарат продуктів підраховується за рівняннями:

(2.35)