Закон термодинамики для потока газа

Закон термодинамики для потока газа

Уравнение первого закона термодинамики для потока

Поскольку теплота трения равна работе трения, оконча­тельно запишем:

Для того чтобы выйти в трубопровод 3, рабочее тело должно вытолкнуть из него такое же количество рабочего тела, ранее находившегося в нем, преодолев давление р2, т. е. каждый килограмм, занимая объем v2 должен произвести определенную работу выталкивания .

Под открыты­ми понимаются термодинамические системы, которые кроме обмена теплотой и работой с окружающей средой до­пускают также и обмен массой. В техни­ке широко используются процессы пре­образования энергии в потоке, когда ра­бочее тело перемещается из области с одними параметрами в область с другими. Это, например, расширение пара в турбинах, сжатие га­зов в компрессорах.

Применим первый закон термодина­мики к различным типам тепломеханиче­ского оборудования.

Внутренняя энергия есть функция со­стояния рабочего тела, поэтому значение определяется параметрами рабочего тела при входе (сечение потока I), а зна­чение — параметрами рабочего тела при выходе из агрегата (сечение II).

Таким образом, при , и отсутствии потерь на трение получаемая от двигателя техническая работа равна располагаемой, т. е. тоже изображается заштрихованной пло­щадью на рисунке 7.2.

В дифференциальной форме уравне­ние записывается в виде

Рассмотрим термодинамическую систему, представленную схематически на рисунке 7.1.

Основы термодинамики (стр

«Змеевик как тепловая машина. Посмотрим как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т.е. отдает теплоту (Q 0), то наш змеевик подобен тепловой машине – газ сам совершает работу над внешними телами. Этот результат не зависит от того, какова величина давления газа на выходе и на входе. Единственное условие при этом – давление на входе должно быть больше давления на выходе, иначе газ просто потечет в обратную сторону.

При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии:

«Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.

1) Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ.

При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.

«Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. – все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объемом (объемом единицы массы)».[5]

Попробуем при помощи компрессора прокачивать через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно было считать стационарным, сечение выходного отверстия нужно сделать много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды.

Сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определенно как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты.

Первый закон термодинамики

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний:

На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = Cp / CV – показатель адиабаты, Cp и CV – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом. Для одноатомного газа

Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU γ = const.

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

Закон термодинамики для потока газа

Изменение внутренней энергии можно рассчитать по первому закону:

При обратимом адиабатическом расширении идеального газа давление и объем связаны соотношением (уравнением адиабаты):

Изменение энтальпии равно теплоте, т.к. процесс происходит при постоянном давлении.

Теплота может переходить в систему при нагревании. Для расчета теплоты используют понятие теплоемкости, которая определяется следующим образом:

При обратимом процессе совершаемая работа максимальна.

2-11. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха в квартире общим объемом 600 м 3 от 20 о С до 25 о С. Примите, что воздух — это идеальный двухатомный газ, а давление при исходной температуре нормальное. Найдите U и H для процесса нагревания воздуха.

В изотермических процессах с участием идеального газа внутренняя энергия не изменяется, и работа расширения происходит только за счет поглощаемой теплоты.

При испарении одного моля воды затрачивается теплота 2260 Дж/г 18 г = 40700 Дж, поэтому при конденсации одного моля воды эта теплота, напротив, выделяется в окружающую среду:

Стародубцев ческая ое посібник

Происходящие в природе превращения одних видов энергии в другие следуют закону сохранения и превращения энергии, открытого М.В. Ломоносовым в середине XVIII столетия. Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы, имеющим всеобщий характер. Этот закон гласит: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах.

C помощью уравнения состояния из уравнения (2.1) можно исключить любой из трех термических параметров и записать:

4) температура рабочего тела уменьшается (dT 0) d l >0,

Теплота. Теплота является одним из наиболее важных понятий термодинамики. По своему существу понятие теплоты близко к понятию работы. Теплота и работа являются формами передачи энергии. Поэтому нельзя говорить, что тело обладает каким-то запасом теплоты или работы. Можно лишь сказать, что телу сообщена (или от тела отнята) определенная теплота или определенная работа. Различие между теплотой и работой состоит в том, что они являются различными формами передачи энергии. Теплота является формой передачи энергии между телами, представляющей собой совокупность микрофизических процессов. Работа же — это передача энергии за счет макропроцессов. Будем обозначать теплоту, сообщаемую или отнимаемую от1 кг рабочего тела, q, и для произвольного количества газа Q.

Работа, произведенная рабочим телом против действия внешних сил (при расширении) или внешними силами над рабочим телом (при сжатии), называется работой изменения объема. Обозначим эту работу для 1 кг l, (размерность Дж/кг) и для произвольной массы L, (размерность Дж). При бесконечно малом перемещении поршня dh элементарная работа, производимая рабочим телом (считая, что
p = const):

Для конечного процесса уравнение (2.16) запишется так:

Интегрируя это выражение в пределах от состояния 1 до состояния 2 или от u 1 до u 2, получим работу для процесса 1-2. Следовательно, в p, u — диаграмме площадь, ограниченная линией процесса, крайними ординатами линии процесса и осью абсцисс, изображает в определенном масштабе работу изменения объема. Вычисление интеграла (2.11) возможно лишь тогда, когда известна функциональная связь между давлением и объемом.

В общем случае, когда в результате подвода теплоты к рабочему телу его температура повышается и вследствие увеличения объема совершается работа, подведенная к телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела и на совершение работы. Сказанное может быть выражено уравнением

Закон термодинамики для потока газа

На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0 , если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0 , если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией (см. §3.12). Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу Δ Q / T , полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса Δ Q = 0 , энтропия в этом процессе остается неизменной.

На плоскости ( p , V ) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой . При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу ( A > 0 ); поэтому его внутренняя энергия уменьшается ( Δ U

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T 1 и T 2 начального и конечного состояний:

Здесь U ( T 1) и U ( T 2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом ( Q > 0 ), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам ( Q 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q

В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах ( p , V ) это уравнение имеет вид

Уравнение первого закона термодинамики для потока

Подставляя эти соотношения (13.7) и (13.8) в уравнение I-го закона ТТД, получим:

В дифференциальной форме это уравнение запишется в виде

Изменение энтропии в необратимых термодинамических процессах изолированных систем
Рассмотрим принципиальное отличие необратимых процессов от обратимых на примере расширения газа в цилиндре под поршнем (рис 6.2), получающего теплоту

Техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики
Наиболее актуальные задачи, которые решают с использованием термодинамики: создание летательных аппаратов, в том числе космических многоразового действия; проектирование тепловых и

Изохорный процесс
Процесс, в котором не изменяется объем наз. изохорным. Линия, изображающая изохорный процесс, наз. изохорой. Этот процесс соответствует закону Шарля. Графическая интерпрет

Паровой цикл Карно
Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла своё агрегатное состояние, позволяет осуществлять на практике цикл Карно. В случае потока вещества технически наиболее просто осуще

Политропный процесс
Политропными процессами наз. процессы, протекающие при постоянной теплоемкости и вызываемые подводом или отводом теплоты. Следовательно, в любом политропном процессе, распределение

ЛЕКЦИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ. Термодинамические параметры состояния.


Комментарии запрещены.