Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Системы, обладающие двумя степенями свободы (термической и деформационной), называют простыми или териодеформаЧиаиныьчи. На рис. 1, в представлена схема сложной термодннамичегкой системы с четырьмя степенями свободы: деформационной, термической, электрической и магнитной.

Рабочим телом этой системы служит газ с диэлектрическими и парамагнитными свойствами (например, кислород). Его энергию можно изменить сжатием, подводом теплоты, изменением электрического заряда на поршнях 4, являющихся одновременно обкладками конденсатора, и намагничиванием во внешнем магнитйом поле. В технической термодинамике обычно рассматриваются простыв системы.

Характер взаимодействия между термодинамнческой системой и окружающей средой зависит также от свойств контрольной поверхности, Система называется закрытой (замкнутой), если 'контрольная поверхность непроницаема для вещества, т. е. между системой- и средой отсутствует обмен массой (рис. 1, а, в). Открытой система называется в том случае, когда при взаимодействии через контрольную поверхность переходит вещество. Частным случаем открытой системы является так называемая проточная система, когда на одних участках контрольной поверхности вещество входит в систему, а на других— выходит из нее (рис.

1, б). Термодинамическая система называется изолированной, если контрольную поверхность не' могут пересекать ни потоки вещества, ни потоки энеРгин. Понятие изоляции является научной абстракцией, т. е. изоляция считается идеальной. Практически идеальной является только деформационная изоляция газа от обмена механической работой (при заключении его в жесткий сосуд или в цилиндр с закрепленным поршнем).'Существуют также способы создания весьма совершенной тепловой изоляции, Иногда говорят о частично изолированных системах, Прв этом имеется в виду наличие обмена энергией лишь по некоторым из присущих системе степеней свободы.

Системы, находящиеся в тепловой изоляции и не. обменивающиеся с окружающей средой теплотой, называются адиабатньти. $ Л. Состояние термодинамичесной системы, параметры' и уравнение состояния Для любой термодинамической системы может быть указана совокупность некоторых физических величин, по которым можно отличить данную систему от других, а также проследить за изменениями, возникающими в данной системе при ее взаимодействии с окружающей ~в средой. Совокупность таких величин характеризует с о с т о я н и е системы, Физичгскиг величины, значения которых однозначно определяются состоянисм системы и нв зависят от пргдыстории системы, называются параметрами состояния или функциями состояния сисоымы. При одинаковых состояниях одинаковые системы имеют равные зна-чения одноименных параметров состояния.

Иногда параметрамн состояния называют величины, имеющие ясную физическую природу и доступные для непосредственного измерения приборами. Такими величинами являются, например, температура, давление, плотность газа, электрическое напряжение и др. Функциями состояния называют пр й этом величины более сложной природы, которые непосредственно не измеряются, но вычисляются. Их аргументами являются параметры состояния. Однако такое различие является условным; термины «параметр состояния», «функция состояния», а также «свойство внвтемы» практически равнозначны.

Состояние термодинамической системы называется равновесным при условии отсутствия видимого (макроскопического) обмена веще. ствоч и энергией между различными частями системы. При этом необходимо иметь в виду, что па микроскопическом уровне такой обмен происходит всегда непрерывно в связи с наличием теплового движения, Однако это движение при равновесном состоянии системы имеет одинаковую интенсивность в противоположных направ". лениях и иа макроскопическом уровне поэтому не воспринимается. Условием равновесности состояния является равномерное распределение по системе тех параметров, различие в которых является причиной обмена энергией.

Так, для равновесия термодннамнческой ь системы во всех ее точках должны быть одинаковая температура и ~» одинаковое давление. Всякая изолированная система.с течением врем~ " ни приходит в равновесное состояние, которое остается далее неиз' менным. пока система не будет выведена из него внешним воздействием. ' Равновесное состояние следует отличать от стационарного соптояния системы, при котором параметры также остаются неизменными во,„времени, по имеются потоки энергии или массы, как, например, прн установившейся (стационарной) теплопроводности в твердом теле., Методы классической термодинамики применимы только для исследования систем, находящихся в равновесных состояниях. Отсутствие равновесия внутри термодинамической системы приводит к сложной зависимости параметров состояния от времени н положения точки 'внутри системы, что делает невозможным применение термодинамически х методов.

Не все параметры состояния равновесных систем являются взаимно независимыми величинами, причем число независимых параметров со.стояния системы всегда равно числу ее термодинамических степеней свободы. Поэтому равновесное состояние термодеформационной вистемы вполне определено, если заданы значения только двух парамет.ов (например, температуры и давления), При этом все остальные па»аметры также приобретают вполне определенные значения, являясь изическими функциями независимых параметров.

Поэтому всегда У«дествует функцяэтлгьнлцяууисимость-,. явЩ~ууиуения паОбластдм ~ п ВИГ>.ЛИОтРГГй. йв раметров состояния, принятых в качестве незавнснвеыл яаременных, со значениями других параметров состояння. Уравнения, выражаюв(ие связь между параметрами рввнввесноео состояния термидинамичесной системы, называются урвяттвмаями состояния. Уравнение состояния термодинамической системы е двумя степенями свободы, связывающее значения давления р, температуры Т н удельного объема и рабочего тела, можно представить в анде функциональной зависимости ( (р, и, Т) < О р = ( (и, Т).

или (4) коэффициент термической упругости и коэффициент наотермной сжимаемости (3) рт= — ( — ) ° Исходя из общих физических представлений, термодинамика дает возможность выявить условия, которым должны удовлетворять уравнения состояния термодинамических систем, Так, например, диффе-ренцирование уравнения (2) дает др (др(дТ),т1Т + <др!ди)тби. Индекс при производных полученного выражения указывает на параметр, при постоянном значении которого определяется данная производная. Если принять условие постоянства давления р = сопз(, то соотно.

шеиие приобретает вид О = (др(дТ),дТ, + (др(ди)ггпу„, откуда (ди(дТ'„<дТ(др), <др7ди)т = — 1 (3) Полученное соотношение между частными производными параметров часто называютдифференциальным уравнением с о с т о я н и я, а входящие в него частные производные — т е р м од и н а м и ч е с к и м и х а р а к те р и ст и к а м и р або ч его т е л а. Каждан термодинамическая характеристика, входящая в уравне. ние (3), имеет свой физический смысл. При расчетах удобнее использовать их величины, получаемые путем деления (дии(дТ) и (доlдр)т на удельный объем газа и„при Т„= 277 К и р„= !О),325 кПа или (др!дТ)„на давление р„при тех же условиях.

Это дает коэффициент термического расширения' Подстановка выражений (4), (5) и (б) в уравнение (3) показывает, что а = УРтРа. (7) Любав уравнение состояния рабочего тела должно удовлетворять е только условию (3), но и условию устойчивости (критерию стабиль' остл). Прнмениаельно к термо- ор мационным системам зто ",словие сладится к требованию (др~до~т = О (8) отражает стремление системы состоянимэ равиавесня. Дейст- Р нчельнп, увеличеиие удельного тй ' вема системы нри постоянной 2 пературе в соответствии с ус"овием (8) должно приводить к ' ньшению давления. т, Так как производная (драйв)т Х 'сегда должна быть меньше ну- 1 я, то из соотношения (3) сле- ! 1 "'ет, что для всех веществ, ' Р, ' а В "тречающнхея в природе, долж'о соблюдаться неравенство (ди(дТ), (дТ!др)а ) О.

(9) ф действительно, опыт показы- м ает, что термическая расши,яемость и упругость могут быть Рнс. 2. Днаграмма состояния дновременно либо положительны, либо отрицательны. В первом слу- е состояние вещества называются нормальным, а во втором — ано, льным. Одно и то же вещество в зависимости от физических усло- й может находиться как в нормальном, так и аномальном состоянях. Примером тому может служить вода, которая при давлении 4 МПа и температуре, меньшей 277 К, обладает аномальными свой- :рами, а при температуре выше 277 К вЂ” нормальными. , Уравнения состояния (1) термодинамических систем с двумя степе.ми свободы можно представить графически в виде некоторой поверхти, называемой термодинамнческой иоверхноью илн поверхностью состояний (рис.

2). Любое зновесное состояние системы изображается точкой, лежащей на этой . ерхности (например, точкой О, с координатами То, 'Ро', сп). При йравновесном состоянии системы уравнение (1) должно быть дополне, координатой х точки, в которой замеряются параметры Р, и и Т, и ,ачением момента времени д когда производится замер этих пара. ров.

Следовательно, уравнение (1) для неравновесного состояния емы можно записать в виде )(Р,п, Т,х,т) =О. (1О) "Таким образом, в уравнение (10) входит мгновенные значения паметров в конкретной точке системы. $3. Виутрамклл энергия термодииамичасиой системы Любая термодинамическая яистема обладает определенным запасом энергии, некоторая доля которого зависит только с)т собственного (в н у т р е и и е г о) состояния системы. Другая часть полного запаса энергии системы может определяться взаимодействием рабочего тела системы с внешними силовымя вюлямн окру)кающей среды (потенциальная энергия) либо представлять собой кинетическую энергию д в ижен и я системы (как макроекопического объекта) относительно окружающей среды. Так, для земного наблюдателя полная энергия газа, хранящегося в баллоне летящего космического корабля, значительно больше энергии газа в баллоне корабля, стоящего на стартовой площадке, за счет подъема на значительную высоту в гравитационном поле и разгона до заданной скорости.

Характеристики

Список файлов книги