ЗАКРЫТЫЕ И ОТКРЫТЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

Всякий объект, состоящий из большого числа частиц, называется макроскопической системой. Размеры макроскопических систем значительно больше размеров атомов и молекул. Все макроскопические признаки, характеризующие такую систему макроскопическими параметрами. К их числу относятся плотность, объем, концентрация, поляризованность, намагниченность и т.д. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние. Величины, определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел, называются внешними параметрами, например напряженность силового поля, объем системы и т.д. Следовательно внешние параметры являются функциями координат внешних тел. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются внутренними параметрами, например энергия, давление, плотность, намагниченность, поляризованность и т.д. (так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов). Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояние системы, т.е. форму ее бытия. Величины не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент (т.е. совокупностью независимых параметров), называются функциями состояния. Состояние называется стационарным, если параметры системы с течением времени не изменяются. Если, кроме того, в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников, то такое состояние системы называется равновесным (состояние термодинамического равновесия). Термодинамическими системами обычно называют не всякие, а только те макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии. Аналогично, термодинамическими параметрами называются те параметры, которые характеризуют систему в термодинамическом равновесии. Внутренние параметры системы разделяются на интенсивные и экстенсивные. Параметры, не зависящие от массы и числа частиц в системе, называются интенсивными (давление, температура и др.). Параметры пропорциональные массе или числу частиц в системе, называются аддитивными или экстенсивными (энергия, энтропия и др.). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, в то время как интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы. По способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются:

1. Замкнутая (изолированная) система - это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией, ни веществом (в том числе и излучением), ни информацией.

2. Закрытая система – система, в которой есть обмен только с энергией.

3. Адиабатно изолированная система - это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты.

4. Открытая система - это система, которая обменивается и энергией, и веществом, и информацией.

Первое начало термодинамики устанавливает что внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий.

В термодинамике рассматриваются два типа внешних взаимодействий: воздействие, связанное с изменением внешних параметров системы (система совершает работу W ), и воздействие не связанные с изменением внешних параметров и обусловленные изменением внутренних параметров или температуры (системе сообщается некоторое количество теплоты Q ). Поэтому, согласно первому началу, изменение внутренней энергии U₂-U₁ системы при ее переходе под влиянием этих воздействий из первого состояния во второе равно алгебраической сумме Q и W, что для конечного процесса запишется в виде уравнения U₂ – U₁ = Q – W (14.5.)

или Q = U₂ – U₁ + Q. (14.6.)

Первое начало формируется как постулат и является обобщением большого количества опытных данных. Для элементарного процесса уравнение первого начала такого: δ Q = δ U + δ W. (14.7.)

.δ Q и δ W не являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования. Зависимость Q и W от пути видна на простейшем примере расширение газа. Из первого начала термодинамики следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии, или за счет сообщения системе количества теплоты. В случае если процесс круговой, начальное и конечное состояние совпадают U₂- U₁ = 0 и W = Q, то есть работа при круговом процессе может совершаться только за счет получения системой теплоты от внешних тел.Первое начало можно сформулировать в нескольких видах:

1. Невозможно возникновение и уничтожение энергии

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения

3. Внутренняя энергия является однозначной формой состояния

4. Вечный двигатель первого рода невозможен

5. Бесконечно малое изменение внутренней энергии является полным дифференциалом.

6. Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса.

Первый закон термодинамики, постулируя закон сохранения

энергии для термодинамической системы, не указывает направление происходящих в природе процессов. Направление термодинамических процессов устанавливает второе начало термодинамики.

 

КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС (ЦИКЛ).

Рис. 93. Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd.

Круговым процессом (циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения

(1 — 2) и сжатия (2 — 1) газа. Работа расширения положительна, работа сжатия отрицательна.

Работа, совершаемая газом за цикл, определяется площадью,

охватываемой замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа A = ò pdV > 0, (14.8.)

то он называется прямым, если же за цикл совершается отрицательная работа

A = ò pdV < 0, (14.9.)

то он называется обратным. Прямой цикл используется в тепловых двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл используют в холодильных машинах — периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю. Первое начало термодинамики для кругового процесса Q = DU + A = A, т.е. работа, совершаемая за цикл, равна количеству полученной из вне теплоты. В результате кругового процесса система может и получать, и отдавать теплоту, поэтому Q = Q₁ - Q₂, где Q₁ - количество теплоты, полученной системой, Q₂ - количество теплоты, отданное системой. Коэффициент полезного действия для кругового процесса h = A/Q₁ =(Q₁ - Q₂)/Q₁. (14.10.)

Рис. 94. Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.

ЦИКЛ КАРНО.

Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода — периодически действующий двигатель, совершающий рабо­ту за счет охлаждения одного источника теплоты, — невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя (исторически второе начало термодинамики и возникло из анализа работы тепловых двигателей).

Принцип действия теплового двигателя. От термостата* с более высокой температурой Т₁ , называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁ , а термостату с более низкой температурой Т₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂ , при этом совершается работа А = Q₁ – Q₂.

*Термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами без измене­ния температуры.

 

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя был равен 1, необходимо выполнение условия Q₂ = 0, т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Taк, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно (1796 — 1832) показал, что для работы теплового двигателя необ­ходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Рис. 95.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холо­дильной машине, принцип действия которой представлен на рис.. Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т₂ отнимается количество теплоты Q₂ и от­дается термостату с более высокой температурой Т₁ количество теплоты Q₁ . Для кругового процесса, Q=A , но, по условию,

Q = Q₂ – Q₁< 0, поэтому А< 0 и Q₂ – Q₁= –А, или Q₁ = Q₂ + A , т. е. количество теплоты Q₁ , отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T₁ больше количества теплоты Q₂, полученного от источника теплоты при более низкой температуре T₂, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т. е. этот переход не является единст­венным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих оди­наковые температуры нагревателей (T₁) и холодильников (T₂), наибольшим к. п. д. обладают обратимые машины; при этом к. п. д. обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (T₁) и холодильников (T₂), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами), а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Его называют циклом Карно.

Циклом Карно - это круговой процесс, при котором работа, совершаемая тепловым двигателем за счет внешней теплоты, максимальна.

Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Для получения цикла Карно необходимо иметь нагреватель (тело, отдающее теплоту), холодильник (тело, принимающее теплоту) и рабочее тело (газ), посредством которого происходит передача теплоты от нагревателя к холодильнику.

Первая теорема Карно: К.П.Д. теплового двигателя, работающего по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя (Т₁) и холодильника (Т₂), но не зависит от свойств рабочего тела и конструкции двигателя: h = (Т₁ - Т₂)/T₁ = 1 -(T₂/T₁). (14.11.)

Рис.96. Цикл Карно.

Вторая теорема Карно: В термодинамике наибольшим К.П.Д. обладает цикл Карно.

Вторая теорема Карно дает верхний предел КПД любой реальной тепловой машины. Прямой цикл Карно лежит в основе работы тепловых двигателей, а обратный цикл холодильных машин.

Цикл Карно изображен на рис.73, где изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1—2 и 3—4, а адиабатические расширение и сжатие — кривы­ми 2—3 и 4—1. При изотермическом процессе U=const, поэтому, количество теплоты Q₁, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения А₁₂ , совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2: А₁₂ = (m/M)RT₁ln(V₂/V₁) = Q_1.

При адиабатическом расширении 2—3 теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения А₂₃ совершается за счет изменения внутренней энергии: А₂₃ = -(m/M)C_v (T₁ – T₂)_.

Количество теплоты Q₂, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия А₃₄: А₃₄ = (m/M)RT₂ ln(V₄ /V₃ ) = Q _2.

Работа адиабатического сжатия А₄₁ = -(m/M)C_v (T₁ – T₂) = - А_23.

Работа, совершаемая в результате кругового процесса,

А = А₁₂ + А₂₃ + А₃₄ + А₄₁ = Q ₁ + А₂₃ - Q ₂ - А₂₃ - Q _2. = Q ₁- Q _2.

и, как можно показать, определяется площадью, заштрихованной на рис. Термический к. п. д. цикла Карно, η = А/Q ₁ = (Q ₁- Q _2.)/Q _1.

Применив уравнение для адиабат 2—3 и 4—1, получим

T₁ V₂^{γ -1} = T₂ V₃^{γ -1}, T₁ V₁^{γ -1} = T₂ V₄^{γ -1}, о ткуда V₂/ V₁ = V₃/ V₄,

И получаем

η =(Q₁-Q₂)/Q₁=[(m/M)RT₁ ln(V₂ /V₁)-(m/M)RT₂ln(V₄/V₃)]/[(m/M)RT₁ln(V₄ /V₃)]

= (T₁ - T₂)/T_1.

т. е. для цикла Карно к. п. д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Например, при T₁ = 400 К и T₂ = 300 К h = 0, 25. Если же температуру нагревателя повысить на 100 К, а температуру холодильника понизить на 50 К, то

h = 0, 5. К. п. д. всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.

Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу, например системе отопления. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть — получается за счет механической работы, производимой, например, компрессором.

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. ОТКРЫТЫЕ ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ БИЗНЕСА (open corporation, mutual, non-profit organization, political firm)
2. Базы данных. Использование ЭВМ для хранения неструктурированной (текстовой) информации. Информационно-поисковые системы.
3. Валюта и ее виды. Эволюция мировой валютной системы. Система плавающих валютных курсов
4. Виды вопросов (открытые, закрытые, альтернативные) и их роль в общении.
5. Внешняя среда как продукт самореференции системы.
6. Вопрос №6: Понятие логистической системы. Свойства логистической системы.
7. ГЛАВА VI. ОТКРЫТЫЕ И ЗАКРЫТЫЕ ЗАСЕДАНИЯ СОВЕТА
8. Демиелинизирующие заболевания нервной системы. этиопатогенез. острый рассеяный энцефаломиелит.
9. ЗАКРЫТЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА
10. Звук шагов тонул в зелено-красном ковре, змеей тянувшемся вдоль коридора. Закрытые дубовые двери без табличек с указанием хозяев.
11. Зрительная сенсорная система. Фоторецепция. Световая адаптация. Проводниковый и корковые отделы зрительной сенсорной системы. Центры зрения. Цветовосприятие и его нарушения. Роль движений глаз.