Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

! (4.37) 46 В равновесных квазистатических процессах давления рабочего тела и окружающей среды равны; это давление и подставляется в формулы (4.36) и (4.37). В действительных процессах (неравновесных) работа может происходить только при значительной разности давлений; в таких случаях в формулы Р (4.36) и (4.37) надо подставлять то дав- 1 4 ление, которое преодолевается, т. е. меньшее.

Я 3 Поскольку абсолютное давление всегда величина положительная, то Н и ~Л/ имеют одинаковые знаки: если аТ ) О, то Ж. ) О, т. е. при расширении работа, совершаемая рабочим телом, б 3 и положительна; если с(т" ( О, тон(. СО, т. е. работа, совершаемая внешней средой над телом (работа сжатия), отри- цательна. Из уравнений (4.36) и (4.37) видно, что поскольку давление в процессе изменения состояния переменно, то интегрирование, а следовательно, и определение работы возможно только в том случае, когда известна зависимость между и и $~. Таким образом, работа зависит от процесса, который происходит с газом.

Если взять систему координат р-'к', то процесс, определяемый условием р =1(т'), изобразится в виде кривой 1-2-3 (рис. 4.!). Элементарная работа газа на этой диаграмме изобразится в виде заштрихованной площади, а работа газа в процессе изменения состояния от точки 1 до точки 3 — площадью, ограниченной кривой процесса 1-2-3, крайними ординатами и осью абсцисс, т. е.

пл. 123561. Для процесса, изображенного кривой 1-4-3, работа будет определяться пл. 143561. На основании всего вышеизложенного, зная функциональную зависимость р = г (У), определим работу газа (4.38) Вследствие того, что работа газа является функцией процесса, а не функцией состояния, 4((. не полный дифференциал.

Работа, определяемая по уравнениям (4.34) — (4.37), представляет работу в квазистатическом обратимом процессе. В реальных условиях при сжатии газа в цилиндре компрессора к поршню необходммо прикладывать большее давление, чем давление сжимаемого газа р, для возможности движения поршня со скоростью, отличной от нуля, так как при сжатии газа обязательно имеет место трение, неравновесность и турбулизация. В результате при сжатии необходимо совершить большую работу, чем в обратимом квазистатическом процессе. Наоборот, в процессе расширения газа действительная работа будет меньце, чем полученная в обратимом процессе.

Разница между действительной работой и работой в обратимых процессах называется рпботой диосмлации. При дальнейшем изложении будем рассматривать только работу в обратимых гроцессах. При расширении такая работа будет максимальной, а при сжатии — минимальной. В заключение анализа первого закона термодинамики отметим, что теплота является функцией процесса, так как алгебраическая сумма внутренней энергии и работы зависит от характера процесса. Поэтому теплота не является параметром состояния, а 4(4~ не является полным дифференциалом. ГЛАВА У ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ й 1.

Равновесные термодинамические процессы и их обратимость Уравнение состояния справедливо только для газа, паходяшсгося в равновесии. В этом случае температура и давление одинаковы во всем объеме газа. Если газ не изолирован от внешней среды, то равновесное состояние возможно только при условии полного равновесия с окружающей средой. Достаточными условиями термомеханического равновесия являются: 1) равенство давлений газа и окружающей среды; при равенстве давлений газ не изменяет объема и, следовательно, передача энергии путем работы оп4сулгсглвует. Это равенство давлений обеспечивает механическое равновесие; 4т 2) равенство температур газа и среды; при равенстве температур„ т.

е. при термическом равновесии, не возникает передача энергии путем теплообмена. Всякий термодинамический процесс может возникнуть только при нарушении механического нли термического равновесия, т. е. при сжатии или расширении газа (давление среды больше или меньше давления газа), при нагреве или охлаждении газа (температура среды больше или меньше температуры газа). Чем сильнее нарушается равновесие, тем быстрее в об1цем случае проходит процесс и тем более резко будет нарушаться состояние покоя газа: в газе возникают конвекционные токи, вызываемые разностью температур в массе газа, и вихревые движения, вызываемые разностью давлений.

Для газа, находящегося в таком неустойчивом состоянии, уравнение состояния не может быть применено до тех пор, пока газ не придет в состояние равновесия. Для того чтобы во время этих изменений уравнение состояния было бы справедливо, необходимо, чтобы газ во всей своей массе имел одинаковые давления и температуры, а для этого необходимо, чтобы изменения его состояния происходили очень медленно, вернее, даже бесконечно медленно. Бесконечно медленные изменения состояния газа возможны только при условии наличия бесконечно малых разностей давлений и температур газа и окружающей среды. Процессы, происходящие при бесконечно малых разностях давлений и температур, называются равновесными процессами, а так как они протекают бесконечно медленно, то их называют иногда квазистатическими (дословный перевод с латин.

ского: почти равновесными). Равновесные процессы могут одинаково идти в противоположных направлениях, так как для изменения направления достаточно только на бесконечно малую величину изменить давление или температуру газа или окружающей среды. Такоесвойство равновесных процессов называется обратимоспгью; при обратном направлении обратимого процесса газ последовательно, но в обратном направлении, проходит те же состояния, которые он проходил в прямом процессе. Обратимый процесс, осуществленный в обоих направлениях, не производит изменений в окружающей среде.

Вышесказанное приводит к заключению, что для полной обратимости процесса необходимы следующие условия: 1) механическое равновесие, т. е, равенство давлений газа и среды; 2) термическое равновесие, т. е. равенство температур газа и среды; 3) отсутствие диссипативных эффектов, таких, как трение, турбулентность и т. п. В ходе термодинамического процессса будут меняться равновесные параметры системы (тела), связь между которыми дается уравнением состояния )' (р, 'г', Т) = О, и внутренняя энергия, изменение которой можно определить по уравнению вида ~ ((У, Т, )') = О. Изменение внутренней энергии определяется характером энерго- обмена между системой и окружающей средой.

Для термомеханиче- 48 ской системы изменение внутренней энергии определяется механическим и тепловым эффектами процесса. Для установления этих зависимостей необходимо знать уравнение процесса в какой-либо системе координат. Наиболее распрсх траненной является система координат (или диаграмма) р — о. При изображении процесса на р — о-диаграмме рабста газа определяется площадью, ограниченной кривой процесса, осью абсцисс и крайними ординатами. Для любой точки процесса из диаграммы известны давление р и удельный объем о, а температура газа в этой точке процесса определяется из уравнения состояния.

Графическое изображение процесса позволяет яснее представить разницу между функциями состояния и функциями процесса. Пусть на рис. 5.1 даны точки 1 и 2, характеризующие начальное а конеч- е к Рис. 5.2 Рис. 5л ное состояния газа в процессе. Между этими двумя точками можно провести сколь угодно разных кривых и каждая кривая будет представлять собой процесс; причем работа газа в каждом процессе будет определяться (как указано выше) площадью, ограниченной кривой процесса а или б, или в, или г в то же время изменения величины внутренней энергии и энтальпии определяются только состоянием газа в точке 1 и 2 независимо от того, какой процесс был газом совершен.

При изучении тепловых машин большое значение имеют круговые процессы, или циклы. Циклами называются замкнутые термодинамические процессы, в ходе которых рабочее тело, пройдя целый ряд состояний, возвращается в первоначальное. Цикл, состоящий из обратимых процессов, называегся обраепимым ииклом. Если один из процессов, входящии в цикл, необратим, то цикл называется нвобрапшмым. Так как в результате совершения цикла газ приходит в начальное состояние, то изменение внутренней энергии за цикл равно нулю Л(1 = О. На рис.

5,2 представлен цикл 1-2-3-4-!. Если цикл псютекает по движению часовой стрелки 1-2-3-4-1 — это прямой цикл; циклы, проходящие в направлении 1-4-3-2-1 (против движения часовой стрелки),называются обратными. Обратимые процессы — это чисто теоретические процессы; действительные процессы всегда в ббльшей или меньшей степени не- обратимы, т.

е. они могут идти самостоятельно только в одном направлении, Лля обратного протекания процесса необходима затрата извне некоторого количества энергии, Ряд простых примеров подтверждает эти выводы. Газ всегда вытекает из резервуара в окружающее пространство, если в этом пространстве давление ниже, чем в резервуаре, Лля подачи газа в резервуар необходимо использовать компрессоры, потребляющие извне механическую работу.

Теплота может переходить только от горячего тела к холодному, но для обратного направления теплового потока необходимо применение холодильных машин, которые, получая извне механическую работу, заставляют теплоту перетекать от холодного тела к теплому. Из этих примеров видно, что обратное направление любого действительного (необратимого) процесса возможно только при условии подведения к системе, в которой происходит этот процесс, дополнительного количества энергии извне; Рассмотренные примеры действительных процессов показывают. что все явления в природе проходят в направлениях, приводящих к равновесию в системе; эти явления идут в направлении уравнивания давлений и температур. Особо следует отметить естественное направление процессов превращения механической работы в теплоту.

Характеристики

Список файлов книги