Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Его можно получить, если уравнение (45) представить в виде й — Тбз — эйТ = пг)р — абТ, откуда д (( — Та) = пор — абТ. Изотермно-изобарный потенциал бй=г)(г — Тз); 0=( — Тз (52) также определяется только параметрамн состояния и поэтому является функцией состояния. С учетом (5!) уравнению первого закона термодинамики может быть ~ придан вид 66 = ог)р — ж1 Т. (53) ,. Анализ выражений (39), (45), (50) н (53) показывает, что и = 7 (з, о); ( = т (з, р); Е = ) (Т, и); б = 1 (Т, р). Знание этих функций дает возмохгиость с помощью обычных математических преобразований на- ходить зависимости меисду основными параметрами состояния, поэто- му такие функции были названы характеристическими. Выражения (39), (45), (50) н (53) равноценны между собой, и выбор того или иного из них определяется конкретными условиями решае. мой задачи, Так, например, первый закон термодинамики (49) применим для '.анализа как закрытых, так и открытых термодинамических систем, спо.
,"собиых обмениваться с окрумгающей средой теплотой, работой и всеством (массой). Энергия Е открытой системы (см, рис, 1, б) изменяется за счет вза- ~~модействия а окружающей средой в виде теплоты 6Я, технической р)аботы 6(.„массообмена бт. Поступающая в систему через контроль- ную поверхность масса обладает запасом удельной внутренней и, дельной кинетической юЧ2 и удельной потенциальной (в поле тяго- "иня) дй энергии так, что полный запас удельной энергии и + щ'/2 + 46.
Кроме того, при вводе массы в систему совершается работа, рав- ая произведению силы р( на перемещение х, или р(х = рУ (для удельй величины рв). -' С учетом перечисленных изменений энергии открытой термодиначеской системы уравнение первого закона термодинамики можно едставить в виде ЛЕ = Е, — Е, = 69 — 66, + (и + рв + иР!2 + дй)6т и с учетом (44) ЛЕ = Е, — Е, = 6Я вЂ” 6Е, + (1+ аР/2+ Яйт. В случае стационарного потока вещества (такие открытые системы нааываются проточными) энергия системы не изменяется: ЬЕ = О н ! ч = /г — /1 + Е (/гз — /г,) + — (шг — ш () + /т 2 или для бесконечно малого процесса (54) г)о = б/ + б (шз/2) + Ебй + б/ .
Кинетическая и потенциальная энергии потока вещества, которы; ми обменивается система с окружающей средой, могут быть полностью превращены в работу, поэтому удельная располагаемая работа открытой системы представляет собой сумму этих видов энергии и работы !„= (, + б (ш'/2) + д/г .
(55) и то~да уравнение (54) приводится к виду (49). Уравнение (54) следует использовать также и в тех случаях, когда состояние рабочего тела во всех точках открытой системы периодически и одновременно становится идентичным предшествующим состояниям в тех же точках. В связи с этим уравнение (55) применимо для анализа работы не только турбин нли реактивных двигателей, но и поршневых двигателей, работающих циклично, или отдельных агрегатов любой тепловой установки.
Обычно изменение высоты и центра тяжести потока невелико, в связи с чем с достаточной степенью точности можно принимать условие оч = О. Если, кроме того, поток не совершает технической работы (/, = О), то уравнения (54) можно представить в упрощенном виде: г(д = г)/ + г) (и'/2). (56) ~ Уравнение (56) обычна называют уравнением первого закона тер- ~ мопинамики для потока газа. Располагаемая работа (55) в этом случае полностью определится ) изменением кинетической энергии потока, поэтому г(/д = г) (ш'/2) = — ог)р.
(57) Вто же соотношение нетрудно получить, сопоставляя уравнение (56) с уравнениями (46) и (48). Глава В! ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ $12. Сущность второго закона термодинамики Второй закон термодинамики, как и первый, является эмпирическим, выводится непосредственно из опыта н определяет направление естественных (самопроизвольных) процессов, протекающих в природе, Известно много различных формулировок второго закона термодина.' мики, отражающих те или иные особенности таких процессов.
Однако „о физическая сущность наиболее отчетливо раскрывается в формулировне, данной Больцманом, Он подчеркнул свойство природы стремиться от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным, Известий, что наиболее вероятным состоянием термодинамической системы является ее термодинамическое равновесие. Если теплоизолированную термодинамическую систему вывести из состояния термодинамического равновесия путем создания разности, например, температур между различными телами системы, то за счет самопроизвольных естественных процессов теплообмена эта система придет к состоянию термодинамического равновесия, при котором все гела системы будут иметь одинаковую температуру.
На этом же.очевидном факте основывается формулировка второго закона термодинамики, предложенная )глаузиусом (1850): теплота сама собой переходит лишь от тела с Гюлее высокой температурой к телу с более низкой температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении. Следовательно, равновеснбе состояние системы может измениться только вследствие внешнего воздействия со стороны окружающей среды. Второй закон термодинамики, определяющий условия протекания термодинамически х процессов в определенном направлении, имеет чрезвычайно важное значение для обеспечения эффективной работы тепловых машин. й 13.
Понятие о равновесных и обратимых термодинвмических процессах Реальныетермодинамическне процессы всегда возникают в результате воздействия на систему окружающей среды, выводящей систему из состояния термодинамического равновесия. Следовательно, все Реальные процессы являются неравновесными, Однако неравновесные процессы чрезвычайно сложны и 'трудно- применимы для теплотехнических расчетов. Это приводит к необходимости такие неравповесные процессы определенным образом идеализировать. С этой целью неравновесные процессы обычно заменяются ..Равновесными процессами, т. е, такими, при которых термодинамичес- кая система последовательно проходит бесконечный ряд равновесных ' состояний, бесконечно близких друг к другу.
Такой процесс можно ' представить протекающим очень медленно при исчезающе малом раз- личии состояний самой термодинамической системы и окружающей ' среды. Пусть, например, состояние рабочего тела, характеризуемое опреецными значениями давления р и удельного объема и в координаи, р изображается точкой 1 (см, рис. б, а).
Термодинамический прос, сопровождающийся изменением этих параметров, изображается ивой Р2. Однако графическое изображение такого процесса оказытся справедливым лишь при выполнении вполне определенных усий, Действительно, если скорость протекания процесса 1-2 конеч- на (что обычно имеет место в тепловых машинах), то непосредственны- ми замерами параметров рабочего тела можно установить, что при ко.
печной скорости движения поршня давление и температура оказыва- ются различными в разных частях объема цилиндра. В частности, при расширении давление и температура в слоях, прилегающих непосред- ственна к днищу поршня, окажутся меньшими, чем в слоях, от него удаленных. Разность в значениях р и Т по объему тем большая, чем выше скорость процесса (движения поршня), В рабочем теле при этом условии появляются поля давлений и температур. Подобные поля сох- раняются и при протекании процесса в обратном направлении (по пунктирной стрелке), с той лишь разницей, что более уплотненными и более теплыми окажутся в этом случае слои рабочего тела около дни- ща поршня, Таким образом, в обоих рассмотренных случаях равновесие в ра- бочем теле не устанавливается, поэтому такой процесс, называемый неравновесным, нельзя изображать в рассматриваемой диаграмме, так как само изображение предполагает, что для любой точки рабоче- го тела давление и температура одинаковы.
В частности, в точке 1 во всех частях объема цилиндра должны быть единое давление р, и еди- ный удельный объем о,. Чтобы получить термодинамический процесс, близкий к равновес- ному, надо уменьшить скорость его протекания. Однако полное равно- весие в любой его точке может быть достигнуто лишь тогда, когда пор- шень остановится пусть на самый короткий промежуток времени и про- цесс прервется. Если затем процесс продолжается и поршень, пройдя бесконечно малый путь, вновь остановится, то равновесие восстано- вится вновь, но с параметрами, бесконечно мало отличающимися от предыдущих. Процесс, протекающий указанным образом на всем своем протя- жении, состоит из ряда последовательных состояний равновесия и мо- жет быть поэтому назван равновесным процессом.
Такой процесс яв- ляется только теоретическим процессом. Действительные процессы, всегда протекающие с конечными скоростями, к равновесным процес- сам могут лишь приближаться втой нли иной мере. Термодинамика рассматривает именно равновесные процессы благодаря их простоте. Полученные для них закономерности широко используются в практи-, ческой теплотехнике, потому что скорость распространения импуль-, сов давлений по объему рабочего тела значительно больше скорости движения поршня и при любом его положении состояние рабочего те-: ла мало отличается от равновесного.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
