teplotekhnika (Учебник по теплотехнике. Ерофеев, Семенов, Пряхин), страница 5

Схема соотношениймежду термодинамическимифункциями-потенциалами4`ТЅ'_<ТЅ=ЕФАру аА`рУ_'=3. Энтальпия І= Н+ рУ; оІ= ТсіЅ+ Уор;4. Свободная энтальпия (изобарно-изотермический потенциал илиэнергия Гиббса, термодинамический потенциал Ф = І - ТЅ; оФ = -ЅсіТ ++ Уор.Удельный массовый термодинамический потенциал называют хими-ческим потенциалом(1.40)ф=і- ТЅ.Схема соотношений между этими функциями представлена на рис. 1.2.Теория дифференциальных уравнений термодинамики позволяет вычислить потенциалы - движущие силы различных частных процессов.1.6. Основные законы термодинамикиПервое начало термодинамики для закрытой и открьпой систем. Первое на-чало - первый закон термодинамики может быть рассмотрен для двух случаев:Ф система закрытая - рабочее тело как целое не перемещается (неподвижФное тело) в поле равномерно распределенных сил давления;система открытая - рабочее тело находится в потоке, движущемся в канале, причем давление на входе в канал отлично от давления на выходе изнего (случай потока) в поле неравномерно распределенных сил давленияр.

Полная энергия Е рабочего тела складывается из внутренней энергии,потенциальной энергии давления и кинетической энергии движения телакак целого:- + мир + м",2Е-иТ.(1.41)Запишем общее уравнение первого закона термодинамики для закрытой системы при условии теплового о Си деформационного (механи-ческого) оЬ' воздействий - наиболее часто встречающийся случай(рис. 1.3). Тогда сумма этих воздействий р' среды на тело преобразуется визменение энергии рабочего тела [см.

(1.2)1.21Рис. 1.3. Закрытая система (нс-подвижнос рабочее тело)Для неподвижного рабочего тела оЕ = с! (І, тогда (Ш = оО+ оЬ'.Заменяя работу сил среды над телом работой тела над средойоЬ' = -оЬ, получимао=аи+ аЬ или ао=аи+ мрау; а4=аи+рау.(1.42)Первый закон термодинамики для закрытой системы можно сформулировать следующим образом: теплота, подведенная к телу из внешнейсреды, расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела и совершение им внешней механической работы.Иная форма уравнения первого закона термодинамики может бытьполучена следующим образом.

Из формулы прирашения энтальпии оі == би + (Кру) находим значение би + рсІу = оі - усір. Тогда(іс!!!._О=_+рсі\›; 64:61-усір.М(1.43)МПервый закон термодинамики для открытой системы в случае теплоВОГО И МСХЗНИЧССКОГО ВОЗДСЙСТВИЙ ЗаПИШеТСЯ Следующим ОбраЗОМ:сіЕ=сШ+Мо(р\/)+Мсти/22=о@+сіц,или, разделив на М и преобразовав с учетом равенства сіЬ'Т = -сі ЬТ, получимсти/2(іс/=сіи+сі(р\›)+Т+сіІт.=с11+сіпот,(1-44)где о!Т - техническая работа; (НПОТ - работа потока.2а/,ют = 0% - а/Т.(1.45)Для открытой системы первый закон термодинамики формулируется:подведенная к системе теплота преобразуется в изменение энтальпии ирасполагаемую работу потока.Располагаемая работа потока складывается из двух работ:Ф работы истечения о Ид/2, производимой равнодействуюшей сил рабочего тела против отбегаюшего и набегаюшего потоков в сечениях І-Іи ІІ-ІІ(рис.

1.4) и перемешаюшую рабочее тепло по каналу;22я/Цы.Ґ за\Рис. 1.4. Открытая система (рабочее тело в потоке)С:1тФ технической работы сіІт, производимой равнодействуюшей сил рабочего тела на стенки канала и перемешаюшей канал.К открытой системе может быть применено выражение (1.43), в котором энтальпия і может характеризоваться как внутренняя энергия потока, складываюшаяся из внутренней тепловой и и внутренней механической ру энергии, работ с! пот= -иір может быть названа располагаемойработой потока. Работа потока может быть получена лишь в поле пере-менного давления (координата р) при наличии разности плотностейІ/р = у в системе и окружающей среде (плотность - потенциал).Полученные уравнения первого закона термодинамики могут бытьиспользованы для термодинамического анализа процессов, протекаюших в системе.Предварительно рассмотрим рабочую и тепловую диаграммы(рис.

1.5).рлТА_2І_1-2Ірф'р><~64=Тоз(11:1,с1УЧ\\\\\сіуу“Щ\\\\ Е'їїИРис. 1.5. Рабочая (а) и тепловая (б) диаграммы23Для рассматриваемой системы с двумя степенями свободы уравнениесостояния имеет, как указывалось ранее, функциональную зависимостьЦр, у, 7) = О. Из этого соотношения следует, что состояние рабочего те-ла (или системы) однозначно определяется заданием каких-либо двухпараметров состояния. Остальные параметры могут быть определены спомощью уравнения состояния конкретного вида.Выберем плоскую систему координат, например, ру или ТЅ.

Каждойточке на плоскости соответствует некоторое равновесное состояние рабочего тела, т.е. такое состояние, при котором во всех точках занимаемого телом объема одинаковы все соответствующие параметры состояния.Непрерывный ряд равновесных состояний представляет равновесный процесс, который может быть изображен линией на диаграммах ру или Тз.Начальное состояние отмечают точкой І, конечное - точкой 2.Элементарное механическое деформационное воздействие (1/ изобразится площадкой на диаграмме ру, а элементарное тепловое воздействиеос] - на диаграмме ТЅ.Если произвести интегрирование по процессу, то получим общуюформулу для определения работы изменения объема2І1_2 = ІІ)а\/,І(1.46)и общую формулу для определения теплоты, участвуюшей в процессе,2=Чн-2 ІТа-ї'1(1.47)Если рассмотреть в осях ру процесс, протекающий в открытой системе (впотоке), в поле неравномерно распределенного давления, то элементарнаярасполагаемая работа потока сі/поТ = -усІр изобразится площадкой на оси давлений (рис.

1.6), а общая формула для определения располагаемой работыпотока2Іпот = “І Уар'1(1.48)Для вывода расчетных формул для теплоты и работы необходимознать уравнение процесса изменения состояния. Различные частныепроцессы изменения состояния рассматривались ранее в курсе физики.Поскольку площадь под линией процесса в осях ру (см. рис. 1.5) характеризует работу в процессе, диаграмма была названа рабочей, а диаграмма ТЅ - тепловой.Следует отметить, что диаграммы наглядно иллюстрируют и знакиВоздействия.

Так, если оу а: О, то при механическом деформационномвоздействии работа изменения объема (11: О, при сіу = О и сі/ = О, т.е. ука24Р А1Рис. 1.6. Работа потока17////'т =-ЁІ хдр(или= _удр\2ё>уУзанное воздействие отсутствует. Аналогично, при (із > О теплота подводится к рабочему телу ((14 > 0), при (із < О и (14 < О, а при ов = О теплообмен отсутствует.Все термодинамические характеристики удобно делить на две группы функции процесса и функции состояния. Если какая-либо термодинамическая характеристика зависит от характера протекания процесса, то ее называют функцией процесса. Если физическая характеристика не зависит от характера протекания процесса, ее называют функцией состояния. Очевидно, что изизвестных уже физических величин функциями процесса являются работа аи теплота б (рис.

1.7), а функциями состояния - все параметры состояния.барітТттРис. 1 .7. Функции процессовФункции состояния изменяются на конечную (р2 - рІ = Ар) или бесконечно малую величину.Функции процесса проявляются лишь в процессе изменения состояния, они оцениваются количеством - конечным за процесс (ОР2 или1,\_2) либо бесконечно малым о Оили (11. - за бесконечно малый процесс.Второе ттачало термодинамики. В целях осмысления закона одностороннего развития естественных процессов рассмотрим качественные характеристики энергии и виды ее превращений.Энергия есть общая мера различных форм материального движения,причем форма движения является лишь одной из качественных характеристик энергии.25Под формой энергии подразумевают различные виды энергии - механическую во всем ее многообразии, электромагнитную, химическую,ядерную, потенциальную силовых полей, термическую и т.д.Качественными характеристиками энергии каждого вида помимоформы движения являются интенсивность движения и плотность концентрации энергии.Фактором интенсивности движения является энергетический потенциал.

Так, например, интенсивность теплового движения характеризуется температурой. Интенсивностью электрической формы движения яв-ляется электрический потенциал, химической энергии - химическийпотенциал и т.д.Объемная плотность концентрации О, Дж/мз, энергии представляетсобой отношение энергии Е, содержащейся в данном энергоносителе, кего объему У: О = Е/ИПод превращением энергии следует понимать изменение каких-либоее качественных свойств - формы движения, интенсивности движенияили объемной плотности энергии. Превращения энергии могут протекать самопроизвольно (спонтанно) и принудительно. Самопроизвольные превращения сопровождаются рассеянием (диссипацией) или обесЦениванием (деградацией) энергии, принудительные превращения концентрацией энергии.Классификация элементарных превращений энергии представленана рис.

1.8. Превращения: І-го рода - изменение формы движения; 2-города - изменение интенсивности движения; З-го рода - изменениеплотности концентрации энергии.Примером самопроизвольного превращения 1-го рода может служить превращение работы в теплоту, например, в теплоту трения, джоулеву теплоту и т.д. П ринудительным преобразованием І-го рода является превращение теплоты в работу в различного рода тепловых двигателях.Примером самопроизвольного превращения 2-го рода может бытьпередача теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой (от газов в топке котла к воде и пару, от батареи отопления квоздуху и т.п.).