Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Следовательно, при замкнутом термодинамическом процессе (цикле) 1-2-8-1(рис. 6, б) система получает от окружающей среды (или отдает ей) некоторое конечное количество энергии в форме работы 1ер причем в состоянии системы никаких изменений не произойдет. (я мм у д( = урдо ~ О. (27) Графически указанная работа выражается площадью, ограниченной замкнутой кривой 1-2-8-1, полученной в результате алгебраиче"= кого суммирования положительных (при до) О) и отрицательных (при до ( О) плошадей, соответствующих процессам расширения н сжатия. При термодинамическом анализе более сложных систем необходи- ' мо учитывать немеханические виды работ, а также механическую работу при деформациях других видов (помимо объемной). Так, например, вал 1 машины 2 при повороте на элементарный угол «(«р (рис.
7, а) совершает механическую работу б1 м Мадер (28) ' где М вЂ” крутящий момент, равный моменту сопротивления машины. и Электрическая работа, являющаяся работой переноса заряда, совершается в электрической цепи (рис. 7, б), например, при зарядке аккумулятора или при разрядке конденсатора. Она равна произведению. напряженности Е,„ электрического поля, в котором переносится заряд (или напряжению на зажимах устройства), на количество перенесенного электричества г)е„.
Следовательно, (29) Ы,„= Е„де. (30 Формулы (24), (28), (29) и (30), определяющие количество работы полученные для различных форм передачи энергии, оказываются сходными друг с другом и представляют собой произведение некоторой изической величины на изменение другой, В качестве первого сомножителя выступают величины, которые выолняют роль движущего фактора соответствующего процесса обмена нергией, Процессы обмена энергией в форме работы возникают тольо прн наличии определенной разности сил р(, моментов М, напряенности электрического поля Е„между системой н окружакяцей ' едой.
Интенсивность процессов тем больше, чем больше абсолютное ,ачеиие этой разности, а направление передачи энергии определяетя:тем, где больше значение соответствующей величины: в системе илн ' окружающей среде. . В качестве второго сомножителя в формулах, определяющих- раечку, стоит изменение величины, по которой можно судить о наличии мого процесса взаимодействия системы с окружающей средой. . В механике величины первого вида получили название обобщенных йл Хю а второго рода — обобщенных координат хх.эПри этом меха- ческая работа любого вида может быть выражена как произведение ' бщенной силы Х„на изменение обобщенной координаты дхь.
д1 ь = Хьбхю (3П 2э М а г н н тн а я р а бота -(работа намагничивания магнетика в магнитном поле) производится при изменении силы тока в катушке (рнс. 7, в). При этом изменяются напряженность магнитного поля : Н„„„ и намагниченность сердечника, измеряемая магнитным моментом М„,„. Если не учитывать работу, пошедшую на создание магнит,"ного поля в объеме сердечника, то работа изменения намагниченности ! материала сердечника, рассматриваемого в качестве термодинамичес- ~:кой системы, определится произведением: 2 ~~( ~~~~ Ом~~'бМмтГ' )Таким образом, работа (28) имеет механическую природу, но не явля'„ется работой объемной деформации, а работы (29) и (30) являются ;::немеханическими.
$9. Потенциапы и координаты термодинамических взаимодействий. Энтропия В силу исторических причин величины, характеризующие движущие причины обмена немеханической работой, были в физике названы п о т е н ц и а л а м и Р, причем потенциал некоторого силового поля равен обобщенной силе, действующей в этом поле, взятой с обратным знаком:, Рь = — Хь- (32) Используя единые обозначения потенциалов н обобщенных координат, можно выразить работу любого вида как (ЗЗ) 6Еь = — Райх„. В термодинамике потенииалами взаимодействия того или иного рода наезжают физические величины, различие значений которых в системе и окруэкающей среде является причиной возн.икновения взаимодействия данного рода.
Так,например, давление, взятое с обратным знаком, является по. тенциалом объемного деформационного взаимодействия, напряженность электрического поля — потенциалом электрического взаимо. действия и т. д. В формулу (33) входит абсолютное значение потенциала. При увеличении разности потенциалов системы и окружающей среды увеличивается интенсивность процессов обмена энергией и умень. шается время, в течение которого передается данное количество энер. гии. При равновесном состоянии системы и в равновесном процесса значения каждого из потенциалов одинаковы во всех точках системы. Поэтому при разделении системы на несколько частей (без обмена эяергией) значение потенциалов в этих частях не изменяется.
Пар метры состояния системы, обладающие таким свойством, называют интенсивными. Физические величины, характеризующие наличие взаимодействия того или иного рода, называются координатами термодинамического состояния данного рода. Важнейшим свойством координаты состояния является однозначная связь изменения координаты с наличием взаге модействия данного рода. Зто означает, что соответствующая координата обязательно изменяется только при наличии взаимодействия данного рода.
Если взаимодействие данного рода отсутствует, то координата остается постоянной и иные, не соответствующие данной координате воздействия не могут изменить ее значение. Зто свойство координат состояния проявляется при равновесных термодинамических процессах. При неравновесных процессах имеются исключения из этого правила. Другое важное для термодинамики свойство координат состояния следует из формулы (33) и свидетельствует о том, что количество воздействия в элементарном процессе всегда пропорционально изменению ,' соответствующей координаты и совпадает с ним по знаку.
Координаты относятся к числу так называемых экстенсивных параметров состояния. При разделении системы на части абсолютная величина коор- ( дннаты оказывается пропорциональной размеру каждой части и коли- 1 зф честву вещества в ней. Следует при этом отметить, что в однородной системе такие экстенсивные параметры, как объем, заряд, будучи разделены на массу или площадь поверхности, становятся удельными или поверхностными величинами и получают одинаковые значения для всех частей системы.
В связи с этим такие параметры приобретают свойства интенсивных параметров. Опыт изучения тепловых явлений в термодинамических системах привел к выводу о существовании поте н ц и а л а и к по р дкнаты также в термическом взаимодействии. Действительно, разность температур двух тел является единственной причиной возникновения теплообмена между ними.
Интенсивность теплообмена тем выше, чем больше разность температур между сио темой и окружающей средой. Таким образом, температура в полной мере обладает свойствалги потенциала термического взаимодействии Однако поиск координаты термического состояния оказался задачей достаточно сложной в связи с тем, что соответствующая физическая величина це оказывает непосредственного макроскопического воздействия на приборы или на органы чувств человека. Лишь в 1884 г. в результате теоретического анализа изменений, наблюдаемых в термодинамических системах, Р. Клаузиус нашел способ определения значения соответствующей координаты, названной им в 1882 г. э нтропией 5 Энтропия обладает всеми свойствами координаты термодинамьэ ' 'чеекого состояния.
Так, в равновесных процессах при наличии теплового взаимодействия энтропия обязательно изменяется н остается постоянной только при отсутствии теплообмена (в адиабатном равно. весном процессе дЭ = 0). Количество термического воздействия, т. е. количество теплоты Щ в элементарном равновесном термодннамичес" ком процессе, пропорционально измеиеншо энтропии, а множителем ь пропорциональности служит потенциал термического взаимодействия— термодинамическая температура Т. Таким образом, количество термического воздействия, т. е. количество теплоты, может быть представлено в форме, аналогичной выражению (33), в виде произведения: (84) й~ = Т65 -или для удельного количества теплоты до = Тдз.
(Зб) Энтропия Я системы выражается в Дж/К, а удельная энтропия з днородного рабочего тела — в Дж/ (кг К) С микрофизической точки зрения энтропия является количественй мерой хаотичности, беспорядочности теплового движения. Увели- ение энтропии соответствует уменьшению упорядоченности в распобжении микрочастнц и в распределении энергии между ними, Коли.ственная связь между микрофизическими характеристиками веще- а и энтропией как макроскопической величиной устанавливается одами статистической термодинамики. зг й тй.
Теплота. Свойства теплоты кан формы обмена энергией Количество теплоты бс) в элементарном равновесном термодинамическом процессе определяется произведением термодинамической температуры Т на бесконечно малое изменение энтропии с)з (35). Алгебраический знак количества теплоты совпадает при этом со знаком изменения энтропии: при подводе теплоты к системе (дс)) О) ее энтропия увеличивается (сЬ) О), прн отводе теплоты (с)с) (О) энтропия уменьщаетгя (дз (. О).
Ю Т га' 7' Ю' 2' а Рнс. Й. Энтропийная ат-аиасрамиа: а — ироцессе, б — цикла . В произвольном термодинамическом процессе температура в общем случае может изменяться как под влиянием теплообмена, так и под влиянием обмена работой. Поэтому для вычисления полной теплоты процесса необходимо произвести интегрирование выражения (35) от начального 1 до конечного 2 состояний системы (36) 1 1 Чтобы осуществить такое интегрирование, необходимо знать функциональную связь температуры с энтропией в виде уравнения процесса Т= Т(з).. (37) Графическое изображение этого уравнения (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
