Основные термодинамические процессы

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Понятие о термодинамическом процессе. Обратимые (равновесные) и необратимые (неравновесные) процессы. Основные термодинамические процессы. Общий метод исследования термодинамических процессов

Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс.

Любой процесс можно рассматривать как последовательный ряд состояний системы. Процесс называется равновесным, если он состоит из последовательного ряда равновесных состояний. Они происходят бесконечно медленно под действием малой разности температур и давлений, являются идеальными и обратимыми.

Обратимые процессы - это процессы, в которых система может быть возращена в исходное состояние и не остается изменений в окружающей среде, т. е. без потери энергии. Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.

В природе процессы неравновесные и необратимые, т. к. они происходят под действием разности температур и давлений. Неравновесный процесс в каждый момент времени имеет неодинаковые параметры системы, поэтому его нельзя изобразить на графике. В равновесном процессе изменяются все параметры системы: масса, объем, давление, температура.

Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния: F (P, V, Т)

Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:

где: P - давление

v - удельный объем

T - температура

R - газовая постоянная (у каждого газа свое значение).

Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные из 3-х:

Р = f1 (v, т);

v = f2 (Р, Т);

Т = f3 (v, Р)

Исследование термодинамического процесса включает в себя: уравнение процесса, рабочую диаграмму, расчет количества теплоты, необходимое для совершения процесса. Опишем основные термодинамические процессы.

1) Идущий при постоянном объеме процесс называется изохорным (v=const);

Рис. 1. Изохорные процессы в P-T координатах: v1>v2>v3

Работа при этом процессе не совершается, и подведенная к газу теплота расходуется только на повышение внутренней энергии.

?qv=Cv*?T.

Полное количество теплоты рассчитывается по формуле:

Qv=mcvcp(T2-T1).

2) При постоянном давлении процесс называется изобарическим (P=const), идущим при постоянном давлении.

Рис. 2. Изобарные процессы в v-T координатах P1>P2>P3

Теплота в изобарном процессе вычисляется через среднюю удельную теплоемкость при постоянном давлении:

Qv=mcрcp(T2-T1).

3) Температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).

Рис. 3. Изотермические процессы в P-v координатах Т1>T2 >T3

адиабатный термодинамический парообразование

В изотермическом процессе идеального газа вся подведенная теплота расходуется на работу при расширении газа.

Полное количество теплоты рассчитывают по формуле:

QT=mp1v1ln(v2/v1)

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным, при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует, поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. За исключением, когда адиабатный процесс протекает быстро (быстрое сжатие газа в цилиндре, взрыв и т. п.) Однако часто происходят процессы, при которых теплообмен с окружающей средой очень мал.

Рис. 4. Примерный график адиабатного процесса в P-v координатах

При адиабатном процессе расширения работа совершается газом за счет уменьшения внутренней энергии. При адиабатном сжатии газа работа внешних сил равна увеличению внутренней энергии, т. е. газ, нагревается на:

?Т=Т2-Т1 градусов.

Пожар всегда сопровождается термодинамическими процессами. Взрыв можно считать адиабатным процессом расширения и для расчета панелей, предохраняющих от разрушения, применять соответствующие уравнения процесса и работы. Нагревание газов и паров в закрытых емкостях можно считать изохорным и использовать формулу для определения конечных давления и температуры с последующей оценкой пожарной опасности. Первое начало термодинамики - это закон сохранения энергии, поэтому его используют во всех тепловых расчетах и для целей пожарной безопасности.

2. Водяной пар

адиабатный термодинамический неравновесный газ

Газообразное тело, сосуществующее с кипящей жидкостью, называется паром и значительно отличается по своим термодинамическим свойствам от свойств идеального газа. Парообразованием называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное.

Кипением называется процесс превращения жидкости, кипящей во всем её объеме, в пар при подводе к ней теплоты, а при отводе от пара теплоты происходит обратный процесс - конденсация. Процессы кипения и конденсации протекают при постоянной температуре и при неизменном давлении.

Пар, соприкасающейся с жидкостью, из которой он получается и находящейся с ней в термодинамическом равновесии называется насыщенным.

Сухой насыщенный пар - пар, не содержащий в себе жидкость.

Влажным паром называется механическая смесь, состоящая из сухого пара и мельчайших капелек жидкости и характеризуется степенью сухости .

Перегретым паром называется пар, полученный из сухого насыщенного пара при подводе к нему при P = Const некоторого количества теплоты и вызванного этим повышением его температуры. Разность между температурами перегретого пара и сухого насыщенного называется степенью перегрева.

Рис. 5. Фазовая P-V диаграмма системы, состоящей из жидкости и пара, представляет собой график зависимости удельных объемов кипящей воды - v' и сухого насыщенного пара - v" от давления.

График зависимости v' = f(P) кривой АК называется нижней пограничной кривой или линией кипящей жидкости и характеризуется степенью сухости Х = 0.

График зависимости v" = f(P) кривой ВК называется верхней пограничной кривой или линией сухого насыщенного пара и характеризуется степенью сухости Х = 1.

Обе кривые АК и ВК делят P-V диаграмму на три части: влево от линии АК - область жидкости; между линиями АК и КВ - двухфазная система, состоящая из смеси кипящей воды и сухого пара - область влажного пара характеризуется степенью сухости 0 < X < 1; вправо от линии КВ и вверх от точки "K" располагается область перегретого пара.

Процесс парообразования в области влажного пара, линия CD, является одновременно изобарным (P = Const) и изотермическим (T = Const).

Обе кривые АК и КВ сливаются в точке К, которая называется критической точкой. В критической точке исчезает различие между жидкостью и паром, выше её существование вещества в двухфазном состоянии невозможно.

Вода и водяной пар нашли широкое применение в качестве рабочих тел в паровых турбинах тепловых машин, атомных установках. А также в качестве теплоносителей в различного рода теплообменных аппаратах химико-технологических производств.

Размещено на Allbest.ru