Термодинамические системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОПРОСЫ

ПО КУРСУ теплоФИЗИКА

(БПБ, БЧС, ББП)



1. Основные понятия и определения термодинамики (термодинамическая система, ее виды)

I. Энергия - это такая характеристика движения и взаимодействия тел, которая связана с их способностью совершать изменения в состоянии системы и внешней среды.

Видов энергии очень много - механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д. Каждая из них может только видоизменяться, т.е. превращаться в другие виды энергии.

II.Термодинамическая система и ее состояния:

Термодинамическая система - это ограниченная область пространства, занятая ее элементами. Элементы системы (подсистемы) считаются однородными. Граница системы может быть и физической (стенки сосуда) и мысленной. Все, что вне системы - окружающая среда.

Термодинамические системы бывают трех видов:

1. Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой).

2. Замкнутые (нет обмена веществом с окружающей средой).

3. Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой).

III. Параметры термодинамической системы:

Состояния систем характеризуются параметрами состояния и функциями состояния. Параметры состояния системы - это свойства, однозначно характеризующие однородные части системы. Например, для идеального газа параметрами являются четыре свойства - давление P, объём V, температура T и количества молей µ. Это означает, что, задав произвольно любые три из четырех параметров, мы по уравнению состояния (в данном случае это будет уравнение Клапейрона-Менделеева) найдем четвертый:

PV = µ * RT



IV. Функции состояния термодинамической системы:

Параметры состояния связаны друг с другом функциональными зависимостями. Те из функций, которые не зависят от истории системы, т.е. от того, как она попала в данное состояние, называются функциями состояния. Они однозначно характеризующие это состояние.

В качестве примера приведём такую функцию состояния системы как внутренняя энергия U. К термодинамическому пониманию этой величины мы вернемся позже, пока же достаточно того, что мы знаем об энергии - в изолированных системах она сохраняется во времени.

2. Термодинамическое состояние системы. Основные (термические) параметры состояния

Совокупность физических свойств системы в рассматриваемых условиях называют термодинамическим состоянием системы.

Различают равновесное (стационарное) и неравновесное (нестационарное) состояния термодинамической системы.

Макроскопические величины (т. е. величины, которые характеризуют тело в целом), характеризующие физические свойства тела в данный момент, называются термодинамическими параметрами состояния. Последние разделяются на интенсивные (не зависящие от массы тела) и на экстенсивные (пропорциональные массе тела). К основным параметрам состояния, поддающимся непосредственному измерению простыми техническими средствами, относятся абсолютное давление , удельный объём и абсолютная температура . Эти три параметра носят название термических параметров состояния. К параметрам состояния относятся также внутренняя энергия , энтальпия и энтропия , которые носят название калорических параметров состояния. Равновесным состоянием термодинамической системы называется такое состояние, которое характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием. Состояние термодинамической системы, при котором значения параметров во всех частях ее остаются неизменными во времени благодаря внешнему воздействию потоков вещества, энергии, импульса, заряда и т. п., называется стационарным. Если значения параметров изменяются во времени, то состояние термодинамической системы называется нестационарным.

3. Законы идеальных газов. Уравнение состояния идеального газа

PV = m*RT

- закон Бойля-Мариотта:

Т = const * Pv = const

- закон Гей-Люссака:

Р = const v / T = const

- закон Шарля:

v = const T / P = const

4. Термодинамические процессы (равновесные, неравновесные, обратимые, необратимые)

Равновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний. В таком процессе физические параметры изменяются бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесном состоянии. Кроме того, все части системы имеют одинаковые температуру и давление.

Неравновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой последовательность состояний, среди которых не все являются равновесными. В неравновесном процессе различные части системы имеют разные температуры, давления, плотности, концентрации.

Обратимыми называются такие процессы, для которых при прямом и обратном изменении внешних параметров система будет проходить через одни и те же промежуточные состояния.

Если же невозможно найти способ вернуть и систему, и внешние тела в исходное состояние, то процесс называется необратимым.

5. Теплота. Работа. Работа открытой и закрытой системы. Свойства Т-S и Р-V диаграммы

Работа представляет собой макро-физическую форму передачи энергии в термодинамическом процессе, определяемом действием некоторой силы на рабочее тело, приводящей к изменению его состояния.

дW = Fd * x

Теплота есть совокупность микрофизических процессов движения частиц, слагающих вещество.

При этом нет видимого передвижения тела, может не быть явного излучения веществом света и т.п. Все такие изменения энергии проявляются в наших ощущениях в форме теплоты.

дQ = c * dT



Диаграммы Р,v и T,s служат для иллюстрации особенностей процессов и могут быть применены для графического изображения в виде площадей энергетических величин q, l, u, характеризующих данный процесс.

6. Теплоемкость газов. Истинная и средняя теплоемкость

Отношение количества теплоты, подведенной (или отведенной) в данном процессе, к изменению температуры называется теплоемкостью тела (системы тел):

Где:

- элементарное количество теплоты;

- элементарное изменение температуры.

Теплоемкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к системе, чтобы при заданных условиях повысить ее температуру на 1 градус.

Так как единицей количества теплоты в СИ является джоуль, а температуры - градус К, то единицей теплоемкости будет Дж/К. Массовая теплоемкость - это теплоемкость, отнесенная к единице массы рабочего тела. Единицей измерения массовой теплоемкости является Дж/(кгК).

Массовую теплоемкость называют также удельной теплоемкостью. Объемная теплоемкость - теплоемкость, отнесенная к единице объема рабочего тела:



Где:

и - объем и плотность тела при нормальных физических условиях.

Объемная теплоемкость измеряется в Дж/(м3К).

Мольная теплоемкость - теплоемкость, отнесенная к количеству рабочего тела (газа) в молях:

7. Сущность и уравнение 1-го закона термодинамики. Уравнение 1-го закона для открытой и закрытой системы

По этому закону теплота может превращаться в механическую работу или, наоборот, работа в теплоту в строго эквивалентных количествах:

Для закрытой системы:

dU = дQ + дW

Для открытой системы:

dU = дQ + дW + дZ



8. Энтальпия. Физический смысл. Свойства энтальпии

Энтальпия - это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении; термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц.

Дж/кг

По физическому смыслу является теплосодержанием, при постоянном давлении изменение энтальпии (теплосодержания) равно количеству тепла, получаемому телом свойства:

9. Смеси идеальных газов. Способы задания газовых смесей

Смеси идеальных газов характеризуются аддитивностью парциальных давлений и объемов. Это означает, что каждый газ в смеси идеальных ведет себя так, как если бы он в данном объеме был один.

10. Теплоемкость, молярная масса и газовая постоянная смеси, заданной объемными и массовыми долями

Теплоёмкость тела - физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты дQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры дT:



Дж/К

Молярная масса вещества - масса одного моля вещества. Газовую постоянную смеси газов Rсм можно определить или по известному значению средней молекулярной массы смеси, или по известному массовому составу смеси и газовым постоянным отдельных газов, составляющих смесь. Газовая постоянная смеси по известному значению nсм:

Rсм = R0 / nсм = 8314,3/pсм

11. Термодинамические циклы. Прямой цикл Карно и его свойства

Термодинамические циклы - круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела, совпадают. Цикл Карном - идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно состоит из конкретных процессов: двух изотерм и двух адиабат. Здесь 1 кг газа расширяется в цилиндре по изотерме 1-2 с подводом теплоты q1, затем по адиабате 2-3, совершая значительную работу. Затем газ сжимается по изотерме 3-4 с отводом теплоты q2 и адиабате 4-1, на что затрачивается работа из точки 1, цикл повторяется.



12. Термодинамические циклы. Обратный цикл Карно и его свойства

Цикл Карно с протеканием процессов против часовой стрелки называется обратным. Это цикл холодильных машин и тепловых насосов. Осуществить на практике обратимый цикл Карно невозможно, поскольку в природе не существует обратимых процессов, но он является эталоном экономичности, к которому должны стремиться реальные циклы с изотермическими источниками теплоты. Для обратимого цикла Карно имеем:

В термодинамике отношение dq/T принято считать полным дифференциалом функции состояния s, называемой энтропией, то есть:

Математическое выражение второго закона термодинамики для обратимого цикла и называется первым интегралом Клаузиуса:



Термический к. п. д. необратимого цикла меньше, чем термический к. п. д. цикла Карно из-за потерь части подведенного к рабочему телу тепла в окружающую среду. Таким образом:

Отсюда:

13. Энтропия. Свойства энтропии

Где: дQ - бесконечно малое количество тепла, полученное телом при температуре Т, остановимся на фундаментальных свойствах энтропии.

Фундаментальные свойства энтропии: аддитивность, не отрицательность, равенство нулю при абсолютном нуле температуры.

Энтропия - мера рассеяния энергии:

1. Итак, энтропия - функция состояния. Если процесс проводят вдоль адиабат, то энтропия системы не меняется. В этом процессе Т=const, поэтому:

S2 - S1 = Q / T

Для идеального газаQ равно работе А, совершаемой системой. А так как А>0, значитS₂>S₁.

2. Энтропия - величина аддитивная: энтропия макросистемы равна сумме энтропий ее отдельных частей.

3. Одно из важнейших свойств энтропии заключается в том, что энтропия замкнутой (т.е. теплоизолированной) макросистемы не уменьшается - она либо возрастает, либо остается постоянной. Если же система не замкнута, то ее энтропия может как увеличиваться, так и уменьшаться.

14. Математическое выражение и сущность 2-го закона термодинамики

Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов.

2й закон:

1. Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым.

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

15. Калориметрические параметры состояния

К калорическим параметрам состояния относятся, как уже отмечалось, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия. Внутренняя энергия. Любая термодинамическая система в каждом состоянии обладает запасом полной энергии, которая состоит из внутренней энергии, зависящей от внутреннего состояния тела, и внешней энергии, связанной с движением тела как целого и положением его в каком-либо внешнем поле сил, т. е.

Если тело не движется, а влиянием внешнего поля сил можно пренебречь, то полная энергия будет представлять собой только внутреннюю энергию.

Любая термодинамическая система обладает запасом внутренней энергии, которая состоит из энергии хаотического движения и взаимодействия молекул. Поскольку внутренняя энергия рабочего тела зависит от его массы, обычно интересуются значением внутренней энергии, отнесенной к 1 кг массы тела, - удельной внутренней энергией.

Таким образом, важнейшим свойством удельной внутренней энергии рабочего тела является то, что она представляет собой однозначную функцию состояния тела, определяемого любой парой его основных параметров и сама может служить параметром состояния. Из этого свойства следует, что изменение удельной внутренней энергии не зависит от характера процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями рабочего тела. Следовательно, бесконечно малое приращение удельной внутренней энергии является полным дифференциалом.

В идеальном газе силы взаимодействия между молекулами отсутствуют и удельная потенциальная энергия его равна нулю. Поэтому удельная внутренняя энергия идеального газа состоит только из удельной кинетической энергии движения молекул и определяется его температурой.

В замкнутом (круговом) процессе, в котором начальное и конечное состояния совпадают, изменение удельной внутренней энергии равно нулю.

Определять абсолютное значение удельной внутренней энергии в большинстве технических расчетов не требуется, так как обычно необходимо знать только ее изменение. Поэтому условно приписывают некоторому состоянию рабочего тела нулевое значение удельной внутренней энергии, а все расчеты ведут относительно этого значения.

Энтальпия. Рассмотрим полную энергию газа, находящегося под давлением, создаваемым грузом массой. В этом случае полная энергия системы состоит из внутренней энергии газа и потенциальной энергии груза, равной , где - площадь поперечного сечения поршня. Т. е. Величина, зависящая от сил, действующих на поршень, получила название потенциальной энергии давления.

Таким образом, если газ находится в среде с давлением , то с любым состоянием его связана некоторая энергия , получившая название энтальпии газа в данном состоянии. Выражение энтальпии для 1 кг газа (т. е. удельной энтальпии) имеет вид.

Следовательно, удельная энтальпия, будучи зависимой от параметров состояния, и, также является параметром состояния. Поэтому изменение, как и изменение, не зависит от характера процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями, т. е.

16. T - S диаграмма. Свойства диаграммы

Удельную энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров для графического изображения процессов. Аналогично тому как мы строили изменение объема в зависимости от изменения температуры мы можем изобразить некоторый процесс изменения энтропии и температуры в Т- S координатах. В этом случае любая точка на графической плоскости соответствует определенному состоянию рабочего тела, а линия от точки 1 до точки 2 отображает некий термодинамический процесс. Особенностью Т- S координат является то, что площадь под линией процесса соответствует количеству энергии отданной или полученной рабочим телом.



17. Политропный процесс. Показатель политропы. Его физический и графический смысл. Частные случаи политропного процесса

Политропным процессом называется любой произвольный процесс изменения состояния рабочего тела, происходящий при постоянной теплоёмкости с_п.:

В политропном процессе:

dq = c_п·* dT

При n=k имеем адиабатный процесс.

При n=0 имеем:

р₁·* v₁⁰=р₂·* v₂⁰

То есть изобарный процесс(p₁=p₂).

При n=1 имеем:

р₁·* v₁= р₂·* v₂

То есть изотермический процесс. При n=? имеем:



Что равносильно:

То есть изохорный процесс:

И назовем величину n -- показатель политропы. Поскольку, как оговорено выше, в политропном процессе должна оставаться постоянной теплоемкость с, а значения с_v и c_p также не изменяются, значение показателя политропы в данном процессе тоже должно оставаться неизменным.

18. Изображение термодинамических процессов в P - V и T - S диаграммах

20. Водяной пар. Основные понятия и определения. Фазовая диаграмма

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом, или фазовым превращением.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, из жидкого в газообразное - испарением, из твердого в газообразное - сублимацией.

Обратные процессы соответственно называются затвердеванием, или кристаллизацией, конденсацией и десублимацией.

Процесс получения пара из жидкости может осуществляться испарением и кипением. Испарением называется парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре.

Кипением называется бурное парообразование по всей массе жидкости, которое происходит при сообщении жидкости через стенку сосуда определенного количества теплоты.

При этом образовавшиеся у стенок сосуда и внутри жидкости пузырьки пара, увеличиваясь в объеме, поднимаются на поверхность жидкости.

Процесс парообразования начинается при достижении жидкостью температуры кипения, которая называется температурой насыщения t_н и на протяжении всего процесса остается неизменной.

Температура кипения, или температура насыщения, t_н зависит от природы вещества и давления, причем с повышением давления t_н увеличивается.

Давление, соответствующее t_н называется давлением насыщения р_н.

Насыщенным паром называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью. Насыщенный пар по своему состоянию бывает сухим насыщенным и влажным насыщенным.

Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=t_н) при данном давлении.

Влажный насыщенный пар - это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара.

Отношение массы сухого насыщенного пара m_с.п. к массе влажного насыщенного пара m_в.п. называется степенью сухости х влажного пара, то есть:

Очевидно, что для жидкости х=0, для сухого насыщенного пара х=1.

Перегретый пар - это пар, находящийся при температуре, превышающей температуру кипения жидкости при давлении, равном давлению перегретого пара.

Величина превышения температурой пара температуры кипения жидкости называется степенью перегрева пара.

Водяной пар является реальным рабочим телом и может находиться в трёх состояниях: влажного насыщения, сухого насыщения и в перегретом состоянии.

21. Виды водяного пара. P - V диаграмма водяного пара

Насыщенным паром называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью.

Насыщенный пар по своему состоянию бывает сухим насыщенным и влажным насыщенным.

Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=t_н) при данном давлении. Влажный насыщенный пар - это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара.

Представим данную позицию в виде графика.



27. Теория теплопроводности. Закон Фурье, дифуравнение теплопроводности

Теплопроводность - это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Теория теплопроводности основана на представлении о переносе теплоты в твердых неметаллических телах тепловыми упругими волнами-фононами.

31. Частный случай конвективного теплообмена

термодинамический газ энтальпия

Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем его является теплоотдача - конвективный теплообмен между движущейся средой (теплоносителем) и поверхностью ее раздела с другой средой (чаще всего твердым телом).

Если теплоотдача сопровождается тепловым излучением, то такой вид теплообмена называется радиационно-конвективным.

Размещено на Allbest.ru