1 законы термодинамики определение

Первый закон термодинамики

На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ?U внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ?U внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ?U своей внутренней энергии.

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

1. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,

Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (?U ? = const.

Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь ? = Cp / CV – показатель адиабаты, Cp и CV – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом. Для одноатомного газа

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний:

Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией. Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ?Q / T, полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ?Q = 0, энтропия в этом процессе остается неизменной.

Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия. Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.

Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером не квазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту. На рис. 3.9.3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде – вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ?U = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температура газа в начальном и конечном состояниях одинакова – точки на плоскости (p, V), изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.

Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.

www.its-physics.org

1. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики– изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенной к системе из вне и работе внешних сил действующих на нее:?U=Q+A.

Через внутреннюю энергию и работу: dq=du+pdV

Через энтальпию: dq=dh-Vdp

Второй закон термодинамики применительно к циклам. Энтропия.

Теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратное состояние.

Не вся теплота полученная от теплоотдачи, может перейти в работу, а только ее часть. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник.

Энтропия – это параметр состояния рабочего тела устанавливающий связь между количеством теплоты и температурой. S=Ms измеряется вДж/К.

Аналитически энтропия определяется следующим образом: dS=сигма q/T.

Круговые термодинамические процессы (прямые и обратные циклы). Цикл Карно. Термический КПД цикла.

?=q2/lц=q2/(q1-q2), ?-холод. Коэф.

Работа совершаемая из вне.

Невозможная самопроизв. Подача тепла от холодного к горячему.

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Работа совершаемая самой системой.

Теплоемкость. Определение Сp и Cv и связь между ними.

Теплоемкость – кол-во теплоты, которое необходимо сообщать телу, чтобы изменить его на 1 градус. физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты?Q, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры ?T.

— При постоянном обьеме,равная отношению кол-ва теплоты подведенной к телу в процессе при постоянном обьеме, к изменению температуры тела.

— При постоянном давлении, равная отношению кол-ва теплоты, сообщаемой телу в процессе при постоянном давлении, к изменению температуры телаdT.

Связь — Понятие теплоёмкости определено как для веществ в различных агрегатных состояниях (твёрдых тел, жидкостей, газов), так и для ансамблей частиц и квазичастиц (в физике металлов, например, говорят о теплоёмкости электронного газа).

Водяной пар является рабочим телом большинства тепловых механизмов. Газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере.

1-2 нагрев воды до кипения

3-4 перегрев пара

1-2 нагрев

ВНП- влажный насыщщеный пар

диаграмма водяного пара для паровых процессов и циклов теплоэнергетич установок.

Основные хар-ки водяного пара: насыщенный и перегретый пар, теплота парообразования.

Насы?щенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава [1] . Он имеет температуру зависящую от давления среды в которой происходит процесс кипения.

Перегре?тый парпар, нагретый до температуры, превышающей температуру кипения при данном давлении. Перегретый пар используется в циклах различных тепловых машин с целью повышения их КПД. Получение перегретого пара происходит в специальных устройствах — пароперегревателях.

Теплота парообразования вещества — количество теплоты, необходимое для перевода 1 моля вещества в состояние пара при температуре кипения. Измеряется в Джоулях.

Термодинамические процессы идеальных газов. Классификация, уравнение состояния, значение показателя “n” в обобщающем уравнении pv^n=const для основных процессов.

Основные процессы идеальных газов:

— Изохорный (протекающий при постоянном обьеме)

— Изобарный (при постоянном давлении)

— Изометрический (при постоянном t)

— Адиабатный (процесс, при котором отсутствует теплообмен с окружающей средой)

— Политропный (удовлетвор. уравнение pv^n=const

pv^n=const ; показатель политропы может принимать любое значение от

Термодинамический анализ процессов в компрессорах.

Терм. анализом компрессора является определенная работа, затрачиваемая на сжатие рабочего тела при заданных начальных и конечных параметрах. Обычно в компрессорах осуществляется политропное сжатие с показателем политропы n=1,2.

Виды и количественные хар-ки переноса тепла. Понятие теплоотдачи и теплопередачи.

Теплопрово?дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).

Конве?кция (от лат. convectio — «перенесение») — явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н.естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. Вынужденная – Сама вызывает движение среды.

Тепловое излучение – передача тепла с помощью электро магнитных колебаний с различной длиной волны. Актуально при высоких температурах.

[Дж] – кол-во тепла

[Дж/с] – тепловой поток

[Вт/м^2] – плотность теплового потока

Теплоотдача – передача тепла от среды к стенке или от стенки к среде.

Теплопередача – суммарная передача тепла от одной среды к другой.

Уравнение теплопроводности для плоской стенки. Физический смысл коэффициента теплопроводности.

Температура изменяется только в направлении по оси х.

Q=?/толщ.стенки * (tст1 – tст2) F * ?

? – коэф.теплопроводности матер.стенки

tст1 – tст2 – разность t поверх. стенки

F – поверхность стенки

? – коэф-т теплопроводности [Вт/м*К] – характеризует скорость передачи тепла.

Конвективный теплообмен: закон Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи и факторы, флияющие на его величину.

Конвективный теплообмен – обмен тепловой энергии между поверхностью твердого тела и окруж. ее средой.

Закон Нью?тона — Ри?хмана — эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.

Кол-во теплоты перед конвенцией рассчитывается по ур-ию теплоот. Ньютона-Рихмана Q=aF(tст – tж) а – коэф. теплоотдачи .

коэффициент теплоотдачи- плотность теплового потока при перепаде температур на 1K, измеряется в Вт/(м?·К).

от вида теплоносителя и его температуры;

от температуры напора, вида конвекции и режима течения;

от состояния поверхности и направления обтекания;

от геометрии тела.

Виды критериальных уравнений конвективного теплообмена. Физический смысл критериев подобия Nu, Re, Gr, Pr.

Nu = ?l/? Nu = f(Re1 * Pr) — критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью(газом);

Ест: Nu = f(Gr1*Pr) > Nu = C(Gr*Pr)^n

Вын: Nu = C * Re^n * Pr^m * (Prж/ Pr ст) Re = w·l/v , w – м/с, v – кинет. Вязкость, м/с, l – хар-ка разницы — критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа); Gr = gl 3 /? 2 * ?(tст – tж) ; ?= 1/Т[1/к ] — критерий Грасгофа( естественная конвекция), характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей; Pr = (М ·cp)/?; М – динамика вязкости; Ср — теплоемкость — критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости (газа);

l – определяющий размер (длина, высота, диаметр).

studfiles.net

Второй закон термодинамики (стр. 1 из 2)

План работы

Общая характеристика и формулировка второго закона термодинамики 4

Понятие энтропии_ 8

Список литературы_ 11

В настоящее время теплосиловые и тепловые установки получили широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. На промышленных предприятиях они составляют основную важнейшую часть технологического оборудования.

Наука, изучающая методы использования энергии топлива, законы процессов изменения состояния вещества, принципы работы различных машин и аппаратов, энергетических и технологических установок, называется теплотехникой. Теоретическими основами теплотехники являются термодинамика и теория теплообмена.

Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях.

Первый закон термодинамики характеризует и описывает процессы превращения энергии с количественной стороны и дает все необходимое для составления энергетического баланса любой установки или процесса.

Второй закон термодинамики, являясь важнейшим законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические процессы, устанавливает возможные пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение таких понятий, как энтропия, температура и т.д. В этой связи второй закон термодинамики существенно дополняет первый.

В качестве третьего начала термодинамики принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.

В теории теплообмена изучаются закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую. Процессы переноса теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты.

Общая характеристика и формулировка второго закона термодинамики

Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.).

Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа:

где l – конечная работа,

v1 и v2 – соответственно начальный и конечный удельный объем;

но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена.

Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле.

Каждый элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе или отводе теплоты dQ, сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии, но всегда при выполнении условия dQ= dU+ dL и dq= du+ dl, которое показывает, что без подвода теплоты (dq=0) внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом. Интегрирование по замкнутому контуру дает:

Здесь QЦ и LЦ — соответственно теплота, превращенная в цикле в работу, и работа, совершенная рабочим телом, представляющая собой разность |L1 | — |L2 | положительных и отрицательных работ элементарных процессов цикла.

Элементарное количество теплоты можно рассматривать как подводимое ( dQ>0) и отводимое ( dQ

mirznanii.com

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Login Form

Третий закон термодинамики

Подробности Категория: Термодинамика Опубликовано 06.01.2015 10:58 Просмотров: 9635

Третий закон, или третье начало термодинамики, называют также принципом Нернста.

Второй закон термодинамики позволяет определить не значение самой энтропии, а только лишь её изменение:

dS = ?Q/T.

Но абсолютное значение энтропии можно вычислить с помощью третьего закона термодинамики. При этом необходимо помнить, что этот закон можно применять только к равновесным состояниям термодинамической системы.

Третий закон термодинамики формулируется следующим образом: «Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система».

где х — любой термодинамический параметр системы (давление, объём и др.).

Теорема Нернста

Вальтер Герман Нернст

В 1906 г. немецкий химик Вальтер Герман Нернст опубликовал свою формулировку третьего закона термодинамики, которую называют теоремой Нернста. Он утверждал, что энтропия химически однородного тела при температуре, равной абсолютному нулю, также равна нулю.

Энтропия любой равновесной термодинамической системы при Т = 0 обозначается как S0. Учёные условились, что при Т = 0 S0 также равна нулю.

Согласно теореме Нернста «при стремлении температуры к абсолютному нулю (Т > 0 ) энтропия любой равновесной термодинамической системы стремится к определённому конечному пределу S0, не зависящему от параметров состояния (давления, объёма и др.) системы, и может быть принята равной нулю». Эта формулировка не единственная. Их существует несколько. Но смысл их всех одинаков: «энтропия любого тела при температуре абсолютного нуля также равна нулю».

Считается, что если термодинамическая система переходит из одного состояния в другое при температуре, близкой к абсолютному нулю, то энтропия не изменяется.

Определение Планка

В 1911 г. немецкий физик-теоретик Макс Планк дал своё определение третьего закона термодинамики: «При стремлении температуры к абсолютному нулю энтропия всех тел также стремится к нулю».

В формуле Планка энтропия вычисляется через термодинамическую вероятность W .

S = k·lnW

При температуре абсолютного нуля термодинамическая система находится в квантово-механическом состоянии, которое можно описать единственным микростоянием. В этом случае W = 1. S0 = k · ln1=0 .

Итак, энтропия термодинамической системы равна нулю при Т = 0. Примем это состояние за начальное. Теперь мы сможем вычислить энтропию в любой другой точке термодинамической системы. Так как S0 = 0, то энтропия в любой другой точке системы будет равна её абсолютному значению.

Чтобы охладить термодинамическую систему до абсолютного нуля, нужно отводить теплоту и уменьшать температуру системы. Теплота отводится в результате изотермического процесса, а температура уменьшается адиабатически. Следовательно, эти процессы нужно чередовать. Но если отводится теплота, то изменяется энтропия. Согласно теореме Нернста, изменения энтропии при Т > 0 не происходит. Поэтому абсолютного нуля достичь невозможно. К нему можно только приблизиться.

Теорему Нернста невозможно доказать математически, но её справедливость подтверждена многочисленными экспериментами.

ency.info

1.2. Законы термодинамики

Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы, сформулированые на основании обобщения результатов множества опытных исследований и открытий. Из этих законов, принимаемых за аксиомы; логическим путем получены все главнейшие следствия, касающиеся различных термодинамических систем, которые именуются н а ч а л а м и или з а к о- н а м и термодинамики.

1.2.1. Первый закон термодинамики

Абсолютный по своему существу, один из наиболее общих законов природы – закон сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону, энергия закрытой системы при любых процессах, происходящих в системе, остается неизменной. При этом энергия может только превращаться из одной формы в другую.

Первый закон термодинамики является частным случаем этого всеобщего закона и представляет собой его приложение к процессам в термодинамических системах. Он устанавливает возможность превращения различных форм энергии друг в друга и определяет, в каких количественных соотношениях эти взаимные превращения осуществляются.

Изменение энергии произвольной неизолированной системы может происходить в общем случае только за счет двух форм энергообмена – теплоты и работы:

где ? E – изменение энергии системы;

Q – теплота, подведенная к системе;

L – работа, совершенная над системой.

Согласно уравнению (1.12), изменение энергии термодинамической системы возможно за счет подведенной к системе теплоты и совершенной над системой работой.

Уравнение (1.12) представляет собой общее аналитическое выражение первого закона термодинамики. Выразим его через параметры состояния системы. Изменение энергии ?E получим из выражения (1.7):

?E = ?I + m ().

Для термодинамической системы, в которой разностью кинетической энергии можно пренебречь, изменение энергии системы будет равно изменению энтальпии, т.е. ?E = ?I. Тогда с учетом выражений (1.11) и (1.12) получим уравнение первого закона термодинамики в виде:

Теплота, подведенная к системе, идет на изменение энтальпии системы и совершение системой технической работы.

Заменим в уравнении (1.13) изменение энтальпии ?I изменением внутренней энергии DU и, используя выражение (1. 6), получим:

Уравнения (1.13) и (1.14) представляют собой интегральную форму записи первого закона термодинамики.

Из выражения (1.13) следует, что техническая работа может быть совершена термодинамической системой за счет уменьшения энтальпии и подведенной теплоты. Если процесс круговой, то ?I = 0, следовательно, в постоянно действующих машинах (в них процессы изменения состояния круговые) для получения технической работы необходимым условием является подведение теплоты.

Аналогичное рассуждение можно провести и по уравнению (1.14).

Термодинамическая система может совершить работу расширения только за счет уменьшения своей внутренней энергии или за счет подведенной теплоты. Если в результате процесса внутренняя энергия системы не изменяется (например, в системе не изменяется температура), то вся теплота, полученная системой от окружающей среды, идет на совершение работы:

Это выражение позволяет дать следующие формулировки первого закона термодинамики.

При неизменной внутренней энергии системы теплота и работа эквивалентны.

Вечный двигатель первого рода невозможен.

Предполагалось, что вечный двигатель первого рода должен только совершать работу над окружающей средой, ничего не получая от нее.

До сих пор рассматривались системы произвольной массы. Для анализа удобнее пользоваться величинами, приведенными к единице массы вещества. Запишем уравнения (1.13) и (1.14) для 1 кг массы:

Используя выражения (1.9) и (1.11), запишем полученные уравнения в дифференциальной форме:

Уравнения (1.17) и (1.18) представляют собой разновидность математической записи первого закона термодинамики в дифференциальной форме..

Значение первого закона:

во-первых, он формирует принцип устройства теплоэнергетических установок и систем;

во-вторых, он объясняет физическую сущность процессов, происходящих в тепловых машинах;

в-третьих, он используется при расчетах термодинамических процессов и позволяет оценить энергетический баланс тепловых машин.

1.2.2. Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики, являясь частным случаем закона сохранения и превращения энергии, рассматривает только его количественную сторону, заключающуюся в том, что при известном изменении энергии системы соотношение между теплотой и работой строго определенно. Этот закон не устанавливает направлений и полноты передачи энергии между телами, не определяет условий, при которых возможно преобразование теплоты в работу, не делает различий между их прямыми и обратными превращениями. Если исходить лишь из первого закона термодинамики, то правомерно считать, что любой мыслимый процесс, который не противоречит закону сохранения энергии, принципиально возможен и мог бы иметь место в природе. Ответ на поставленные вопросы дает второй закон термодинамики, который представляет собой совокупность положений, обобщающих опытные данные о качественной стороне закона сохранения и превращения энергии.

Многообразие особенностей взаимного превращения теплоты и работы, а также различные аспекты, в которых эти превращения рассматриваются, объясняют наличие нескольких, по сути эквивалентных, формулировок второго закона термодинамики.

Основные положения этого закона были высказаны французским инженером С. Карно (1824 г.). Карно пришел к выводу, что для преобразования теплоты в работу необходимы два источника теплоты с разной температурой. Само же название “Второй закон термодинамики” и исторически первая его формулировка (1850 г.) принадлежат немецкому физику Р. Клаузиусу:

“Теплота может переходить сама собой только от горячего тела к холодному; для обратного перехода надо затратить работу”,

Из этого утверждения следует, что для перехода теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой обязательно необходим подвод энергии от внешнего источника в какой-либо форме, например, в форме работы. В противоположность этому теплота от тела с большей температурой самопроизвольно, без затрат каких-либо видов энергии, переходит к телам с меньшей температурой. Это означает, в частности, что теплообмен при конечной разности температур представляет собой строго односторонний, необратимый процесс, и направлен он в сторону тел с меньшей температурой.

Второй закон термодинамики лежит в основе теории тепловых двигателей. Тепловой двигатель представляет собой непрерывно действующее устройство, результатом действия которого является превращение теплоты в работу. Так, чтобы создать тепловой двигатель, непрерывно производящий работу, необходимо, прежде всего, иметь тело, являющееся поставщиком энергии в форме теплоты. Назовем его и с т о ч н и к о м т е п л о т ы.

Обязательно наличие и другого тела, которое воспринимает от первого

энергию в форме теплоты, а отдает ее в форме работы. Это так называемое р а б о ч е е т е л о. Его роль выполняет какая-либо упругая среда (газ, пар). Подвод тепла и преобразование его в работу сопровождается изменением состояния рабочего тела. На рис. 1.6 покажем это изменение условно кривой процесса 1-а-2. Здесь изменяются параметры состояния и, прежде всего, объем рабочего тела, что приводит к совершению работы расширения. Для получения непрерывной работы требуется рабочее тело вернуть в первоначальное состояние по процессу 2-б-1. Таким образом

Рис. 1.6 для непрерывного преобразования теплоты в работу надо постоянно осуществлять этот замкнутый к р у г о в о й п р о ц е с с или ц и к л.

Круговым процессом, или циклом, называют совокупность термодинамических процессов, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в свое первоначальное состояние.

Чтобы замкнуть цикл, требуется затратить некоторое количество энергии, в данном случае в форме работы сжатия. Эта работа сжатия должна быть компенсирована путем отвода от рабочего тела эквивалентного ей количества теплоты. Следовательно, необходимо третье тело, которое воспринимает эту компенсацию. Назовем его т е п л о п р и е м н и к о м. Чтобы теплоприемник воспринял некоторое количество теплоты, его температура должна быть ниже температуры теплоисточника.

В результате выполненного таким способом цикла 1-а-2-б-1, изображенного на рис. 1.6, только часть теплоты Q1, полученной рабочим телом от теплоисточника, преобразовывается в работу, другая же часть этой теплоты Q2 обязательно отдается теплоприемнику.

В рассмотренной схеме непрерывно действующего теплового двигателя одно и то же рабочее тело постоянно участвует в круговом процессе. В циклах реальных двигателей рабочее вещество периодически обновляется, т.е. заменяет равным количеством “свежего” вещества. С термодинамической точки зрения замена рабочего вещества может рассматриваться как возращение рабочего тела в исходное состояние.

Таким образом, для непрерывного преобразования теплоты в работу нужны: источник теплоты; рабочее тело и теплоприемник, имеющий более низкую температуру, чем теплоисточник. Отвод некоторой части теплоты в теплоприемник является обязательным условием функционирования тепловых двигателей. Это условие изложено в следующих формулировках второго закона термодинамики:

“Невозможно построить периодически действующую машину, кото- рая не производит ничего другого, кроме работы и охлаждения источника теплоты” (В. Томсон).

“ Все естественные процессы являются переходом от менее вероятных к более вероятным состояниям” (Л. Больцман).

“Осуществление вечного двигателя второго рода невозможно”

Под “вечным” двигателем второго рода подразумевается такой тепловой двигатель, который мог бы совершать непрерывную работу, имеятолько один источник теплоты. Из второго закона термодинамики следует, что какой бы по величине тепловой энергией ни обладала система, при равенстве температур тел системы эту энергию нельзя преобразовать в работу. По этой причине оказались бесплодными попытки тысяч изобретателей “вечных” двигателей к совершению работы расширения.

Распределение энергии, полученной от теплоисточника, в тепловых двигателях схематично показано на рис. 1.7. Полезная работа, совершаемая 1 кг массы рабочего тела за цикл, равна разности работ расширения l расш и сжатия l сж , т.е.

Количественную связь между теплотой и работой для 1 кг рабочего тела в процессах расширения 1-а-2 и сжатия 2-б-1

(см. рис. 1.6) на основании первого закона термодинамики запишем уравнениями:

где q1 – количество теплоты, подведенного к 1 кг рабочего тела от теплоисточника;

q2 – количество теплоты, отведенного от

1 кг рабочего тела к теплоприемнику;

ней энергии 1 кг рабочего тела в процессахРис. 1.7

1-а-2 и 2-б-1, соответственно.

Вычтем второе уравнение из первого и получим:

Так как рабочее тело возвращается в исходное состояние, то изменение внутренней энергии за цикл будет равно нулю, т.е. ?u1-а-2-б-1= 0. В итоге с учетом выражения (1.19) получим:

Из (1.20) следует, что, во-первых, работа цикла совершается только за счет теплоты и, во-вторых, работа цикла равна теплоте, подведенной от теплоисточника, за вычетом теплоты, отведенной к теплоприемнику.

Долю полезно используемой теплоты оценивают т е р м и ч е с к и м

КПД цикла, который обозначают ? t .

Под термическим КПД понимают отношение теплоты, преобразо-

ванной в полезную работу цикла, ко всей подведенной теплоте:

? t = или ?t = 1 — . (1.21)

Из данных выражений следует, что чем меньше теплоы передается теплоприемнику, тем больше значение ?t. Это означает, что происходит более полное преобразование теплоты в работу.

Ввиду необходимости передавать часть энергии в форме теплоты теплоприемнику термический КПД любого цикла не может быть равен единице.

Таким образом, второй закон термодинамики устанавливает полноту преобразования теплоты в работу.

Кроме того, он указывает на качественное различие между теплотой и работой. Если работа может вся без остатка преобразовываться в теплоту, то теплота никогда полностью не может быть преобразована в работу.

Уникальным научным достижением явилось выражение этого качественного различия количественной величиной – э н т р о п и е й.

1.2.3. Энтропия. Математическое выражение второго закона

Энтропия” в переводе с греческого означает “поворот” или “превращение”. Сначала понятие энтропии было введено в науку формально. Р.Клаузиус (1854г.) показал, что для термодинамической системы существует некая функция S , приращение которой определяется выражением

(1.22)

Он назвал эту функцию энтропией. Позже, при рассмотрении большого числа задач, было выявлено физическое содержание энтропии.

Так как энтропия не поддается простому интуитивному представлению, попытаемся уточнить ее смысл путем сравнения с аналогичными величинами, более доступными для нашего понимания. Запишем выражение работы расширения в дифференциальной форме:

Здесь давление p является величиной необходимой, но не достаточной для совершения работы. Изменение же объема приведет к работе расширения. Объем в приведенном уравнении выполняет свойство достаточного параметра. Таким образом , судить о том, что совершена работа расширения или сжатия можно лишь по изменению объема.

Теперь запишем выражение (1.22) в виде:

Здесь температура является величиной необходимой, но еще не достаточной для того, что бы говорить о том, подводится тепло к системе или отводится от неё. Так, в адиабатном процессе система не обменивается теплотой с окружающей средой, а температура изменяется существенно. Остается один параметр, который должен обладать свойством достаточности, и этот параметр – энтропия. Только по изменению энтропии можно судить о теплообмене системы с окружающей средой. Отсюда

Энтропия есть калорический параметр состояния термодинамичес-

кой системы, характеризующий направление протекания процесса

теплообмена между системой и внешней средой.

Можно сказать, что энтропия – это единственная физическая величина, изменение которой в процессе однозначно указывает на наличие энергообмена в форме теплоты.

Выражение (1.22) устанавливает как качественную, так и количественную связь между теплотой и энтропией: если изменяется энтропия тела или системы, то в том и другом случае подводится энергия в форме теплоты; если энтропия неизменна, то процесс протекает без энергообмена в форме теплоты. Равенство (1.22) является аналитическим выражением второго закона термодинамики для элементарного равновесного процесса.

.Выражение (1.22) дает возможность установить единицу энтропии, которая равна Дж/К.

Абсолютное значение энтропии определяется с точностью до некоторой постоянной S0. Численное значение постоянной S0 на основе только первого и второго законов термодинамики не может быть определено. Однако это не накладывает ограничений на использование энтропии в расчетах. В практике, как правило, интерес представляет не абсолютная величина энтропии, а ее изменение, для которого численное значение постоянной S0 особой роли не играет. Поэтому часто величине придают произвольное значение для условно принятого, так называемого с т а н д а р т н о г о состояния тела. Если это стандартное состояние считать исходным и приписать ему значение энтропии S0, то для вычисления энтропии в состоянии а будет выражение:

Приведенное значение энтропии обозначают через s = S / m c единицей измерения Дж/(кг?К).

Выражение (1.22), записанное через приведенные значения, будет иметь вид:

. (1.23)

Энтропия, являясь калорическим параметром, обладает рядом свойств.

1. Энтропия является однозначной функцией состояния системы.

2. Энтропия, подобно внутренней энергии, является аддитивной величиной.

.

3.Для обратимых и необратимых процессов в термодинамической сис

теме изменение энтропии определяется уравнением:

, (1.24)

в котором знак равенства относится к обратимым процессам, знак ?больше? – к необратимым.

. Из выражений (1.24) следует, что энтропия изолированной системы может оставаться без изменения или возрастать, но не уменьшаться.

Введение понятия ‘энтропия’ дает возможность количественно оценить качественное различие между теплотой и работой. Для системы массой 1 кг получим уравнения, объединяющие аналитические выражения первого и второго законов термодинамики. Так, из выражений (1.23) и (1.19) следует:

ds = . (1.25)

Из равенств (1.23) и (1.18) получим:

ds = . (1.26)

Уравнения в виде (1.25) и (1.26) именуют т е р м о д и н а м и ч е с к и- м и т о ж д е с т в а м и. С их помощью в термодинамике устанавливается ряд особенностей систем, полнее раскрываются связи между физическими величинами в процессах.

Используя уравнение (1.25), установим максимально возможное количество технической работы, которую может совершить данная термодинамическая система, находящаяся в заданном начальном состоянии, если все совершаемые системой процессы обратимы и осуществляются до конечного состояния, равновесного с окружающей средой.

В термодинамике максимально возможную техническую работу системы называют э к с е р г и е й.

Обозначают эксэргию системы через Ex. За единицу эксэргии в СИ принят джоуль. Ее приведенное значение (ex = Еx/m) имеет единицу измерения Дж/кг.

В закрытой термодинамической системе при преобразовании теплоты в работу по циклу Карно можно принять ex = l ц . Тогда, при отводе тепла от источника с температурой T1 в окружающую среду с температурой T0 вправе записать ex = q·t = q (1 ). Определим условия, при которых эти преобразования дадут максимально возможную работу в других циклах.

Пусть начальное состояние системы характеризуется точкой а, рис.1.8. При взаимо-действии с окружающей средой состояние с

истемы стремится к равновесному, обозначенному точкойо. Процесс а-о не что иное, как переход системы из начального в равновесное состояние. Будем иметь в виду, что температура окружающей среды, несмотря н

а ее взаимодействие с системой, остается постоянной и равнойT0. Используя уравнение первого закона термодинамики вида (1.15) и Рис. 1.8

и заменяя техническую работу эксэргией, получим:

Изменение энтальпии не зависит от характера процесса. Поэтому, если известны начальное и конечное состояние системы, всегда можно определить разность энтальпий. Количество тепла является функцией процесс а-о. Для определения qao воспользуемся вторым законом термодинамики. Очевидно, что количество тепла, полученное окружающей средой qср, равно количеству тепла, переданному системой среде, qа-о, т.е.

Так как по второму закону термодинамики

то после интегрирования этого выражения от состояния о до состояния а будет иметь:

Тогда с учетом (1.28) выражение (1.27) запишется:

Из уравнения (1.30) следует ряд важных выводов:

1. В системе при обратимых процессах эксэргия больше, чем в той-же системе с необратимыми процессами, т.к. T0 (s0/ sa ) ? 0.

2. Чем больше значение начальной энтропии системы sa, тем меньшую работу может она совершить при неизменной разности энтальпий (ia i0). Следовательно, энтропия характеризует энергию системы.

– пределяет условия, необходимые для взаимного преобразования таких форм энергообмена, как теплота и работа;

– устанавливает полноту преобразования теплоты в работу.

1.2.5 Понятие о третьем законе термодинамики

При изучении свойств различных веществ в условиях низких температур, близких к абсолютному нулю = 0), обнаруживается важная закономерность в поведении реальных тел: в области абсолютного нуля энтропия тела в любом равновесном состоянии не зависит от температуры, объема и других параметров, характеризующих состояние тела.

Этот результат, являющийся обобщением ряда опытных данных и не вытекающий непосредственно из первого или второго законов термодинамики, составляет содержание тепловой теоремы Нернста.

Из теоремы следует, что в каком бы состоянии — жидком или твердом, в виде чистого вещества или химического соединения — ни существовало вещество, его энтропия при Т> 0 имеет одно и то же значение. Постоянство энтропии при Т> 0 означает, что в области абсолютного нуля dq всегда равно нулю. Следовательно, нельзя достигнуть абсолютного нуля с помощью отвода теплоты от тела, поскольку при T> 0 каждое из тел при любом процессе изменения состояния сохраняет неизменное значение энтропии, т.е. перестает отдавать теплоту окружающей среде.

В. Нернст, используя квантовую теорию М. Планка, пришел к выводу, что lim ?sT> 0 = 0. (1.31)

Отсюда и формулировка третьего закона термодинамики.

При температуре абсолютного нуля энтропия всех веществ в состоянии равновесия независимо от давления, плотности и фазы обращается в нуль.

Аналитическим выражением третьего закона термодинамики является равенство (1.31).

studfiles.net

Смотрите так же:

  • Приказ об учете материальных ценностей Приказ Минфина РФ от 30 марта 2001 г. N 26н "Об утверждении Положения по бухгалтерскому учету "Учет основных средств" ПБУ 6/01" (с изменениями и дополнениями) Приказ Минфина РФ от 30 марта 2001 г. N 26н"Об утверждении Положения по бухгалтерскому учету "Учет основных средств" ПБУ 6/01" С изменениями и дополнениями […]
  • Уволили мать одиночку Можно ли уволить мать-одиночку Актуально на: 12 октября 2016 г. В определенных ситуациях трудовой договор с работником может быть расторгнут по инициативе работодателя (ст. 81 ТК РФ). Однако некоторые категории работников защищены законом от увольнения. Давайте посмотрим, можно ли уволить мать-одиночку? Могут ли […]
  • Указ о несовершеннолетних узниках Указ Президента РФ от 15.10.1992 N 1235 "О предоставлении льгот бывшим несовершеннолетним узникам концлагерей, гетто и других мест принудительного содержания, созданных фашистами и их союзниками в период второй мировой войны" ПРЕЗИДЕНТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 15 октября 1992 г. N 1235 О ПРЕДОСТАВЛЕНИИ ЛЬГОТ БЫВШИМ […]
  • Макарова оВ Юрист москва Адвокат Макаров и партнёры Адвокаты Москвы по гражданским и уголовным делам. М. Октябрьская, 3 мин., ул. Большая Якиманка 35, стр. 1, тел. +7(495)728-36-44 Московская коллегия адвокатов адвокат Вячеслав Макаров Московская коллегия адвокатов “Макаров и партнёры” является одним из ведущих адвокатских образований в […]
  • Федеральный закон об основах социального обслуживания 442 Федеральный закон от 28.12.2013 N 442-ФЗ (ред. от 07.03.2018) "Об основах социального обслуживания граждан в Российской Федерации" (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.05.2018) СОЦИАЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ГРАЖДАН В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 23 декабря 2013 года 25 декабря 2013 года Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Статья 1. Предмет […]
  • Таблица по подсчету стажа Таблица по подсчету стажа Вычисление возраста или стажа функцией РАЗНДАТ (DATEDIF). Для вычислений длительностей интервалов дат в Excel есть функция РАЗНДАТ, в английской версии - DATEDIF. Точнее говоря, найти описание этой функции и ее аргументов можно только в полной версии англоязычной справки, поскольку на самом […]
  • Оформить работника по внутреннему совместительству Оформление работника по совместительству в 1С: Бухгалтерия 8.3 Оставить заявку Оставьте свое имя и номер телефона, оператор свяжется с Вами в рабочее время в течение 2 часов. Хочу получать новости об акциях, скидках и мероприятиях от 1С:Франчайзи Виктория Рассылка выходит раз в неделю, Ваш адрес не будет передан […]
  • Приказ министерства здравоохранения 347н ПРИКАЗ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РФ от 26 апреля 2011 г. N 347н "ОБ УТВЕРЖДЕНИИ ФОРМЫ БЛАНКА ЛИСТКА НЕТРУДОСПОСОБНОСТИ" МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ от 26 апреля 2011 г. N 347н ОБ УТВЕРЖДЕНИИ ФОРМЫ БЛАНКА ЛИСТКА НЕТРУДОСПОСОБНОСТИ В соответствии со статьей 13 Федерального закона от 29 декабря […]