saveliev1 (797913), страница 65
Текст из файла (страница 65)
газа. При Т, > — эффект ЬР зч будет всегда отрицательным, Прн Т, < — эффект полу- ЬЛ чается положительным только при достаточно большом начальном объеме (т. е. прн достаточно малом начальном давлении). При данном начальном объеме (давлении) величина ЬТ линейно изменяется с начальной температурой Т, 420 (рис. 282). Чем ниже начальная температура, тем сильнее охлаждается газ в результате эффекта Джоуля— Томсона. Отметим, что эффект Джоуля — Томсона всецело обусловлен отклонениями газа от идеальности.
Для идеального газа р)'= усТ н условие (!22.2) преврашается в С т, + Ют = С ту + Ктх, откуда следует, что Т, = Та. 9 !28. Ожижение газов Для того чтобы ожижнть газ, необходимо охладить его ниже критической температуры Тщ. Во втором столбце таблицы ! ! приведены значения критической Таблица 11 Температура кипения при атмосферном давлении, с Критическая температура, с Вещество — 1!9 — Н7 — 240 -269 — 163 — !9! — 253 -269 Кислород . Азот .
Водород Гелий ') В обоих столбцах таблицы даны округленные зпачецни температур. 421 температуры для некоторых газов '). Как видно нз таблицы, перевод таких газов, как кислород, азот, водород и гелий, в жидкое состояние требует сильного понижения их температуры.
Один из промышленных методов ожижения газов (метод Линде) использует для охлаждения газа эффект Джоуля — Томсона. На рис, 288 дана принципиальная схема метода Линде. Сжатый компрессором у( газ проходит через холодильник Х, в котором охлаждается до температуры, лежащей ниже точки инверсии. Это нужно для того, чтобы при последунзщем расширении газ в результате эффекта Джоуля — Томсона не нагревался, а охлаждался. Затем газ течет по внутренней трубке теплооб- менника Т.О. и, пройдя через дроссель Др (выполняющий те же функции, что и ватный тампон в опыте Джоуля — Томсона), сильно расширяется и охлаждается. Теплообменник состоит нз двух длинных трубокразных диаметров, вставленных одна в другую (для сокращения размеров тепло- обменника обе трубки свиваются в спираль). Стенки внутренней трубки делаются хорошо проводящими теп- ло.
Наружная трубка покрывается тепловой изоляцией. Если по трубкам пустить встречРие. 283. ные потоки газов, имею- щих на входе разную температуру, то в результате теплообмена через стенки внутренней трубки температура газов будет выравниваться: газ, имевший на входе в теплообменник более высокую температуру, по мере прохождения по теплообменнику охлаждается, встречный поток нагревается. Сразу после запуска установки понижение температуры газа при расширении не достаточно для того, что. бы вызвать ожижение газа. Слегка охладившийся газ направляется по внешней трубке теплообменника, чем достигается некоторое охлаждение газа, текущего по внутренней трубке по направлению к дросселю. Позтому каждая последующая порция газа, поступающая к дросселю, имеет более низкую температуру, чем предыдущая.
Вместе с тем, чем ниже начальная температура газа, тем Рис. 284. больше понижается его температура за счет эффекта Джоуля — Томсона. Следовательно, каждая последующая порция газа имеет до расширения более низкую температуру, чем предыдущая„и, кроме того, охлаждается при расширении сильнее.
Таким образом, достигается все большее понижение температуры газа в сборнике Сб и, в конце концов, температура понижается настолько, что часть газа после расширения конденсируется в жидкость. Ф22 Второй промышленный метод ожижения газов (метод Клода» основан на охлаждении газа при совершении им работы. Сжатый газ направляется в поршневую машину (детаидер), где он, расширяясь, совершает работу иад поршнем за счет запаса внутренней энергии, В результате температура газа понижается. Этот метод был усовершенствован советским физиком П.
Л. Капицей, который вместо поршневого детандера применил для охлаждения газа турбодетаидер, т. е. турбину, приводимую во вращение предварительно сжатым газом. )Кидхие газы с низкой температурой кипения хранятся в сосудах специальной конструкции, называемых сосудами Дьюара. Они имеют двойныестенки (рис.284), зазор между которымп тщательно эвакуируется. В условиях вакуума теплопроводность газа убывает с уменьшением давления (см. 5 !15). Поэтому эвакуированный зазор между стенками сосуда создает высокую тепловую изоляцию.
Сосуды Дьюара делаются как из стекла, так и из металла и бывают емкостью от нескольких десятков миллилитров до нескольких тысяч литров. Температура ожиженного газа определяется давлением, псд которым он находится. В таблице 11 даны температуры кипения при атмосферном давлении. Понижая давление, при котором кипит ожиженный газ (это можно сделать непрерывно отсасывая образующиеся пары), можно снижать его температуру. Таким способом можно снизить температуру настолько, что жидкость перейдет в твердое состояние. ГЛ ЛВА Х!Ч ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 5 124. Введение Термодинамика первоначально возникла как наука о превращениях теплоты в работу.
Однако законы, лежащие в основе термодинамики, имеют настолько общий характер, что в настоящее время термодинамические методы с большим успехом применяются для исследования многочисленных физических и химических процессов и для изучения свойств вещества и излучения. Как уже отмечалось в $91, прн изучении свойств и процессов превращения вещества термодинамика не вдается в рассмотрение микроскопической картины явлений.
Она рассматривает явления, опираясь на извлеченные из опыта основные законы (начала). По этой причине выводы, к которым приходит термодинамика, имеют такую же степень достоверности, как и лежащие в ее основе законы. Последние же являются обобщением огромного количес1ва опытных данных. Основу термодинамики образуют ее первые два начала. Первое начало устанавливает количественные соотношения, имеющие' место при превращениях энергии нз одних видов в другие. Второе начало определяет условия, при которых возьюжны эти превращения, т.
е. определяет возможные направления процессов. Первое начало было сформулировано в $ 95 )см. формулу (95.2)], Формулировка второго начала будет дана в $ 126. В термодинамике большую роль играют понятия равновесного состояния и обратимого процесса. Понятие равновесного состояния было выяснено в $ 93. 424 Обратим ы м процес со м называется такой процесс, который может быть проведен в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Из сказанного в $ 93 вытекает, что обратимым может быть только равновесный процесс.
Обратимый процесс, очевидно, обладает следующим свойством: если при прямом ходе на каком-то элементарном участке система получает тепло гг'Я и совершает работу д'А (рис. 285), то при обратном ходе на том же участке система отдает тепло д'О'= д'9 и над ней совершается ра- а7'=аЧ~ Рис. 285. Рис. 288. бота д'А' = с('А. По этой причинепослепротекапняобратнлюго процесса в одном, а затем в обратном направлении и возвращения системы в первоначальное состояние в окружающих систему телах не доллкпо оставаться никаких изменений.
Круговым процессом (или циклом) называется такой процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние, На графике цикл изображается замкнутой кривой (рис. 286). Работа, совершаемая при круговом процессе, численно равна площади, охватываемой кривой. В самом деле, как было показано в $ 96, работа на участке ! — 2 положительна и численно равна площади, отмеченной наклоненной вправо штриховкой (рассматривается цикл, совершаел|ый по часовой стрелке). Работа на участке 2 — 1 отрицательна и численно равна площади, отмеченной наклоненной влево штриховкой. Следовательно, 425 работа за цикл численно равна площади, охватываемой кривой, и будет положительна при прямом цикле (т. е.
таком, который совершается в направлении по часовой стрелке) и отрицательна при обратном. После совершения цикла система возвращается в прежнее состояние. Поэтому всякая функция состояния, в частности внутренняя энергия, имеет в начале и в конце цикла одинаковое значение. й 125. Коэффициент полезного действия тепловой машины Всякий двигатель представляет собой систему, совершающую многократно некий круговой процесс (цикл). Пусть в ходе цикла рабочее вещество (напрнмер, газ) сначала расширяется до объема )гм а затем снова сжимается до первоначального объема )гг (рис.
287). с1тобы Р работа за цикл была больше нуля, давление (а следоч" вательно, и температура) в процессе расширения должно быть больше, чем при сжатии. Для этого рабочему веществу нужно в ходе "г 8,' расширения сообщать теп- ло, а в ходе сжатия отниУг У мать от него тепло. Напишем уравнение перРис. 287. вого начала термодинамики для обеих частей цикла. При расширении внутренняя энергия изменяется от значения (71 до Ум причем система получает тепло Я1 и совершает рабогу Аь Согласно первому началу Я=(7г — (7,+Ан (125.1) Прн сжатии система совершает работу Аг и отдает г Р тепло Ям что равнозначно получению тепла — 'ф. Следовательно, — Я =-0~ — Уг+ Аг.
(! 25.2) Складывая уравнения (125.1) и (125.2), получаем: (л — Яг= А~+ Ам 426 Замечая, что А~ + Аз есть полная работа А, совершаемая системой за цикл, можно написать: А = 1л — 1,"ч- (125.3) (125А) Поскольку согласно (125.3) А = Я~ — 4, выражение для к.п.д. можно записать в виде 0~ — Я1 Ч= (125.5) Из определения к.п.д. следует, что он не может быть больше единицы. Если обратить цикл, изображенный на рис.
287, получится цикл холодильной машины. Такая машина отбирает за цикл от тела с температурой Тз количество тепла 4 и отдает телу с более высокой температурой Т, количество тепла Яь Над машиной за цикл должна быть совершена работа А. Эффективность холодильной 427 Периодически действующий дни~а~ель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной. Первое начало термодинамики иногда формули~ руется следующим образом: невозможен перпетуум мо биле (вечный двигатель) первого рода, т. е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в болыпем количестве, чем получаемая им извне энергия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
