Давление в термодинамике

Содержание
  1. Давление в термодинамике
  2. Изменение внутреннего давления механической работой
  3. Критическое давление в термодинамике
  4. Опыты Эндрюса
  5. Основные понятия и определения термодинамики
  6. Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся
  7. Идеальный газ
  8. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)
  9. Первое начало термодинамики. Формулы для изопроцессов
  10. Теплоемкость
  11. Тепловые машины. Формула КПД в термодинамике
  12. Основы термодинамики Основные понятия и определения
  13. Основные понятия термодинамики
  14. Термодинамика
  15. Термодинамическая система
  16. Границы системы
  17. Окружающая среда
  18. Открытая система
  19. Закрытая система
  20. Адиабатическая система
  21. Свойства термодинамической системы
  22. Удельный объем и плотность ν, ρ
  23. Давление P
  24. Термодинамический обмен каким он бывает?
  25. Термодинамическое равновесие
  26. Уравнение состояния идеального газа
  27. Процессы в термодинамике
  28. Квазистатический процесс
  29. Обратимый и необратимый процессы
  30. Политропный процесс

Давление в термодинамике

Давление в термодинамике

Определение 1

Термодинамика – раздел науки, который исследует тепловые процессы, происходящие в физических телах, не связывая их напрямую с молекулярным строением вещества.

Рисунок 1. Параметры состояния в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В термодинамике полагается, что все явления тепла в телах характеризуются только макроскопическими параметрами:

  • давлением;
  • объемом;
  • температурой.

Эти показатели невозможно применить к отдельно взятым атомам или молекулам, то, в отличие от молекулярно-кинетической гипотезы, в указанном научном направлении молекулярное строение элементов в тепловых процессах не учитывается.

Давление в термодинамике представляет собой термодинамический параметр $P$, который определяет элементарную работу, совершаемую определенной системой при медленном изменении её объёма $V$, вызываемом хаотичным перемещением внешних тел. При деформации упругих веществ сила, влияющая на единицу поверхности, не перпендикулярна к ней.

Замечание 1

Вместо давления в этом случае вводят тензор максимальных напряжений. Элементарная работа равна величине тензору деформаций.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

При равномерном и всестороннем сжатии тела только нормальные напряжения будут отличны от нуля, которые равны начальному давлению.

В статистической физике давление определяется как производная от средней энергии $E$ по объёму при действии постоянной энтропии $S$, или как производная от свободной внутренней энергии $F$ по объему при постоянной температуре T.

То есть зависимость $P$ от $T$ и $V$ определяется уравнением состояния. В равновесном и стабильном состоянии иногда возможны метастабильные состояния с $P$ < $0$.

Изменение внутреннего давления механической работой

Рисунок 2. Применение поршня в цилиндре. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Внутреннее давление материального тела можно изменить, совершив над ним определенную механическую работу. Если работа совершается над веществом, то давление автоматически превращается во внутреннюю энергию. А если работу совершает само тело, то его внутреннее давление становится механическим.

Почти до конца XIX столетия ученые считали, что в природе существует невесомое вещество — теплород, которое передает тепло от одного тела к другому. Чем больше теплорода втекает в вещество, тем теплее оно будет, и наоборот.

Однако в конце 1798 года учёный граф Бенджамин Румфорд решил опровергнуть данную теорию. Причиной тому были нестабильные нагревания стволов пушек при сверлении. Исследователь предположил, что результатом нагревания и изменения давления является механическая работа, которая наблюдается в ходе трения сверла о ствол.

Румфорд провел научный эксперимент. Чтобы увеличить силу трение и внутреннее давление, он взял тупое сверло, а сам ствол разместил в бочку с холодной водой. К концу третьего часа сверления вода в бочке начала закипать. Это доказало, что ствол получил тепло и изменил собственное давление при совершении механической работы над ним.

Критическое давление в термодинамике

Рисунок 3. Изменение внутренней энергии в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В термодинамических стабильных процессах, когда линия объекта пересекает или кривую парообразования, или же кривую сублимации, газообразная фаза выступает в качестве пара.

Определение 2

Критическое давление – это вид давления, выше которого происходит расслоение вещества на две равновесно и одновременно сосуществующие фазы: газ и жидкость невозможны при любой температуре.

Это определение считается классически, и оно вполне применимо к термодинамическим процессам в простых концепциях. При более сложных системах критическое давление представляет собой нижнюю по давлению границу области физических явлений, в которых невозможно возникновение двухфазного состояния вещества «газ — жидкость» ни при каких изменениях давления и напряженности.

Эта формулировка критического давления иллюстрируется чаще всего в физике, когда необходимо изучить область, охватывающую не только часть газообразной фазы, но и элементы жидкой фазы, расположенные ниже изотермы.

Замечание 2

Для сверхкритической сферы за условную границу «жидкость-газ» принято подсоединять критическую изотерму.

Если давление такого перехода значительно больше давления в критической точке, то материальное вещество из твердого (кристаллического) состояния трансформируется в газообразное состояние, минуя на пути жидкое состояние.

Из фазовых диаграмм, которые чаще всего используются в термодинамике, аномального вещества не видно, так как на них не показана та часть системы, где имеющее при больших давлениях кристаллические модификации вещества снова приобретает нормальные свойства.

На фазовой диаграмме нормального элемента этот переход из твердого состояние сразу в газообразное показан в виде изотропного процесса.

Объединение свободно и активно движущихся молекул в каплю жидкости при очередном сжижении газа происходит исключительно под воздействием сил взаимного притяжения. При таком процессе кинетическая энергия относительного движения частиц больше энергии притяжения молекул, поэтому появление капель жидкости (сосуществование двух фаз) на практике невозможно.

Опыты Эндрюса

Ученый установил, что если сжимать газ при постоянной температуре и давлении, то напряженность вещества будет уменьшаться, однако с определенного показателя она остается постоянной, но в сосуде начинает появляться жидкость. По мере сжатия давления количество увеличивается, в результате чего все элементы превращаются в жидкость.

Определение 3

Постоянное давление в термодинамике называют давлением насыщенного пара.

Эндрюс экспериментальным путем доказал, что если воздействовать на газ более высокими температурами, то кривая зависимости начального давления от объема пойдет выше, соответственно, возрастет давление насыщенного пара, а поток вещества в жидком состоянии уменьшится. Таким образом, длина горизонтального участка изотермы с повышением температуры опустится до нуля.

Исследователь также обнаружил, что существует температура, при которой любая материальная точка стягивается к газу, при этом объемы вещества в жидком состоянии становятся одинаковыми, то есть практически полностью исчезает различие между газом и жидкостью. Такая температура в термодинамике называется критической.

При температуре выше критической, давление настолько сильно, что элементы могут существовать только в газообразном состоянии при тепловом движении и высокой плотности.

В принципе возможно сжать газ до более низких показателей, чем у жидкостей, но при таком снятии молекулы вещества внезапно разлетаются, занимая собой весь предоставленный объем.

Отсюда ясно, почему до работ Эндрюса физики не могли получить в жидком состоянии такие элементы, как азот, водород и кислород, даже сжимая их до крайне высоких давлений – просто у таких веществ очень низкое критическое давление и температура, и для их сжижения необходимо охлаждение.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/davlenie_v_termodinamike/

Основные понятия и определения термодинамики

Давление в термодинамике

Термодинамика идеального газа

Раздел 1. Основные законы термодинамики

Раздел содержит три темы, три лабораторные и одну контрольную работы (задачи № 1,2,3,4), вопросы для самопроверки и контрольный тест из десяти вопросов (№ 1). Максимально возможное число баллов по этому разделу составит 55 баллов для очно-заочной и заочной формам обучения.

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная. Удельная газовая постоянная. Нормальные физические условия. Молекулярно – кинетическая теория теплоемкости. Элементы квантовой теории теплоемкости.

Истинная и средняя теплоемкости. Свойства теплоемкостей идеального газа. Связь между изохорной и изобарной теплоемкостями идеального газа (закон Майера). Эмпирические формулы для теплоемкостей идеального газа.

Таблицы значений истинной и средней теплоемкостей идеального газа.

Cмеси идеальных газов. Закон Дальтона. Теплоемкость газовых смесей.

По теме выполняются практические занятия (№ 1), две лабораторные работы (№ 1,2), контрольная работа (задачи № 1,2,3). После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки по этой теме. Ответы можно найти в учебниках [1,3].

Прежде чем приступить к подробному изучению курса технической термодинамики следует ознакомиться с основными понятиями и определениями данной дисциплины.

1. Термодинамической системой (ТДС) называется совокупность тел, выделенная из окружающей среды (ОС) воображаемой или реальной поверхностью, через которую между ТДС и ОС может осуществляться обмен энергией и веществом .

Известны три категории ТДС:

а) при условиях , — ТДС называется открытой;

б) при , — ТДС – закрытая;

в) при , — ТДС изолирования.

2. В термодинамике простейшую ТДС называют рабочим телом (РТ). Рабочее тело является необходимым посредником, способным воспринимать теплоту (холод) и совершать работу. В свою очередь РТ делится на две категории:

а) Идеальный газ – это материя, объемами микрочастиц которой и их взаимодействием между собой можно пренебречь (примеры: низкомолекулярные газы – водород, кислород, воздух, перегретый водяной пар и др.).

б) Реальные газы – это материя, микрочастицы которой обладают конечными объемами и между собой дистанционно взаимодействуют (пример – высокомолекулярные углеводороды и др.).

3. Термодинамическое состояние ТДС, которое характеризуется всеми свойствами системы. Вообще состояние ТДС определяется ограниченным числом величин, называемых параметрами состояния. В газах и жидкостях при отсутствии химических реакций параметрами состояния являются:

температура – Т, К; давление – р, Па; удельный объем – v, .

Температура – это мера интенсивности беспорядочного теплового движения молекул. Абсолютная температура Т связана со средней скоростью молекул w соотношением

,

где k = 1,381·10-23 – постоянная Больцмана, m – масса молекулы. Единица измерения абсолютной температуры – Кельвин (К). Ноль шкалы Кельвина соответствует полному покою молекул. Практически широко применяется шкала Цельсия. Градус Цельсия равен градусу Кельвина; 0°С соответствует 273,15 К.

Давление p – это сила, действующая со стороны газа или жидкости на единицу площади стенки по нормали к ней. Давление измеряется в паскалях Па, 1 Па = 1 . 1 килопаскаль равен 103 Па, 1 мегапаскаль – это 106 Па.

Среднее атмосферное давление р0=1,013·105 Па≈0,1 МПа. Устаревшая единица давления – техническая атмосфера (ат). 1 ат = 0,98·105 Па≈0,1 МПа. Параметром состояния является полное (абсолютное) давление.

Манометром измеряется давление, избыточное над атмосферным, ризб = р – р0.

Удельный объем v – это объем единицы массы рабочего тела (вещества). Если объем газа V и масса m, то v=, . Удельный объем связан с плотностью газа соотношением v = .

Нормальные термодинамические параметры воздуха:

Т0 = 273,15 К; р0 = 101,3·103 кПа; v0 = 0,770 .

4. Под термодинамическим процессом понимается совокупность последовательных состояний, через которую проходит ТДС при её взаимодействии с окружающей средой.

Состояние ТДС может быть равновесным и неравновесным. Равновесным называется такое состояние ТДС, при котором во всех точках её объема все параметры состояния и физические свойства одинаковы.

В противном случае ТДС называют неравновесным.

Все процессы, проходящие в ТДС, подразделяются на равновесные и неравновесные. Равновесными называются такие процессы, когда ТДС в ходе процесса проходит ряд последовательных равновесных состояний. Эти процессы протекают настолько медленно, что в каждый момент времени устанавливается равновесие.

Неравновесными называются такие процессы, при протекании которых ТДС не находится в состоянии равновесия.

Наряду с понятиями равновесности и неравновесности в термодинамике используют понятия обратимости и необратимости.

Обратимость процесса состоит в том, что он может протекать и в прямом (например, расширение) и обратном (сжатие) направлениях так, что при этом и окружающая среда и ТДС проходят одни и те же состояния.

Обратимый процесс в обратном направлении восстанавливает первоначальное состояние ТДС и ОС.

Необратимый процесс в прямом направлении проходит через одни состояния, в обратном – через другие, и в обратном направлении не восстанавливает первоначальное состояние ТДС и ОС. Чем медленнее развиваются процессы, тем меньше влияние необратимости. Процесс может быть обратимым при условии, если его время осуществления стремится к бесконечности.

Все реальные процессы, протекающие в природе, являются неравновесными. По этой причине эти процессы лишь с той или иной степенью точности могут описываться закономерностями, справедливыми для равновесных процессов.

В термодинамике в первую очередь рассматриваются равновесные процессы и равновесные состояния, которые могут быть количественно описаны соответствующими уравнениями термодинамики.

5. Внутренняя энергия U – это энергия, заключенная в рассматриваемой ТДС, которая представляет собой сумму кинетической энергии хаотичного движения микрочастиц системы. Внутренняя энергия является функцией параметров состояния, т.е. её изменение не зависит от формы пути процесса, а определяется лишь её значениями в конечном и начальном состояниях, т.е.

.

Обозначив массу рассматриваемой ТДС через m (кг) и поделив внутреннюю энергию системы U на её массу, можно получить выражение для энергии, приходящейся на единицу массы, которая называется удельной внутренней энергией

.

6. Теплота и работа. Обмен энергией между ТДС и ОС может осуществляться в двух различных формах – в форме теплоты и в форме механической работы.

Теплота представляет собой микроскопическую форму обмена энергией между ТДС и ОС. В этом случае обмен происходит без изменения формы и объема ТДС, при этом меняются лишь значения давления и температуры в системе.

Пример – подвод теплоты извне (например – пламенем паяльной лампы) в газ, находящийся в замкнутой металлической емкости. В этом случае по мере подвода теплоты наблюдается рост температуры и давление газа, следовательно, происходит увеличение внутренней энергии газа U при неизменном объеме.

Таким образом, в данном примере осуществляется обмен энергией между окружающей средой (паяльной лампой) и газом, находящимся внутри емкости.

Механическая работа – это макроскопическая форма обмена энергией между ТДС и ОС. В этом процессе происходит изменение значений всех параметров состояния. В результате изменения (расширения) объема ТДС совершается механическая работа по преодолению сопротивления окружающей среды.

Из механики известно, что работа равна произведению силы на пройденный путь в направлении действия данной силы. Величина этой работы пропорциональна давлению газа р и приращению объема при расширении.

Пример – нагрев извне газа (например, пламенем той же паяльной лампы), находящегося в вертикальном цилиндре с подвижным поршнем. В этом случае подвод теплоты из ОС обусловливает рост температуры и давления газа внутри емкости (в ТДС), что сопровождается подъемом поршня вверх в результате расширения газа.

При этом совершается механическая работа по преодолению силы тяжести поршня.

Обозначив эту работу через , её можно выразить в виде следующей зависимости = F·Dh, где F=p·f — сила давления газа на поршень, f — площадь поперечного сечения поршня, Dh-высота подъема поршня в результате расширения газа. Учитывая, что f·Dh=DV — приращение объема газа внутри цилиндра, выражение для работы можно представить в виде

.

Производя предельный переход в последнем выражении, его можно представить в дифференциальной форме

.

Это уравнение выражает элементарную термодинамическую работу расширения ТДС. Соответствующую удельную работу, т.е. отнесенную к 1 кг газа, можно представить уравнением

. (1.1)

7. Функцией состояния ТДС называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса и определяется значениями параметров начального и конечного состояния.

(Как было отмечено выше, теплота Q и работа L представляют собой различные формы обмена внутренней энергией между ТДС и ОС. Для этих двух функций их бесконечно малое приращение в термодинамике принято обозначать оператором «», в отличие от дифференциала функций состояния, которые обозначаются оператором «d»).

Функциями состояния являются, прежде всего, известные нам параметры состояния р, v, T и внутренняя энергия U. Рассмотрим еще несколько функций состояния, имеющих широкое распространение.

8. Энтальпия. Наряду с внутренней энергией U в термодинамике важную роль играет величина, называемая энтальпией

.

где первое слагаемое в правой части, как известно, представляет сумму кинетической энергии микрочастиц системы, второе слагаемое – потенциальную энергию взаимодействия микрочастиц системы, следовательно, левая часть составляет полную энергию.

Удельная энтальпия h = выражается зависимостью:

.

9. Энтропией называется функция состояния S, дифференциал которой для элементарного термодинамического процесса равен отношению бесконечно малого количества теплоты сообщаемого системе, к абсолютной температуре последней

.

Энтропия может быть определена только с точностью до аддитивной произвольной постоянной

,

S0 –константа интегрирования.

Удельная энтропия — имеет размерность (). Выразим основное соотношение, используя понятие удельной энтропии:

или . (1.2)

Введение данной функции состояния значительно облегчает анализ термодинамических процессов. Физическая сущность энтропии – есть мера необратимого рассеяния энергии.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_208824_osnovnie-ponyatiya-i-opredeleniya-termodinamiki.html

Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся

Давление в термодинамике

Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся. Еще один отличный день для практических занятий по физике. Сегодня мы соберем вместе формулы, которые чаще всего используются при решении задач в термодинамике и молекулярной физике.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Итак, поехали. Попытаемся изложить законы и формулы термодинамики кратко.

Идеальный газ

Идеальный газ – это идеализация, как и материальная точка. Молекулы такого газа являются материальными точками, а соударения молекул – абсолютно упругие. Взаимодействием же молекул на расстоянии пренебрегаем. В задачах по термодинамике реальные газы часто принимаются за идеальные. Так гораздо легче жить, и не нужно иметь дела с массой новых членов в уравнениях.

Итак, что происходит с молекулами идеального газа? Да, они движутся! И резонно спросить, с какой скоростью? Конечно, помимо скорости молекул нас интересует еще и общее состояние нашего газа. Какое давление P он оказывает на стенки сосуда, какой объем V занимает, какая у него температура T.

Для того, чтобы узнать все это, есть уравнение состояния идеального газа, или уравнение Клапейрона-Менделеева

Здесь m – масса газа, M – его молекулярная масса (находим по таблице Менделеева), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,3144598(48) Дж/(моль*кг).

Универсальная газовая постоянная может быть выражена через другие константы (постоянная Больцмана и число Авогадро)

Массу, в свою очередь, можно вычислить, как произведение плотности и объема.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Как мы уже говорили, молекулы газа движутся, причем, чем выше температура – тем быстрее. Существует связь между давлением газа и средней кинетической энергией E его частиц. Эта связь называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории и имеет вид:

Здесь n – концентрация молекул (отношение их количества к объему), E – средняя кинетическая энергия. Найти их, а также среднюю квадратичную скорость молекул можно, соответственно, по формулам:

Подставим энергию в первое уравнение, и получим еще один вид основного уравнения МКТ

Первое начало термодинамики. Формулы для изопроцессов

Напомним Вам, что первый закон термодинамики гласит: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа U и на совершение газом работы A. Формула первого закона термодинамики записывается так:

Как известно, с газом что-то происходит, мы можем сжать его, можем нагреть. В данном случае нас интересуют такие процессы, которые протекают при одном постоянном параметре. Рассмотрим, как выглядит первое начало термодинамики в каждом из них.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Изотермический процесс протекает при постоянной температуре. Тут работает закон Бойля-Мариотта: в изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объёму. В изотермическом процессе:

Изохорный процесс протекает при постоянном объеме. Для этого процесса характерен закон Шарля: При постоянном объеме давление прямо пропорционально температуре. В изохорном процессе все тепло, подведенное к газу, идет на изменение его внутренней энергии.

Изобарный процесс идет при постоянном давлении. Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении газа его объём прямо пропорционален температуре. При изобарном процессе тепло идет как на изменение внутренней энергии, так и на совершение газом работы.

Адиабатный процесс. Адиабатный процесс – это такой процесс, который проходит без теплообмена с окружающей средой. Это значит, что формула первого закона термодинамики для адиабатного процесса выглядит так:

Теплоемкость

Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, которое необходимо для нагревания одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Помимо удельной теплоемкости, есть молярная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один градус) при постоянном объеме, и молярная теплоемкость при постоянном давлении. В формулах ниже, i – число степеней свободы молекул газа. Для одноатомного газа i=3, для двухатомного – 5.

Тепловые машины. Формула КПД в термодинамике

Тепловая машина, в простейшем случае, состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Нагреватель сообщает тепло рабочему телу, оно совершает работу, затем охлаждается холодильником, и все повторяется вновь. Типичным примером тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по формуле

Вот мы и собрали основные формулы термодинамики, которые пригодятся в решении задач. Конечно, это не все все формулы из темы термодинамика, но их знание действительно может сослужить хорошую службу. А если возникнут вопросы  – помните о студенческом сервисе, специалисты которого готовы в любой момент прийти на выручку.

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/osnovnye-formuly-termodinamiki-i-molekulyarnoj-fiziki-kotorye-vam-prigodyatsya/

Основы термодинамики Основные понятия и определения

Давление в термодинамике

Определение:Термодинамиканаука озакономерностях превращения энергии.

Втермодинамике широко используетсяпонятие термодинамическойсистемы.

Определение:термодинамической системойназываетсясовокупность материальных тел,взаимодействующих, как между собой, таки с окружающей средой.Все тела находящиеся за пределами границрассматриваемой системы называютсяокружающейсредой.

Посколькуодно и тоже тело, одно и тоже веществопри разных условиях может находитьсяв разных состояниях, (пример: ледvводаvпар,одно вещество при разной температуре)вводятся, для удобства, характеристикисостояния вещества — так называемыепараметрысостояния.

Перечислим основныепараметры состояния вещества:

Температурателопределяетнаправление возможного самопроизвольногоперехода тепла между телами.

В настоящее времяв мире существует несколько температурныхшкал и единиц измерения температуры.Наиболее распространенная в Европешкала Цельсия где нулевая температураv температура замерзания воды приатмосферном давлении, а температуракипения воды при атмосферном давлениипринята за 100 градусов Цельсия (ºС).

ВСеверной Америке используется шкалаФаренгейта. Для термодинамическихрасчетов очень удобна абсолютная шкалаили шкала Кельвина. За ноль в этой шкалепринята температура абсолютного нуля,при этой температуре прекращаетсявсякое тепловое движение в веществе.

Численно один градус шкалы Кельвинаравен одному градусу шкалы Цельсия.

Температура,выраженная по абсолютной шкале, называетсяабсолютнойтемпературой.

Соотношение дляперехода от градусов Цельсия к градусамКельвина:

T [K] = t [º C] + 273.15

T-температура вКельвинах;

t v температура вградусах Цельсия.

Давлениепредставляетсобой силу, действующею по нормали кповерхности тела и отнесенную к единицеплощади этой поверхности.

Для измерениядавления применяются различные единицыизмерения. В стандартной системеизмерения СИ единицей служит Паскаль(Па).

Соотношение междуединицами:

1бар = 105Па

1кг/см2(атмосфера) = 9.8067104Па

1мм рт. ст (миллиметрртутного столба) = 133 Па

1 мм вод. ст. (миллиметрводного столба) = 9.8067 Па

Плотностьотношениемассы вещества к объему занимаемомуэти веществом.

Удельныйобъемвеличинаобратная плотности т.е. отношения объемазанятого веществом к его массе.

Определение:Если втермодинамической системе меняетсяхотя бы один из параметров любоговходящего в систему тела, то в системепроисходит термодинамическийпроцесс.

Основныетермодинамические параметры состоянияР, V, Т однородного тела зависят один отдругого и взаимно связаны уравнениемсостояния:

F (P, V, Т)

Для идеального газауравнение состояния записывается ввиде:

где:

P — давление

v — удельный объем

T — температура

R — газовая постоянная(у каждого газа свое значение)

Если известноуравнение состояния, то для определениясостояния простейших систем достаточнознать две независимые переменные из3-х

Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)

Термодинамическиепроцессы часто изображаются на графикахсостояния, где по осям отложены параметрысостояния. Точки, на плоскости такогографика, соответствуют определенномусостоянию системы, линии на графикесоответствуют термодинамическимпроцессам, переводящим систему из одногосостояния в другое.

Рассмотримтермодинамическую систему, состоящуюиз одного тела v какого либо газа в сосудес поршнем, причем сосуд и поршень вданном случае является внешней средой.Пусть, для примера, происходит нагревгаза в сосуде, возможны два случая:

1)Если поршень зафиксирован и объем неменяется, то произойдет повышениедавления в сосуде. Такой процессназывается изохорным(v=const), идущий при постоянном объеме;

Изохорные процессы в P — T координатах:

v1>v2>v3

2)Если поршень свободен, то нагреваемыйгаз будет расширяться, при постоянномдавлении такой процесс называетсяизобарическим(P=const), идущим при постоянном давлении.

Изобарные процессы в v — T координатах

P1>P2>P3

Если,перемещая поршень, изменять объем газав сосуде то, температура газа тоже будетизменяться, однако можно охлаждая сосудпри сжатии газа и нагревая при расширенииможно достичь того, что температурабудет постоянной при изменениях объемаи давления, такой процесс называетсяизотермическим(Т=const).

Изотермические процессы в P-v координатах

Т1>T2 >T3

Процесс,при котором отсутствует теплообменмежду системой и окружающей средой,называется адиабатным,при этом количество теплоты в системеостается постоянными (Q=const).

В реальнойжизни адиабатных процессов не существуетпоскольку полностью изолировать системуот окружающей среды не возможно.

Однакочасто происходят процессы, при которыхтеплообменном с окружающей средой оченьмал, например, быстрое сжатие газа всосуде поршнем, когда тепло не успеваетотводиться за счет нагрева поршня исосуда.

Примерный график адиабатного процессав P — v координатах

.

Определение:Круговой процесс (Цикл)это совокупностьпроцессов, возвращающих систему впервоначальное состояние.Число отдельных процессов может бытьлюбым в цикле.

Понятие круговогопроцесса является для нас ключевым втермодинамике, поскольку работа АЭСоснована на паро-водяном цикле, другимисловами мы можем рассматривать испарениеводы а активной зоне (АЗ), вращение паромротора турбины, конденсацию пара ипоступление воды в АЗ как некий замкнутыйтермодинамический процесс или цикл.

Теплота и работа.

Тела, участвующиев процессе, обмениваются между собойэнергией. Энергия одних тел увеличивается,других — уменьшается. Передача энергииот одного тела к другому происходит2-мя способами:

Первый способпередачи энергии при непосредственномконтакте тел, имеющих различнуютемпературу, путем обмена кинетическойэнергии между молекулами соприкасающихсятел (или лучистым переносом при помощиэлектромагнитных волн).

Энергия передаетсяот более нагретого тела к менее нагретому.

Энергиякинетического движения молекул называетсятепловой, поэтому такой способ передачиэнергии называется передача энергии вформе теплоты. Количество энергии,полученной телом в форме теплоты,называется подведеннойтеплотой(сообщенной), а количество энергии,отданное телом в форме теплоты -отведенной теплотой(отнятой).

Обычноеобозначение теплоты Q, размерность Дж.В практических расчетах важное значениеприобретает отношение теплоты к массе- удельная теплота обозначается qразмерность Дж/кг.

Подведенная теплота- положительна, отведенная — отрицательна.

Второй способпередачи энергии связан с наличиемсиловых полей или внешнего давления.Для передачи энергии этим способом телодолжно либо передвигаться в силовомполе, либо изменять свой объем поддействием внешнего давления.

Этотспособ называется передачейэнергии в форме работы.

Если в качествепримера тела рассматривать газ в сосудес поршнем то в случае приложения внешнейсилы к поршню происходит сжатие газа -работа совершается над телом, а в случаерасширения газа в сосуде работу,перемещение поршня, совершает само тело(газ).

Количествоэнергии, полученное телом в форме работыназывается совершеннойнад телом работой, а отданная — затраченнойтелом работой.

Количествоэнергии в форме работы обычно обозначаетсяLразмерность Дж. Удельнаяработа -отношение работы к массе тела обозначаетсяlразмерность — Дж/кг.

Определение:Рабочие телоопределенноеколичество вещества, которое, участвуяв термодинамическом цикле, совершаетполезную работу.

Рабочим телом вреакторной установке РБМК являетсявода, которая после испарения в активнойзоне в виде пара совершает работу втурбине, вращая ротор.

Определение:Передачаэнергии в термодинамическом процессеот одного тела к другому, связанная сизменением объема рабочего тела, сперемещением его во внешнем пространствеили с изменением его положения называетсяработойпроцесса.

Источник: https://studfile.net/preview/1621470/

Основные понятия термодинамики

Давление в термодинамике

Данная статья предназначена для подготовки к изучению термодинамики, здесь даны общие сведения, которые не требуют запоминания, но обязательны для понимания

Термодинамика

В термодинамике всего три основных закона, на которых строится данная наука. Термодинамика это фундаментальный предмет, который изучает процессы преобразования энергии. В законах термодинамики нет исключений, как, например, в химии.

Для того, что бы работать с термодинамикой, необходимо изучить базовые понятия, которые используются для исследования всего, что нас окружает.

Термодинамика используется для изучения некоторого объекта, первое что необходимо сделать — это определиться, что мы будем изучать.

Термодинамическая система

Итак, первое понятие, термодинамическая система — это объект изучения, часть пространства, ограниченная физически или воображаемой границей, которая будет подвергнута изучению.

Если мы берёмся изучать обмен энергией в человеке, то весь человек — это термодинамическая система. Если мы изучаем обмен теплом с солнцем, то солнце — это термодинамическая система.

Если мы изучаем обмен тепла между печкой и домом, то и печка и дом — это термодинамическая система.

Границы системы

Важно обозначить, где заканчивается система, граница термодинамической системы — это физический или воображаемый объект, например, если мы изучаем кофе в термокружке как термодинамическую систему, то кофе — это система, а внутренние стенки кружки и нижняя часть крышки — это границы системы. Также мы можем изучать участок трубы, по которой течёт жидкость: внутренняя поверхность трубы и определённые нами (воображаемые) границы участка будут являться границей термодинамической системы.

Окружающая среда

Всё, что находится за пределами границы системы — это окружающая среда. Подразумевается, что окружающая среда не изменяется в течение времени, т.е. все её параметры постоянны независимо от того, что происходит в системе (например, система может отдавать или принимать тепло от окружающей среды, что никак не влияет на среду).

Открытая система

Открытой называется такая система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Это может быть, например, камера сгорания в двигателе или паровая турбина.

Закрытая система

В закрытой системе невозможно ни изменение массы вещества, ни обмен веществом с окружающей средой. Например, вакуумная упаковка — пока упаковка цела, масса продукта внутри постоянна (если, конечно, там не протекают сложные химические процессы, которые не имеют интерес в данной ситуации).

Адиабатическая система

Может быть открытой или закрытой, но в любом случае отсутствует обмен энергией в виде тепла.

Свойства термодинамической системы

Термодинамическая система описывается набором величин, которые не зависят от предыдущих состояний системы. Каждое состояние может быть описано термодинамическими величинами. Любая характеристика системы является интенсивной или аддитивной.

Интенсивная характеристика (с латинского intensive — принадлежащий объекту) не зависит от размера системы, т.е. её величина одинакова для всей системы (или части системы) независимо от размеров, например температура или концентрация.

Аддитивная характеристика (с латинского — возможность присоединяться) зависит от размера выбранного объекта и для всей системы будет являться суммой значений для всех её элементов, например, масса.

Удельный объем и плотность ν, ρ

ν = V/m удельный объём
ρm = m/V плотность

Давление P

P = F/A нормаль силы на единицу площади

Давление различают абсолютное и манометрическое. Манометрическое — это давление избыточное по отношению к атмосферному (для вакуума манометрическое давление отрицательно). Абсолютное давление — это давление относительно полного вакуума.

Единицы измерения давления:
Паскаль (Па) = 1 Н/м2
Бар (бар) = 105 Н/м2 = 105 Па Атмосфера (атм) = 1,013 бар = 760 мм ртутного столба

Фунт на квадратный дюйм — lbs или psi ≈ 6894,8 Па

Термодинамический обмен каким он бывает?

Термодинамические системы обмениваются энергией изменяя свои свойства. Различают следующие формы энергии: механическая, электрическая, магнитная, термическая, химическая и ядерная.

Обмен энергией происходит двумя способами: работа (макроскопический обмен) и тепло (микроскопический обмен). С помощью работы изменяется аддитивные параметры системы. Посредством тепла изменяется внутренняя энергия системы.

Термодинамическое равновесие

Мы говорим, что система находится в темродинамическом равновесии, когда результирующая взаимодействия любого вида энергии или вещества между системой и окружающей средой равна нулю.

Уравнение состояния идеального газа

Под идеальным газом подразумеваются следующие допущения: молекулы представляются в виде точек, соударения между ними абсолютно упруги (т.е. при столкновении не выделяется тепло) и отсутствует силы притяжения и отталкивания между молекулами. Такая модель пригодна только для теоретических расчётов и для реального газа значительно усложняется.

Уравнение состояния идеального газа P V = N R T

где P — давление [Па], V — объём газа [м3], N — количество молей газа, R — универсальная газовая постоянная (константа, равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К), T — абсолютная температура [К]

Общий вид уравнения состояния:

P = P (T,ν)

Процессы в термодинамике

Для упрощения расчётов, в термодинамике используются идеализированные системы и типы процессов.

Квазистатический процесс

Такой процесс, в котором каждое последующее состояние системы является равновесным, называется квазистатическим. Это означает, что все изменения в системе происходят достаточно медленно для того, что бы не возникало переходных процессов.

Представьте, что Вы завариваете кофе во френч-прессе: если Вы будете нажимать медленно на поршень, то кофе осядет вниз, если Вы попробуете резко с большой силой нажать на поршень то, во-первых, суммарно Вам потребуется больше энергии, а во-вторых, весь кофе выльется, из-за резкого повышения давления и несжимаемости жидкости.

Квазистатический процесс — это процесс медленный, в котором все части системы находятся в одинаковом состоянии.

Обратимый и необратимый процессы

Обратимым называется такой процесс, который может происходить в направлении обратном нормальному развитию, восстанавливая произошедшие обмены энергией. Такой процесс является квазистатическим и не может быть реальным. В обратимом процессе не существует неравновесных сил между системой и окружающей средой. Необратимым процессом — называется любой реальный процесс.

Политропный процесс

Ещё одна модель идеальной системы, отвечающая уравнению «Pvn = cte» (при n=cte). Используется для таких систем, поведение которых похоже на поведение идеального газа. Такой процесс достаточно хорошо описывает поведение газа и результат близок к реальности.

Нередко рассматриваются частные случаи политропного процесса: изобарный (постоянное давление), изотермический (постоянная температура), адиабатный (отсутствует теплообмен с окружающей средой) и изохорный (постоянный объём).

Источник: https://k-tree.ru/articles/fisica/termodinamika/bazovie_poniatiia

Booksm
Добавить комментарий