Лекци@07-Термодинамические_процессы [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF))

Лекции по термодинамикедоцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.Э6нергомашиностроение.Лекция №7Термодинамические процессы•Термодинамическая система и процессы в ней.•Обратимые и необратимые процессы.•Основные процессы идеального газа.Термодинамическая система и процессы в нейТермодинамическим процессом называется последовательное изменение состояния тела илигруппы тел при переходе из одного равновесного состояния в другое.

При этом параметры,характеризующие состояние тел, будут непрерывно изменяться. Однако в частных случаяхотдельные параметры при протекании термодинамического процесса могут оставаться неизменными.Состояние рабочего тела, при котором давление в любой его точке имеет одно и то же значение,называется состоянием механического равновесия. Если же по объему рабочего тела остаетсянеизменной его температура, то говорят о термическом равновесии тела.Пользуясь этими понятиями, можно следующим образом сформулировать условия равновесногосостояния рабочего тела: для равновесного состояния рабочего тела необходимо и достаточно, чтобы в нем соблюдались механическое и термическое равновесия.Состояние рабочего тела или происходящий в нем процесс определяются только характером еговзаимодействия с окружающей средой, т.

е. с другими телами. В связи с этим вводится понятиетермодинамической системы (в дальнейшем просто системы) как совокупности различныхфизических тел, имеющих возможность вступать в термические и механические взаимодействия, т. е.обмениваться энергией в форме теплоты или работы между собой и окружающими систему телами.Рассмотрим одну из термодинамических систем. Газообразное рабочее тело помещено в цилиндр,плотно закрытый подвижным поршнем с площадью сечения F м2 (рис. 1). На поршень во взаимнопротивоположных направлениях действуют сила давления газа pF и сила Р' некоторого тела, котороебудем называть источником работы (и.

р.). Между источником работы и рабочим телом можетпроисходить обмен энергией в форме работы. Кроме того, в систему входит один или несколькоисточников теплоты (и. т.), т. е. тел, с которыми рабочее тело может обмениваться энергией вформе теплоты. При некоторых условиях каждый источник может отдавать рабочему телу илиполучать от него теплоту. Если при таком теплообмене рабочее тело не будет деформироваться, т.

е.поршень останется неподвижным, то согласно уравнению непосредственным результатомтеплообмена явится увеличение (подвод теплоты) или уменьшение (отвод теплоты) внутреннейэнергии рабочего тела на величину, соответственно равную количеству подводимой или отводимойтеплоты.2Рис. 1. Примертермодинамической системыОбратимые и необратимые процессыБолее подробное рассмотрение свойств равновесных и неравновесных процессов приводит кустановлению понятия об обратимых и необратимых процессах.Процесс 1—2 (рис.

1, б) будет обратимым, если при протекании его в прямом направлении (отсостояния 1 к состоянию 2) в системе происходят такие изменения, которые обеспечиваютвозможность протекания процесса в обратном направлении (от состояния 2 к состоянию 1), так что врезультате его все элементы системы пройдут через те же состояния, через которые они проходили впрямом процессе, но в обратном порядке, а в конце обратного процесса вся система придет в тосостояние, которое было к началу прямого процесса.Необратимый процесс в общем случае также можно провести в обратном направлении, но нечерез те же состояния, через которые система проходила в прямом направлении, и в результатенеобратимого процесса система не восстановит начального состояния.3Обратимыми процессами могут быть только равновесные.Все неравновесные процессы — необратимые.Основные процессы идеального газаРис.

2. Обратимый процесс в системес одним источником теплоты постояннойтемпературы (T = const)Рис. 3. Обратимый процессв системе без источниковтеплоты (адиабатный процесс)Характер возможного обратимого процесса в данной системе определяется ее свойствами.Рассмотрим некоторые обратимые процессы в различных системах.1. Система включает в себя один источник теплоты постоянной температуры. В такой системеединственно возможным обратимым процессом явится процесс, в течение которого температураРабочего тела остается постоянной и равной температуре источника (рис.

2). Такой процессназывается изотермическим. Все остальные процессы в этой системе могут протекать только снарушением термического равновесия в ней, т.е. необратимо.2. В системе нет источников теплоты. Обратимым процессом этом случае может быть толькопроцесс бесконечно медленного превращения внутренней энергии рабочего тела в работу4(или наоборот). Такой процесс называется адиабатным (рис.

3).3. Система включает в себя бесконечно большое число источников теплоты, причем припоследовательном переходе от источника к источнику осуществляется плавное, непрерывноеизменение температуры; другими словами, разность температур любых двух соседних источниковесть величина бесконечно малая, т.е. Тп—Tn-1=dT.Рис. 4. Обратимый процесс в системес бесконечно большим числом источником теплоты5Изохорный процессВ координатах v-p этот процесс представится прямой, параллельной оси ординат (рис. 5).Очевидно, уравнением процесса явится зависимостьυ = constp1υ = RT1p 2υ = RT 2p1 T1=p 2 T2(1)(2)Между давлением и температурой в процессеv = const существует прямая зависимость.Уравнение первого закона термодинамики длябесконечно малого участка процесса:dq = cυ dT + pdυРис. 5.

Изохорный процесс6Так как v = const, то dv = 0, т. е. работа газа в процессе равна нулю и(3)(4)dq = cυ dTподводимая энергияq = cυm (T2 − T1 ) = u2 − u1изменение энтальпии∆h = (u2 − u1 ) + ( p2υ − p1υ ) = ∆u + υ ( p2 − p1 )(5)(6)∆h = c pm (T2 − T1 )Изобарный процессВ координатах v-p он представится прямой,параллельной оси абсцисс (рис. 6). Связьмежду удельными объемами и температурамиопределится из уравненийp = constp υ 2 = RT 2p υ 1 = RT 1отсюда(7)υ1T1=υ2T2Рис. 6. Изобарный процесс7Уравнение первого закона термодинамики для бесконечно малого элемента процесса:dq = cυ dT + pdυl = p(υ2 − υ1 )q = cυm (T2 − T1 ) + p (υ2 − υ1 )(9)(10)dq = c p dT − υdpdq = dhdq = c pm (T2 − T1 ) = h2 − h1 = ∆h(11)8Изотермический процессИзотермический процесс (Т = const).

В координатах v-p этот процесс представится известнойкривой Мариотта (рис. 7), а его уравнением будет уравнение закона Бойля — Мариотта:p υ = constυp1= 2υ1p2dq = cυ dT + pd υdq = pd υ2l=∫ pd υ1p=l = RT lnRTυ2; l = RT ∫1dυυРис. 7. Изотермический процессυ2υpυp; l = 2,3RT lg 2 ; l = 2,3RT lg 1 ; q = 2,3RT lg 2 ; q = 2,3RT lg 1 (14)υ1υ1p2υ1p29Адиабатный процесс0 = c p dT − υdppυT=Rc p pdυ + (c p − R )υdp = 0c p − R = cυc p pdυ + cυυdp = 0cpcυpdυ + υdp = 010cp=kcυkpdυ + υdp = 0dυ dpk+=0pυk ln υ + ln p = constpυ = constkυ1 kp 2 = p1 ( ) ;υ2υ1'p 2 = p1 ( )υ2(15)Рис. 8.Совместное изображениеадиабаты и изотермыk υ1   υ1   <   υ2   υ2 11k1/ kp1  υ 2 =   ;p2  υ1 υ1  p2 =  υ 2  p1 0 = cυ dT + dl ;dl = −cυ dTc p − cυ = R;k −1 =R;cυcυ =Rk −12Rdl = −dT ;k −1l=(16) (17)RRl=−dT=−(T2 − T1 )∫k −1 1k −1R(T1 − T2 );k −11( p1υ1 − p2υ 2 );l=k −1l=RTT(1 − 2 )k −1T1p1υ1p2υ 2(1 −)l=k −1p1υ1k −1p1υ1   υ1  1 −   l=k − 1   υ2  (18) (19)(20) (21)(22)12k −1kp1υ1   p2  l=1 −  p1  k −1T2  υ1 =  T1  υ2 k −1T2  p2 =  T1  p1 (23)k −1k(24)(25)∆u = u2 − u1 = cυm (T2 − T1 )(26)∆h = h2 − h1 = c pm (T2 − T1 )(27)13Контрольные вопросы•••••••••Условия равновесного состояния рабочего телаТермодинамическая система, степени свободы системы.Изохорный процессИзобарный процессИзотермический процессАдиабатный процессСвязь отношений V и T в адиабатном процессе.Связь отношений P и T в адиабатном процессе.Обратимые и необратимые процессы.14.