Потенциальная (техническая) работа

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 15Следующая ⇒

Потенциальной (технической) работой называется работа по перемещению сплошных масс (газа, пара или жидкости) из области одного давления (p₁) в область другого давления (p₂), т.е. потенциальная работа - это работа обратимого изменения давления.

Элементарная потенциальная работа простого тела определяется из соотношения

. (11)

Удельная потенциальная работа в элементарном процессе определяется по формуле

. (12)

Для определения интегральных значений полной ( ) или удельной ( ) работы надо знать уравнение процесса изменения состояния рабочего тела или его графическое изображение в диаграммах состояния р–V или р–v.

Как следует из соотношений (11), (12), работа определяется в координатах р–V площадью между кривой процесса и осью абсцисс независимо от вида рабочего тела и его свойств (рис. 2).

Рис. 2. Потенциальная работа обратимого изменения давления

В частном случае для изохорного процесса (v = idem) интегральные значения полной и удельной потенциальной работы определяются по следующим соотношениям:

;

. (13)

Потенциальная работа считается положительной при снижении давления ( )и отрицательной – при повышении давления ( ).

Потенциальная работа в обратимом процессе ( ) есть сумма эффективной работы и необратимых потерь работы

= + . (14)

Необратимые потери потенциальной работы ( ) превращаются в теплоту внутреннего теплообмена.

Эффективная термодинамическая работа ( ) простого тела в замкнутом пространстве и эффективная потенциальная работа ( ) потока непосредственно передаются внешней системе ( или ) и используются для изменения энергии внешнего положения тела (dE_cz)

= + dE_cz; = + dE_cz . (15)

В условиях механических процессов (dE_cz=G× c_Е× dc_Е+G× g× dz) уравнение распределения термодинамической и потенциальной работ формулируется следующим образом:

; (16)

, (17)

где c_E – скорость движения тела, dz – изменение высоты центра тяжести тела в поле тяготения.

Внутренняя энергия тела

Внутренняя энергия представляет собой полный запас энергии тела и состоит из энергии поступательного и вращательного движения молекул, энергии внутримолекулярных колебаний, потенциальной энергии сил сцепления между молекулами, внутримолекулярной энергии, внутриатомной энергии.

Внутренняя энергия U является функцией состояния, она не зависит от пути процесса, а ее элементарное изменение обозначается символом полного дифференциала (dU).

Внутренняя энергия измеряется в Джоулях (Дж), а удельная внутренняя энергия (u) - в Дж/кг.

Для простых тел внутренняя энергия определяется как функция двух переменных (р, T; р, v или T, v).

Теплота

Теплота - количество энергии, передаваемой от одного тела к другому посредством теплопроводности, конвективного или лучистого теплообмена. Процесс передачи теплоты называется теплообменом.

Количество теплоты , получаемое телом в результате теплообмена, зависит от вида термодинамического процесса и аналогично работе является функцией процесса. Поэтому, элементарное количество теплоты не является полным дифференциалом ( ).

Количество теплоты измеряется в Джоулях (Дж), а удельное количество теплоты = / в Дж/кг.

Теплоемкость

Теплоемкостью называется количество теплоты, которое надо сообщить единице массы, количества или объема вещества, чтобы его температура повысилась на 1 градус.

Различают массовую теплоемкостьс, измеряемую в Дж/(кг× К), молярную – Дж/(кмоль× К) и объемную с' – Дж/(м³× К).

Связь между массовой, молярной и объемной теплоемкостью представлена следующими соотношениями:

; . (18)

Теплоемкость газов зависит от термодинамического процесса, в котором подводится или отводится теплота. Если процесс задан условием
z = idem, то теплоемкость в этом процессе будет определяться следующим образом:

. (19)

Эта теплоемкость называется истинной.

Экспериментальное определение теплоемкости обычно проводится в двух процессах: при постоянном объеме (изохорная теплоемкость c_v ) и постоянном давлении (изобарная теплоемкость c_p).

Теплоемкость реального газа зависит от температуры и давления. Теплоемкость идеального газа зависит только от температуры.

Для практических расчетов вводится понятие средней теплоемкости в интервале температур от t₁ до t₂, значение которой принимается неизменной для всего рассматриваемого интервала температур (с_zm).

Из уравнения (19) следует, что количество теплоты, подведенной к телу (или отведенной от него) в процессе 1–2 (изобарном или изохорном), определяется соотношением

. (20)

Отсюда следует выражение средней теплоемкости газа

. (21)

Для большинства газов значения средней теплоемкости в интервале температур от t₁ до t₂ приведены в специальных термодинамических таблицах.

Для некоторых газов в определенном интервале температур истинная теплоемкость изменяется по линейному закону

. (22)

Подставив это выражение (22) в уравнение (21), получим

, (23)

где с_zm называется первой средней теплоемкостью. Она численно равна истинной теплоемкости при среднеарифметической температуре процесса.

2. Физическое состояние вещества,
фазовая диаграмма чистого вещества

Различают три агрегатных состояния простых систем: твердое, жидкое и газовое.

С помощью фазовой диаграммы можно проследить переход тела из одного агрегатного состояния в другое. Рассмотрим диаграмму фазовых состояний чистого вещества (рис.3).

Рис. 3. Диаграмма фазовых состояний чистого вещества

Линии фазовых превращений (испарение - I, плавление - II,
сублимации - III) отображают термодинамическое равновесие двухфазных систем и делят диаграмму на области различных агрегатных состояний.

Фазами системы называются области, ограниченные поверхностями раздела. На линиях фазовых превращений существует однозначная зависимость между давлением и температурой. Эти линии пересекаются в тройной точке, где вещество одновременно находится в трех агрегатных состояниях. Параметры тройной точки принадлежат к термодинамическим константам вещества.

Энергетической границей между жидкостью и паром является теплота испарения, а между твердым телом и жидкостью – теплота плавления. Так как процессы испарения и плавления протекают при постоянной температуре, то теплоты испарения, плавления и сублимации есть теплоты изотермических превращений. Теплота фазового перехода обозначается символом .

Наибольший интерес для проведения технических расчетов в термодинамике представляютгаз ижидкость. При увеличении давления термодинамическое различие в их свойствах заметно уменьшается и в критической точке исчезает полностью.

Критические параметры являются важнейшими термодинамическими постоянными вещества. Понятие критической температуры введено
Д. И. Менделеевым. Критическая температура – это температура, при которой и выше которой газ никаким сжатием не может быть переведен в жидкое состояние. Критическое давление – это такое давление, при котором и выше которого жидкость невозможно перевести в газообразное состояние, а критический объемпредставляет собой максимальный объем данного количества вещества в жидком состоянии.

В закритической области ( ) вещество может находиться только в однофазном состоянии. Переход из состояния 1 в состояние 2 возможен кратчайшим путем по линии 1-2. Можно этот переход осуществить через закритическую область, то есть без изменения агрегатного состояния, например по линии (рис. 3).

Условным признаком непрерывности однофазного состояния вещества является возможность перехода его из любого однофазного исходного состояния в другое однофазное состояние путем непрерывных изменений параметров состояния, минуя фазовые энергетические барьеры.

Поэтому в принципе, для простых тел (однородных систем) должно существовать единое уравнение состояния , описывающее любое однофазное состояние вещества. Такого уравнения пока еще не получено. Ниже рассмотрим уравнения состояния идеальных и реальных газов.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒