I закон термодинамики закон превращения и сохранения энергии

1 Предмет технической термодинамики. Параметры состояния рабочего тела. Уравнения состояния идеального газа. Термодинамический процесс. Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств). ^ Термодинамическая система Техническая термодинамика (т/д) рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях. Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики: I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии; II закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц. Техническая т/д, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т.п. Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что находится вне системы называется окружающей средой. Т/д система это совокупность макроскопических тел, обменивающиеся энергией друг с другом и окружающей средой. Например: т/д система – газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда – цилиндр, поршень, воздух, стены помещения. Изолированная система - т/д система не взаимодействующая с окружающей средой. Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой. Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства. Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы). Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар). В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел – газ, пар. ^ Параметры состояния Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – уд. объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р). Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.υ = V / m , [м3/кг] , (1.1)Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.ρ = m / V , [кг/м3] , (1.2) υ = 1 / ρ ; ρ = 1 / υ ; υ • ρ = 1 . (1.3)Давление – с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.Р = F / S ; [Па] = [Н/м2] (1.4)Внесистемные единицы давления: 1 кгс/м2 = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст. 1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см2 = 98,1 кПа. 1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст. 1 ат. = 0,968 атм. 1 мм.рт.ст. = 133,32 Па. 1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 105 Па. Различают избыточное и абсолютное давление. Избыточное давление (Ри)– разность между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды. Абсолютное давление (Р)– давление отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является т/д параметром состояния. Абсолютное давление определяется: 1). При давлении сосуда больше атмосферного:Р = Ри + Ро ; (1.5)2). При давлении сосуда меньше атмосферного:Р = Ро + Рв ; (1.6)где Ро – атмосферное давление; Рв – давление вакуума. Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем вышетемпература тела. За т/д параметр состояния системы принимают термодинамическую температуру (Т), т.е. абсолютную температуру. Она всегда положительна, При температуре абсолютного нуля (Т=0) тепловые движения прекращаются и эта температура является началом отсчета абсолютной температуры. ^ Уравнение состояния и термодинамический процесс Основные т/д параметры состояния Р, υ, Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаня между собой определенным математическим уравнением, который называется уравнением состояния:f (Р, υ, Т) = 0 . (1.7) Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, υ и Т и все другие физические свойства одинаковы. Совокупность изменений состояния т/д системы при переходе из одного состояния в другое называется т/д процессом. Т/д процессы бывают равновесные и неравновесные. Если процес проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы являются неравновесными. Если при любом т/д процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т.д. Интенсивные параметры – это параметры не зависящие от массы системы (давление, температура). Аддитивные (экстенсивные) параметры – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (Объем, энергия, энтропия и т.д.). ^ 2.Первый закон термодинамики. Работа, теплота, внутренняя энергия, энтальпия Теплота и работа Тела, участвующие при протекании т/д процесса обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами. 1-й способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем э/м волн. При этом энергия передается от более нагретого к менее нагретому. Количество энергии, переданной 1-м способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты – Q [Дж], а способ – передача энергии в форме теплоты. 2-й способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, То есть передачи энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой – L [Дж], а способ передача энергии в форме работы. Количество энергии, полученное телом в форме работы называется работой совершенной над телом, а отданную энергию – затраченной телом работой. Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. зависят от характера т/д процесса. ^ Внутренняя энергия В общем случае внутренней энергией называется совокупность всех видов энергий, заключенной в теле или системе тел. Эту энергию можно представить как сумму отдельных видов энергий: кинетической энергии молекул (поступательного и вращательного движения молекул); колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии молекул. В технической термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенциальная составляющие внутренней энергии. При этом знание абсолютных значений внутренней энергии не требуется. Поэтому внутренней энергией для идеальных газов называют кинетическую энергию движения молекул и энергию колебательных движений атомов в молекуле, а для реальных газов дополнительно включают потенциальную энергию молекул. Внутренняя энергия (U) является функцией двух основных параметров состояния газа, т.е. U = f (P,T), U = f (υ ,T) U= f (P,υ). Κаждому состоянию рабочего тела (системы) соответствует вполне определенное значение параметров состояния, то для каждого состояния газа будет характерна своя однозначная, вполне определенная величина внутренней энергии U. То есть U является функцией состояния газа. И разность внутренних энергий для двух каких-либо состояний рабочего тела или системы тел не будет зависит от пути перехода от первого состояния во второе. ^ Первый закон термодинамики Первый закон термодинамики является основой термодинамической теории и имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов. Этот закон является законом сохранения и превращения энергии: ¦"Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит ¦из одного вида в другой в различных физических процессах". ^ Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии т/д системы: ¦"Теплота, подведенная к системе, расходутся на изменение энергии ¦системы и совершение работы". ^ Уравнение первого закона термодинамики имеет следующий вид: Q = (U2 – U1) + L , (2.1)где Q - количества теплоты подведенная (отведенная) к системе; L - работа, совершенная системой (над системой); (U2 – U1) - изменение внутренней энергии в данном процессе. Если: Q > 0 – теплота подводится к системе; Q < 0 – теплота отводится от системы; L > 0 –работа совершается системой; L < 0 – работа совершается над системой. Для единицы массы вещества уравнение первого закона термодинамики имеет вид:q = Q /m = (u2 – u1) + l . (2.2) В дальнейшем все формулы и уравнения будут даны в основном для единицы массы вещества. 1-й закон т/д указывает, что для получения полезной работы (L) в непрерывно действующем тепловом двигателе надо подводить (затрачивать) теплоту (Q). Двигатель, постоянно производящий работу и не потребляющий никакой энергии называется вечным двигателем I рода." Из этого можно высказать следующее определение 1-го закона термодинамики: " Вечный двигатель первого рода невозможен". Энтальпия Рассмотрим полную энергию газа, находящегося под давлением Р , создаваемым грузом массой . В этом случае полная энергия системы состоит из внутренней энергии газа U и потенциальной энергии груза, равной , где - площадь поперечного сечения поршня. Т. е. . Величина , зависящая от сил, действующих на поршень, получила название потенциальной энергии давления. Таким образом, если газ находится в среде с давлением P , то с любым состоянием его связана некоторая энергия , получившая название энтальпии газа в данном состоянии. Выражение энтальпии для 1 кг газа (т. е. удельной энтальпии) имеет вид . Следовательно, удельная энтальпия, будучи зависимой от параметров состояния u,p , и v , также является параметром состояния. Поэтому изменение , как и изменение , не зависит от характера процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями, т. е. . Как однозначная функция состояния удельная энтальпия может быть представлена в виде функции любой пары основных параметров состояния. Удельная энтальпия идеального газа, как и его удельная внутренняя энергия, является функцией только температуры. Действительно: . Удельная энтальпия, как и удельная внутренняя энергия, выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг). ^ 3 Вывод 1закона через энтальпию, через энтропию Энтальпия Ранее была приведена так называемая интегральная форма записи первого закона (1), согласно которой для произвольного количества вещест Для 1 кг вещества: Дифференциальная форма записи уравнения первого закона при анализе термодинамических процессов часто оказывается более удобной. Уравнение первого закона термодинамики можно представить в другом виде. К выражению прибавим и вычтем слагаемое Vdp: Последнее слагаемое представляет собой элементарную располагаемую работу. Функцию измеряемую в Дж, в термодинамике называют энтальпией. Энтальпия, отнесенная к 1 кг называется удельной энтальпией. Входящие в выражение (19) величины u, p, υ являются параметрами состояния, поэтому и сама энтальпия также будет параметром (функцией) состояния. Тогда аналитические выражения для первого закона примут вид: Записывая последнее выражение для изобарного процесса p=const, получаем: т.е. изменение энтальпии численно равно количеству теплоты, подводимому к системе в изобарном процессе. Тогда можно записать: В заключение следует отметить, что общее уравнение первого закона термодинамики

Похожие:

	Закон термодинамики примениние закона для изобарно-изотермических процессов Хим. Термодинамика-часть термодинамики,которая рассматривает превращения энергии и работы при химических реакциях		Закон сохранения энергии в механике. Внутренняя энергия. Общефизический закон сохранения энергии Перечень вопросов является основой для составления билетов к зачётам и экзаменам
	Обмен и баланс энергии в организме и их регуляция. Характеристика... Обмен энергии тесно связан с обменом веществ. При этом справедлив закон сохранения и превращения энергии. Энергия пищевых веществ...		Закон сохранения массы Химия это наука, изучающая вещества, их состав, строение, свойства и взаимные превращения
	Закон сохранения жизни Ю. Н.   Куражковского: «Жизнь может существовать... Понятие «среда обитания». Закон сохранения жизни Ю. Н. Куражковского. Понятие об основах взаимодействия человека со средой обитания....		Закон термодинамики Внутренняя энергия – полная энергия системы без потенциальной энергии, обусловленной положением системы в пространстве и без кинетической...
	Закон сохранения электрического заряда Электростатика. Эл заряд. Точечный заряд. Закон сохр заряда. Закон Кулона в вакууме. Принцип суперпозиции сил		Чтоб понять, что такое эгрегор, надо для начала принять простую вещь/явление Энергии. Но Энергия никуда не исчезает и закон сохРАнения Энергии гласит: "Энергия изолированной (замкнутой) системы сохраняется...
	А Закон о рекламе б Закон о связях с общественностью в Закон о маркетинге г Закон о ребрендинге Втупительный тест в российскую ассоциацию студентов по связям с общественностью (рассо)		История политических и правовых учений Он считал, что любой закон, принятый в надлежащем порядке, необходимо исполнять, даже если этот закон будет не справедлив. Закон...