Внутренней энергией называется такая энергия, которая заключена в самой системе и имеет две составляющие – кинетическую энергию.
Изменение удельной потенциальной (внутренней) энергии того же тела. Изменение всей удельной (внутренней) энергии при термодинамическом процессе будет выглядеть так:
Δu – Uk– ир.
Внутренняя энергия рабочего тела произвольной массы при этом рассчитывается по формуле:
Δv-Vk – Vp.
Предположим, что рабочее тело переходит из первого состояния во второе при подводе теплоты извне. Тогда количество этой теплоты выразится в виде:
q1,2 – u2 -U1.
Процесс проходит по изохорному закону, имеем:
q1,2 = ćv (T2 -T1).
В общем виде для любого вещества массой m:
v2 -v1 – mćv(T2– T1),
где T1 – начальная температура термодинамического процесса;
T2– конечная температура;
u1 – начальная величина внутренней энергии;
u2 – конечная величина внутренней энергии;
ć– средняя удельная теплоемкость (изохорная).
32. Вычисление работы газа
Газ получает теплоту от определенного источника вне системы. обозначим давление газа буквой р, площадь поршня – S, тогда под действием внешней силы F = pS на поршень он будет неподвижен. При уменьшении внешней силы F разность этих двух сил pS – F сместит поршень вправо. Газ под поршнем будет расширяться и преодолевать внешние силы, совершая при этом работу. При равновесном процессе имеем следующее.
1. Поршень должен перемещаться по цилиндру бесконечно медленно (т. е. с бесконечно малой скоростью). Это даст возможность считать, что давление газа по всему объему в любой момент времени одинаково.
2. Температура источника тепла практически не отличается от температуры рабочего тела (в качестве которого используем газ), т. е. разность их температур бесконечно мала. Это дает возможность считать, что температура по всему объему газа в любой момент времени одинакова.
При таких условиях процесс расширения рабочего тела в любой момент времени будет иметь температуру, плотность и давление одинаковыми во всем объеме, т. е. его состояние также будет равновесным.
Аналитическое решение задачи для вычисления работы газа вследствие его расширения. Скорость поршня во время перемещения его в цилиндре бесконечно мала. Поэтому для анализа процесса расширения разобьем весь отрезок пути, пройденного поршнем, на бесконечно малые части dl. Тогда dA(элементарная работа) на любом элементарном отрезке dl определяется произведением:
dA = pSdl,
где pS– сила;
dl– путь.
Используя равенство
Sdl = dv,
получаем
dA = pdv.
Дает выражение:
где А – работа, которую при расширении совершает газ массой j кг.
Такую работу, которую газ совершает при расширении, называют еще технической.
33. Обратимые и необратимые процессы
Если термодинамическая система под действием внешних сил проходит ряд последовательных состояний, то их совокупность называют термодинамическим процессом. Этот процесс совершается рабочим телом, а его состояние изменяется таким образом, что масса остается постоянной. Основным свойством упрощенного идеального процесса считается его обратимость.
Обратимыми называются процессы, протекающие как в прямом, так и в обратном направлении, и при которых ни в рабочем теле, ни в окружающем пространстве не возникают остаточные изменения. Причем рабочее тело проходит в обоих направлениях через те же самые равновесные элементарные состояния и в конце процесса возвращается в первоначальную точку.
Любой обратимый процесс является равновесным. Процесс называется равновесным, если последовательные состояния, которые проходит система, будут также равновесными. Процесс, протекающий очень медленно и таким образом в любой момент времени приближающийся к равновесному, называется квазистатическим (он также обратим).
Графически равновесное состояние изображается в виде точки в пространственной системе координат с тремя параметрами v, р, Т, а сам равновесный процесс – кривой, проходящей через ряд таких точек.
Состояние системы называется равновесным, если в любой момент времени во всем объеме, который занимает газ, величины v, р, Т (параметры состояния) одинаковы, хотя они изменяются во времени в случае изменения состояния. В случае изолированной системы она со временем возвращается в состояние равновесия и сама из него выйти не может. На практике обратимые процессы возможны при определенных условиях.
1. Рабочее тело изменяет свое состояние бесконечно медленно.
2. У рабочего тела существует бесконечное множество равновесных состояний.
3. Теплообмен с внешней средой (необратимый процесс), внешнее трение, внутреннее трение частиц тела друг о друга отсутствуют.
4. В рабочем веществе не проходят никакие химические изменения.
Процессы, не удовлетворяющие свойству обратимости, являются необратимыми.
Любой реальный процесс, в котором рабочее тело изменяет свое состояние, является необратимым.
Любой реальный процесс является также неравновесным. Это объясняется тем, что процесс имеет конечную скорость и равновесное состояние в рабочем веществе установиться просто не успевает. Реальные процессы могут приближаться к области равновесия, но не совпадать с равновесными процессами, они могут проходить только в прямом направлении, а в обратном – только при воздействии извне.
34. Основные положения второго закона термодинамики
Второй закон термодинамики позволяет ответить на вопросы: возможно или нет развитие рассматриваемого процесса, какое направление процесса будет преобладающим, когда в термодинамической системе установится равновесие. А также этот закон помогает определить условия, при которых система совершит максимальное количество работы.
Сущность этого закона впервые выразил французский ученый и инженер Сади Карно (1824 г.). Он писал, что везде, где только есть разность температур, возможно появление движущей силы. Причем она зависит только от температур взаимодействующих тел и не зависит от вида этих тел. Для получения больших величин такой движущей силы первоначальная температура рабочего тела должна быть значительной, и соответственно охлаждение также велико. Кроме того, никогда не будет возможно использовать на практике движущую силу (энергию) топлива в полном виде.
Эти утверждения ученого определяют условия преобразования теплоты двигателей в полезную работу и от каких параметров зависит качество этого преобразования. Исходя из установленных положений следует говорить о необходимости протекания в тепловых устройствах одновременно двух процессов – основного, при котором теплота превращается в работу, и дополнительного – сопутствующего процесса перехода тепла к холодному источнику.
В термодинамике самопроизвольными называют такие процессы, про которые можно сказать, что они протекают сами по себе, т. е. самостоятельно. По второму закону самопроизвольные процессы происходят только тогда, когда отсутствует равновесие в термодинамической системе. Причем направление протекания таких процессов совпадает с направлением приближения системы к точке равновесия.
Основу второго начала термодинамики составляют постулаты. Первый постулат немецкого ученого Р. Клау-зиуса (1850 г.) представляет общую формулировку второго закона в таком виде: «От одного тела (менее нагретого) к другому (более нагретому) теплота не переходит самопроизвольно, а только с помощью компенсации». Другой постулат (лорда Кельвина-Томсона, 1852 г.) гласит, что невозможно создать тепловую машину – вечный двигатель второго рода (в котором теплота полностью переходит в работу). Отсюда следует, чтотепловой двигатель будет выполнять работу только при наличии не менее двух источников тепла с различными температурами. Причем только часть всей теплоты, выделенной теплоотдатчиком (источник теплоты, имеющий высокую температуру), возможно превратить в полезную работу. Остальное тепло отводится к теплоприемнику.
На практике самопроизвольные процессы (переход тепла от горячих к холодным телам, диффузии, явления растворения и многие другие) являются необратимыми. Поэтому существует еще одна формулировка второго закона термодинамики: «Если реальный процесс является самопроизвольным, то он необратим».
35. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент циклов
