teplotekhnika (Учебник по теплотехнике. Ерофеев, Семенов, Пряхин), страница 3

Идеальный и реальный газТермодинамической системой называют тело или совокупность тел, свойства которых являются объектом исследования. Все тела, находящиесявне границ рассматриваемого тела или их совокупности, называют окружающей средой.Система, которая не может обмениваться энергией с окружающейсредой, называется энергетически изолированной. Если система не можетобмениваться лишь теплотой, она называется адиабатно изолированной.Под влиянием различного рода энергетических воздействий окружающей среды в термодинамической системе происходит изменение тер-модинамического состояния тел, например, температуры, давления, т.е.происходит термодинамический процесс.Энергия системы Е изменяется на величину АЕ за счет воздействий о,(тепловых, электрических, механических и т.д.).Тогда по закону сохранения и превращения энергииі =пАЕ=20,.(1,1)і=ІПри элементарном акте взаимодействия между системой и окружающей средой энергия системы изменится на бесконечно малую величинуі=паЕ:(101.і=1(12)Это уравнение и является уравнением первого начала термодинамики в общем виде.Наличие воздействия какого-либо рода может быть определено поизменению конкретной физической величины, называемой координатой состояния системы.

Если взаимодействие данного рода имеет место,то координата обязательно изменится; если воздействие отсутствует, тоэта координата остается постоянной, и никакими другими воздействиями не может быть изменена.При механическом деформационном взаимодействии, совершающемся под влиянием равномерно распределенного давления, такой ко-ординатой будет являться объем У рабочего тела. Действительно, еслирассмотреть в качестве системы газ, находящийся в Цилиндре под порш-нем, то при неравенстве давлений над и под поршнем последний будетперемещаться вверх или вниз, а объем Угаза будет либо уменьшаться,'либо увеличиваться.

При жестком закреплении поршня, если жесткимиявляются и стенки цилиндра, никакими иными путями нельзя добитьсяІОизменения объема. Постоянство объема газа сі У= О будет свидетельствовать об отсутствии механического деформационного взаимодействия.При химических и фазовых превращениях происходит изменение одной и той же величины - массы М. Если в системе совершается химическая реакция, то происходят уменьшение массы исходных веществ и увеличение массы продуктов реакции.

То же происходит и при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другие. Если же в системе устанавливается химическое или фазовое равновесие, то массы веществ,образующих систему, остаются постоянными (іМ = О. Следовательно, ко-ординатой при химических и фазовых превращениях является масса.При рассмотрении тепловых взаимодействий тепловая координатанепосредственно на опыте не измеряется и не наблюдается. Она можетбыть вычислена через другие наблюдаемые на опыте величины. Такойфизической величиной является энтропия системы Ѕ.

При наличии теплообмена энтропия изменяется сіЅ ± О, при отсутствии теплообмена она остается постоянной сіЅ = О.Рассмотрение различного рода взаимодействий можно было бы продолжить и определить каждому взаимодействию свою координату.По поведению координат состояния системы можно судить о наличии или отсутствии данного воздействия. Однако не менее важен вопрос обусловиях возможности осуществления данного воздействия на систему.Для'любого рода взаимодействий можно установить более определенную физическую величину, при равенстве которой в системе и окружающей среде воздействия данного рода не существует. Назовем такие физи-ческие величины потенциалами.

Разность соответствующих потенциалов внутри и вне системы является движущей причиной данного процесса в системе. При равенстве потенциалов внутри и вне системы взаимодействие данного рода не может быть осуществлено.В случае механического деформационного взаимодействия роль потенциала играет давление р. Так, при равенстве давлений внутри и внесистемы невозможно осуществить расширение или сжатие системы.Теплообмен между двумя телами возможен только при наличии разноститемператур этих тел, следовательно, тепловым потенциалом является темпе-ратура Т.Электрическое взаимодействие может быть осуществлено только приналичии разности электрических потенциалов І] и т.д.Количественной мерой какого-либо воздействия является произведе-ние потенциала на измерение соответствующей координаты.

Так, элементарная работа механического деформационного воздействия при равномерном распределении давления (іЬ = рсі У, элементарное количество теплоты сіО= ТоЅи т.д.Одновременно следует установить правило знаков. Знак воздействиярассматривается с точки зрения термодинамической системы (или рабоНчего тела). Так, теплота ооположительна, если подводится к системе отокружающей среды (60= -сі О), работа (іЬ положительна, если соверша-ется внутренними силами против внешних (сіЬ = -сіЬ').Координаты и потенциалы системы называют термодинамическимипараметрами состояния.Параметры состояния относят к единице массы, рассматривая удельные величины: удельный объем у = У/М, м3/кг; плотность р = М/У,кг/м3; удельную энтропию Ѕ = Ѕ/М, кДж/(кг~ К).К параметрам состояния относят также величины внутренней энергии 1./= и] + 1.12 +03 + 1.14 и энтальпию І= и+ рУ(где рУ- потенциальная энергия давления).Под внутренней энергией понимают кинетическую энергию тепловогодвижения молекул, зависяшую от температуры тела, и потенциальнуюэнергию их силового взаимодействия.Термодинамические параметры находятся между собой в функциональной зависимости, называемой уравнением состояния системы.В зависимости от числа воздействия, т.е.

от степени свободы системы,для каждой системы существуют свои уравнения состояния, характеризующие определенные связи между термодинамическими параметрами.Для реальной системы уравнение состояния термодинамики получается только из опыта. Так, для системы с двумя степенями свободы - тепловой и механической - уравнение состояния в общем виде имеет виддр,\',73=0.(1.3)Для каждой конкретной системы уравнения состояния определяютсяиз модельных представлений о структуре вещества или опытным путем.Уравнение идеального газа может быть получено исходя из молекулярно-кинетической теории газа:РУ __7К __ сопЅІ или ру -_ КТ,(1-4)где К - газовая постоянная.Для реального газа может быть использовано уравнение Ван-дер- Ваапьса:(р+ў-)(у-ь›=кт.а“05)Идеальным газом называется газ, в котором пренебрегают потенциальной энергией силового взаимодействия между молекулами, а такжеобъемом самих молекул.В уравнении состояния реального газа отношение а/у2 учитываетвлияние сил притяжения между молекулами на внутреннее давление га-за, а величина Ь является собственным объемом молекул.12Постоянную К в уравнениях называют индивидуальной газовой постоянной.1.3.

Смеси идеальных газовВ практических приложениях термодинамики большей частью приходится рассматривать такие смеси газов, когда компоненты не вступаютдруг с другом в химические реакции. Примером может служить воздух,состоящий из смеси кислорода и атмосферного азота (последний вклю-чает и все остаточные газы, входящие в воздух в малом количестве, в томчисле углекислый газ, аргон, гелий и пр.).Состав смеси газов может быть задан различными способами.Во-первых, указанием массовых долей компонентов смеси 3,. в доляхединицы (или в процентах):і=п3|+32+ш+3п=2 =Іі=І|=п2тд=1.і=І(1.6)Массовая доля 3,.

= Мі/ М, (ті); (здесь Мі - масса компонента смеси; Ммасса смеси).Во-вторых, указанием объемных долей компонентов смеси гі:г'+г2+...+!',,='2:1'(17)Объемная доля г, = Уі/У (здесь І/і- парциальный объем компонентасмеси; У- объем смеси).Парциальным объемом компонента смеси называют часть объема смеси,которую занимает компонента, сжатая при температуре смеси до давлениясмеси.В-третьих, указанием молярных компонентов смеси М,- в долях единицы:і=п~,+~2+...+~,,=2~,-=1.і=І(1.8)Молярный компонент М, = пі/Хпі (здесь пі - число молей компонента смеси).Нетрудно доказать, что для идеального газа Ні = гг Действительно,умножая числитель и знаменатель на объем І моля вещества У", получимобъемы компонента и смеси:13Таким образом, задание смеси идеальных газов объемными долямикомпонентов равносильно заданию смеси молярными долями отдельных газов.Давление смеси газов можно представить как сумму парциальн ых давлений компонентов смеси (опытный закон Дальтона):1:"Р=Р1+Р2+ ~~+Рп=2рьі=І(19)где рі- парциальное давление, оказываемое отдельным компонентом вобъеме всей смеси при неизменной температуре.Пересчет состава смеси с массовых долей на объемные и обратно мо-жет быть произведен после введения понятия кажущейся молекулярноймассы смеси газов ре по формулам:ІЫЕті/Ріі=|''ЁМ(1.12)Для газовой смеси справедливо уравнение состояния идеального га-за, если в него ввести условную величину газовой постоянной смеси КС,ру=мкст.(1.13)Газовая постоянная смеси газов, кДж/(кг-К), может быть вычисленапо формулам:"к Ш;не исКс=_=(1.14)і=п-КС=ётдкіІ1:"171.(1.15)Ґі_С помошью подобных соотношений можно подсчитать удельныйобьем и плотность смеси газов:\, мз/кг;Ч_і.\',''='р = [_пІ=Ёт;і=| Ріі=пЁгірд,(1.16)1мь /кг.(1.17)Парциальное давление компонентов, входящих в состав смеси,(1.18)р,=гр.1.4.

Теплоемкость газов и их смесейТеплоемкостью называют отношение количества теплоты, необходимоедля изменения температуры в вешестве, на бесконечно малую величину:(ЮСей--(1.19)Такую теплоемкость называют истинной.При решении практических задач используют среднюю теплоемкость условную постоянную величину в определенном интервале температур:-_(2С'ц-д'Ф00ПїтВ зависимости от единиц количества вещества различают:массовую теплоемкость с, кДж/(кгК):молярную теплоемкость рс или Ср, кДж/(кмоль~ К);объемную теплоемкость С, с', отнесенную к І м3 газа при нормальных фи-зических условиях (р = 760 мм рт.