Основные законы термодинамики

Первый закон термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии

Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы, имеющим всеобщий характер. Этот закон гласит: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Иными словами, для любой изолированной системы (т. е. такой термодинамической системы, которая не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни работой, ни веществом) количество энергии, заключенное в этой системе, сохраняется неизменным.

Закон сохранения энергии был давно известен в механике применительно к механической (кинетической и потенциальной) энергии. После того как работами Джоуля и других ученых был установлен принцип эквивалентности теплоты и работы, закон сохранения был распространен на другие виды энергии и в соответствии с его содержанием стал называться законом сохранения и превращения энергии.

В настоящее время известны различные виды энергии — энергия теплового движения микрочастиц, составляющих тело, кинетическая энергия всего тела в целом, энергия гравитационного поля (в частности, потенциальная энергия тела, поднятого над землей), энергия электрического поля, энергия магнитного поля, энергия электромагнитного излучения, внутриядерная энергия и др. Закон сохранения и превращения энергии устанавливает однозначную связь между всеми видами энергии в процессе их взаимопревращений.

Закон сохранения и превращения энергии носит также название первого закона термодинамики.

Следует еще раз подчеркнуть, что первый закон термодинамики имеет всеобщий характер.

Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики, как уже сказано, характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны. Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону этих процессов. Первый закон термодинамики дает все необходимое для составления энергетического баланса какого-либо процесса. Однако он не дает никаких указаний относительно возможности протекания того или иного процесса. Между тем далеко не все процессы реально осуществимы.

Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики, так же как и первый закон, сформулирован на основе опыта.

В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым; этот достаточно очевидный вывод уже обсуждался нами в предыдущем параграфе. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями этой наиболее общей формулировки.

Р. Клаузиус в 1850 г. дал такую формулировку второго закона термодинамики: теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому.

В. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую формулировку: невозможно припомощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов.

М. Планк предложил формулировку: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий тепло в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы тепло от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы сформулированному ранее положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю — когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников).

Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой двигатель при наличии одного лишь источника тепла. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, В. Ф. Оствальд удачно назвал вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону сохранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго закона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно. Следует заметить, что существование вечного двигателя второго рода не противоречит первому закону термодинамики; в самом деле, в этом двигателе работа производилась бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, заключенной в тепловом источнике.

Следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов. Механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил и т. д. можно без остатка, полностью, превратить в тепло. Что же касается теплоты, то только часть ее может быть превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работы; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику.

Третий же закон термодинамики гласит о невозможности достижения абсолютного нуля, в связи с тем, что энтропия системы может стремится к нулю, но не может ему равнятся.

Физические принципы получения низких температур.

Фазовый переход.

Любое вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При определенных условиях возможно одновременное состояние вещества сразу в нескольких фазах. Например, в жидкой и газообразной, газообразной и твердой, твердой и жидкой фазах. В тройной точке вещество может находиться сразу в трех фазах.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовая диаграмма для чистых веществ показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Термодинамическая диаграмма состояния вещества.

На диаграмме кривая I обозначает равновесие пар-жидкость (кипение-конденсация), кривая II – равновесие жидкость - твердое вещество плавление - кристаллизация), III - равновесие твердое тело-пар (сублимация - десублимация), точка А – тройная точка.

Фазовые переходы сопровождаются процессами выделения или поглощения теплоты без изменения температуры рабочего вещества. В этом случае выделяемая или поглощаемая теплота фазового перехода расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. При выделении теплоты происходит нагрев какого-либо тела, помещенного в рабочее вещество. При поглощении теплоты, наоборот, от тела отнимается теплота и происходит его охлаждение.

К фазовым переходам с выделением теплоты относятся кристаллизация, конденсация, десублимация и др. Такие процессы в холодильной технике для получения низких температур не применяются.

Для получения температур ниже температуры окружающей среды используются фазовые переходы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К ним относятся плавление, кипение, испарение и сублимация.

Плавление.

Плавлением называется процесс фазового перехода рабочего вещества из твердого состояния в жидкое, при сообщении ему теплоты. Наиболее широко для получения низких положительных температур применяется водный лед. Его температура плавления при атмосферном давлении равна 0^оС, удельная теплота плавления составляет 334 КДж/кг. Недостатком охлаждения с помощью водного льда является невозможность получения отрицательных температур. Если кусочки водного льда смешать с какой-либо солью, то можно снизить температуру его плавления до отрицательных значений. Температура таяния льдосоляной смеси зависит от вида соли и ее концентрации. Так, например, добавление 20 % хлористого натрия позволяет снизить температуру плавления льда до - 13, 7^оС. Однако существует определенная концентрация соли, выше которой не происходит снижения температуры плавления смеси. Эта температура является самой низкой для данной смеси. С увеличением концентрации соли в воде температура плавления снижается. При какой-то определенной концентрации ξ Е наблюдается самая низкая температура плавления. Дальнейшее увеличение концентрации не приводит к снижению температуры плавления. Раствор состояния т. Е называется эвтектикой, а концентрация и температура эвтектическими.

В транспортных холодильных установках для охлаждения рефрижераторов применяется плавление эвтектического льда в зероторах. Эвтектический лед представляет собой замороженный водно-соляной раствор с криогидратной или эвтектической концентрацией соли. Температура плавления эвтектического льда, например, с солью СаCl₂ равна -55^оС.

Кипение.

Кипением называется процесс перехода рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости. Для осуществления процесса кипения необходимо постоянно подводить теплоту. Каждое вещество характеризуется определенной температурой кипения, которая зависит от давления в сосуде. Повышая или понижая давление можно изменять температуру кипения рабочего вещества.

Жидкости с низкими температурами кипения используются для получения холода в паровых холодильных машинах. Например, температура кипения хладона 22 при атмосферном давлении равна -41^оС, аммиака - -33^оС, хладона 142" В" - 9^оС.

Испарение.

Испарением называется переход рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное только с поверхности жидкости. В герметически закрытом сосуде между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие, то есть количество молекул вещества выходящих из жидкости в пар равно количеству молекул переходящих из пара в жидкость. Определенному давлению при этом соответствует определенная температура. Нарушение динамического равновесия приводит к процессам, стремящимся восстановить его вновь. Если из сосуда начать откачивать пар, то давление начнет уменьшаться и количество молекул выходящих из жидкости значительно превысит количество молекул переходящих из пара в жидкость. В этом случае теплота будет поглощается от самого рабочего вещества и температура жидкости понизится.

Сублимация.

Сублимацией называется переход рабочего вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Для получения низких температур чаще всего используется сублимация твердого диоксида углерода СО₂. Так как при сублимации он не образует жидкости, то его еще называют " сухим" льдом. Температура сублимации " сухого" льда при атмосферном давлении составляет -78, 5^оС, теплота сублимации равна 573 КДж/кг.

2.2. Дросселирование (Эффект Джоуля-Томсона).

Дросселированием называется процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через какое-либо местное сужение в канале. Этот эффект был открыт в 1852 году Д.Джоулем и В.Томсоном при изучении свойств реальных газов [6]. В качестве местных сопротивлений могут быть использованы: диафрагма, вентиль, капиллярная трубка, пористая перегородка и т.д.

Для примера можно рассмотреть процесс дросселирования при прохождении рабочего вещества через диафрагму, установленную в горизонтальной трубе постоянного сечения (рис.2.3). Процесс протекает без теплообмена с окружающей средой. По трубе площадью F перемещается рабочее вещество массой G. Давление, температура и удельный объем рабочего вещества до и после дросселирования соответственно равны Р₁, Т₁, v₁ и Р₂, Т₂, v₂, причем

Р₁ > Р₂.

Рисунок 2.3. Дросселирование.

За некоторый промежуток времени сечение 1-1 до диафрагмы переместится на расстояние s₁, сечение 2-2 после диафрагмы - на расстояние s₂. Для того чтобы переместить сечение 1-1 на расстояние s₁ необходимо совершить работу, равную

L₁ = Р₁s₁F = Р₁v₁G, (2.1)

где s₁F = v₁G = V₁ – объем рабочего вещества, вытесненного сечением 1-1 за данный промежуток времени через диафрагму.

Работа, совершенная потоком для перемещения сечения 2-2 за диафрагмой, соответственно определяется как

L₂ = Р₂v₂G, (2.2)

Работа, затраченная на преодоление сопротивления диафрагмы (работа проталкивания), равна разности полученных работ, т.е.

L = L₂– L₁ = P₂v₂G – P₁v₁G = G (P₂v₂ – P₁v₁) (2.3)

В процессе дросселирования без теплообмена с окружающей средой эта работа преобразуется в теплоту и передается самому рабочему веществу. Она может быть произведена только за счет уменьшения внутренней энергии системы и, следовательно:

L = u₁G – u₂G = G (u₁ – u₂) (2.4)

где u₁и u₂ – внутренняя энергия единицы массы рабочего вещества до и после диафрагмы.

Приравнивая между собой правые части уравнения 2.3 и 2.4 можно получить равенство:

G (P₂v₂ – P₁v₁) = G (u₁ – u₂) (2.5)

или после преобразования:

u₁ + P₁v₁ = u₂ + P₂v₂ (2.6)

Так как u₁+ P₁v₁ = h₁, а u₂ + P₂v₂ = h₂, то при дросселировании h₁ = h₂

Отсюда наглядно видно, что при адиабатном дросселировании значения энтальпий рабочего вещества до и после местного сопротивления одинаковы.

Однако в самом процессе дросселирования энтальпия может быть переменной.

Для идеального газа:

dh = 0; du = 0; dT = 0; p₁v₁= p₂ v₂.

Для реального газа внутренняя энергия зависит от объема, тогда:

dh = 0; du ≠ 0; dT ≠ 0; p₁v₁≠ p₂ v₂.

Эффективность процесса дросселирования определяется коэффициентом дросселирования α _h_, который равен:

Изменение температуры при дросселировании называется интегральным дроссельным эффектом или эффектом Джоуля-Томпсона

Отсюда:

если α _h > 0, то Т₂ – Т₁ < 0 – положительный дроссельэффект (охлаждение),

если α _h < 0, то Т₂ – Т₁> 0 – отрицательный дроссельэффект (нагрев),

если α _h = 0, то Т₂ = Т₁– инверсия (температура не изменяется).

Для большинства рабочих веществ, при дросселировании от нормальной температуры имеет место снижение температуры. Для некоторых веществ, таких как водород, неон, гелий, температура при дросселировании повышается, наблюдается отрицательный дроссельэффект.

Адиабатное расширение.

Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер.

По конструкции детандеры делятся на: осевые, центробежные, винтовые, поршневые.

В отличии от дросселирования при адиабатическом расширении температура любого рабочего вещества уменьшается (Р₁> P₂, T₁> T₂).

Эффективность адиабатного расширения определяется

коэффициентом адиабатного расширения:

При сопоставлении коэффициента адиабатного расширения и коэффициента дросселирования, запишем уравнение, т.к. удельный объём и теплоёмкость всегда положительны, то всегда α _s> α _h.

Рассмотрим два процесса в S, T-диаграмме:

Рисунок 2.4. Сравнение адиабатного расширения и дросселирования.

1-2 – процесс адиабатного расширения,

1-3 – процесс дросселирования.

Из рисунка видно, что Δ Т_s > Δ Т_h.

С точки зрения термодинамики процесс адиабатного расширения на много эффективней, чем процесс дросселирования. Но детандер представляет собой сложный механизм, понижающий надёжность работы холодильной машины, поэтому в действительных холодильных машинах процесс адиабатного расширения используют очень редко.

2.4 Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша).

В 1932 году французский ученый Жорж Ранк при испытании циклонного пылеуловителя обратил внимание на то, что температуры воздуха в центре и на периферии канала различны. В центральной части воздух был значительно холодней, чем около внутренней поверхности циклона. В то время на это открытие не обратили особого внимания и даже опровергали его. В 1946 немецкий ученый Р. Хильш опубликовал статью с подробным доказательством процесса температурного расширения в вихревой трубе, после чего эффект стал называться эффектом Ранка-Хильша.

Вихревой эффект заключается в том что при прохождении любого газа по любому каналу происходит разделение потоков: более горячий поток движется по периферии, а холодный поток сосредотачивается в центре, на оси канала. Чем больше турбулизация потока, тем эффективнее процесс температурного разделения.

В холодильной технике наиболее широко используется вихревая труба. Конструкция вихревой трубы чрезвычайно проста (см. рис. 2.5).

Рисунок 2.5.Конструкция вихревой трубы.

Она имеет цилиндрический корпус 1, сопло с тангенциальным вводом 2, дроссель 3 и диафрагму или трубу малого диаметра 4.

Сжатый воздух с температурой окружающей среды через сопло подается в трубу по касательной к внутренней поверхности корпуса. Поступивший воздух вращается, одновременно перемещаясь по длине трубы от сопла к дросселю. При вихревом движении воздуха в трубе происходит его температурное разделение. Более теплый поток перемещается к внутренней стенке корпуса, более холодный поток сосредотачивается у оси трубы. Теплый поток выводится за пределы вихревой трубы через дроссель, как правило, в атмосферу, а холодный поток направляется через диафрагму или трубу малого диаметра для охлаждения. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать, изменяя площадь проходного сечения дросселя.

Отношение массового расхода холодного потока G_х к общему расходу газа, поступившему в трубу G_об, называется массовой долей холодного потока и обозначается буквой μ, т.е.

Современные конструкции вихревых труб позволяют получить при расширении воздуха в вихревой трубе от давления 0, 4–0, 8 МПа (4–8 атм.) до атмосферного давления можно получить температуру холодного потока t_х = –2…–80^оС и температуру горячего потока t_г = 100…130^оС. Величина температурного перепада во многом определяется μ.

С точки зрения термодинамики необратимые потери при температурном разделении потоков в вихревой трубе предопределяют больше энергетических затрат, чем при адиабатном расширении, но меньше, чем при дросселировании. Полезно используется только 30% от всего потока.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒