Термодинамика
Лекция 1. Предмет технической термодинамики и ее методы
1. Предмет термодинамики
2. Основные параметры состояния тела
3. Понятие о термодинамическом процессе
4. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы
5. Термодинамическое равновесие
1. Предмет термодинамики
Термодинамика наука о превращениях различных видов энергии из одного в другой, и о наиболее общих макроскопических свойствах материи. Она изучает различные как физические, так и химические явления, обусловленные превращениями энергии. Применение закономерностей термодинамики позволяет анализировать свойства веществ, предсказывать их поведение в различных условиях. Термодинамика дает возможность исследовать различные процессы от простых в однородных средах до сложных с физическими и химическими превращениями, биологических и др.
Слово «термодинамика» происходит от греч. «therme» – тепло и «dynamis» – сила. Название науки возникло в период ее основания – в начале XIX в. В настоящее время слово «термодинамика» трактуют так: наука «о силах, связанных с теплотой».
Термодинамика основана на двух, экспериментально установленных законах (началах).
Первый закон (начало) является по существу законом преобразования и сохранения энергии применительно к процессам, изучаемым в термодинамике; невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии.
Второй закон (начало) – определяет направление течения реальных (неравновесных) процессов; невозможен процесс, имеющий единственным своим результатом превращение теплоты в работу.
Термодинамический метод исследования основан на законах (началах) термодинамики и представляет собой их логическое и математическое развитие.
Объект исследования в термодинамике называют термодинамической системой или, в простом случае, термодинамическим телом. Одна из особенностей метода термодинамики состоит в том, что система (тело) противопоставляется всем другим телам, которые называют окружающей средой. Термодинамика построена дедуктивно: частные выводы получены из общих законов (начал).
Принято разделять термодинамику на физическую, или общую, химическую и техническую.
Физическая термодинамика разрабатывает метод термодинамики и применяет его для изучения фазовых превращений термоэлектрических и магнитных явлений, излучения, поверхностных явлений и т. п.
Химическая термодинамика изучает процессы с физическими и химическими превращениями с помощью метода термодинамики.
Техническая термодинамика устанавливает закономерности взаимного преобразования теплоты и работы, для чего изучает свойства газов и паров (рабочих тел) и процессы изменения их состояния; устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, протекающими в тепловых двигателях и холодильных установках. Одна из основных ее задач – отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты, и работы.
Основы теплотехники
Термодинамические процессы
Как упоминалось в предыдущей статье, термодинамическим процессом называют изменение состояния системы, в результате которого хотя бы один из ее параметров (температура, объем или давление) изменяет свое значение. Впрочем, если учесть, что все параметры термодинамической системы неразрывно взаимосвязаны, то изменение любого из них неизбежно влечет изменение хотя бы одного (в идеале) или нескольких (в реальности) параметров. В общем случае можно сказать, что термодинамический процесс связан с нарушением равновесия системы, и если система находится в равновесном состоянии, то никаких термодинамических процессов в ней протекать не может.
Изучение термодинамического процесса заключается в определении работы, совершенной в данном процессе, изменения внутренней энергии, количества теплоты, а также в установлении связи между отдельными величинами, характеризующими состояние газа.
Изохорный процесс
Давление газа на стенки сосуда прямо пропорционально абсолютной температуре газа.
Изобарный процесс
Изобарным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении. Такой процесс можно осуществить, поместив газ в плотный цилиндр с подвижным поршнем, на который действует постоянная внешняя сила при отводе и подводе теплоты.
При изменении температуры газа поршень перемещается в ту или иную сторону; при этом объем газа изменяется в соответствии с законом Гей-Люссака:
Это означает, что в изобарном процессе объем занимаемый газом, прямо пропорционален температуре.
Можно сделать вывод, что изменение температуры в этом процессе неизбежно приведет к изменению внутренней энергии газа, а изменение объема связано с выполнением работы, т. е. при изобарном процессе часть тепловой энергии тратится на изменение внутренней энергии газа, а другая часть – на выполнение газом работы по преодолению действия внешних сил. При этом соотношение между затратами теплоты на увеличение внутренней энергии и на выполнение работы зависит от теплоемкости газа.
Изотермический процесс
Очевидно, что при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не изменяется, поскольку его температура постоянна.
Чтобы выполнялось условие постоянства температуры газа, от него необходимо отводить теплоту, эквивалентную работе, затраченной на сжатие:
Используя уравнение состояния газа, проделав ряд преобразований и подстановок, можно сделать вывод, что работа газа при изотермическом процессе определяется выражением:
Адиабатный процесс
Адиабатным называют термодинамический процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой. Подобно изотермическому, осуществить на практике адиабатный процесс очень сложно. Такой процесс может протекать с рабочим телом, помещенным в сосуд, например, цилиндр с поршнем, окруженный высококачественным теплоизолирующим материалом.
Но какой бы качественный теплоизолятор мы не применяли в данном случае, некоторым, пусть даже ничтожно малым, количеством теплоты рабочее тело и окружающая среда неизбежно будут обмениваться.
Поэтому на практике можно создать лишь приближенную модель адиабатного процесса. Тем не менее, многие термодинамические процессы, осуществляемые в теплотехнике, протекают настолько быстро, что рабочее тело и среда не успевают обмениваться теплотой, поэтому с некоторой степенью погрешности такие процессы можно рассматривать как адиабатные.
Для вывода уравнения, связывающего давление и объем 1 кг газа в адиабатном процессе, запишем уравнение первого закона термодинамики:
С учетом уравнения Майера R = cp – cv последнее выражение можно переписать в виде:
Политропный процесс
Работа газа при политропном процессе может быть определена по формуле:
Теплоемкость при политропном процессе (приводится без вывода) :
Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)
Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):
Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):
Процессы в термодинамике
Вы будете перенаправлены на Автор24
В термодинамике выделяют несколько основных процессов. Термодинамическим процессом принято называть такое изменение общего состояния всей системы, когда в результате подобных трансформаций меняется полностью хотя бы один из ее основных параметров, его значение. Ими выступают:
Рисунок 1. Термодинамические процессы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Известно, что все термодинамические процессы имеют тесные связи друг с другом. При изменении хотя бы одного параметра может меняться в неизбежном режиме вся система. В общем смысле, любой термодинамический процесс можно представить в виде равновесной системы, которая балансирует на грани нарушения этого равновесия. Если вся система уже находится в равновесном состоянии, то это явление не предполагает наличия термодинамических процессов вовсе. В таких системах не фиксируются термодинамические процессы.
Хоть понятие равновесного состояния системы нельзя назвать четким, все же существуют некоторые законы его присутствия в реальном воплощении. Любые материальные вещи невозможно полностью изолировать от окружающего его мира, поэтому в любой реальной системе возможно протекание различных термодинамических процессов. Иногда подобные процессы протекают настолько слабо и медленно, что не всегда удается их зафиксировать в оптимальном выражении. Специалисты их устанавливают как цепь разнообразных равновесных состояний системы. Их еще могут называть равновесными процессами, а также квазистатическими процессами.
Круговыми процессами и циклическими процессами называют ряд последовательных повторяющихся изменений в системе. В итоге система после прохождения определенного отрезка пути возвращается в исходное состояние. Круговой и равновесный процесс возникает и изучается под видом прикладных приемов термодинамики физических явлений, а также они лежат в основании некоторых теоретических размышлений и выводов науки.
Готовые работы на аналогичную тему
Сегодня выделяют несколько основных термодинамических процессов:
Изобарный процесс
Рисунок 2. Изобарный процесс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Изобарный процесс – это такой термодинамический процесс, который может протекать при постоянном давлении. Подобный процесс осуществляется, например, когда помещается газ в плотный цилиндр, где есть подвижный поршневой крючок.
На поршень действует постоянная внешняя сила. Она достигается при подводе или отводе теплоты к объекту. При этом сама подвижная часть поршня способна менять свое местоположение при изменении параметров температуры. От этого зависит направление движения поршня. Согласно закону Гей-Люссака, объем газа в нем меняется, исходя из уравнения закона. Из этого следует, что занимаемый объем газа может быть прямо пропорционален определенной температуре воздействия. Внутренняя энергия газов изменяется под действием температурного режима извне. Этим правилом характеризуется весь изобарный процесс в термодинамике.
Изохорный процесс
Рисунок 3. Изохорный процесс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Изохорный процесс – термодинамический процесс, который заключается в протекании при постоянном объеме.
В качестве примера можно привести закрытый сосуд, куда помещен газ. При его нагревании возникают признаки изохорного процесса. При подводе особого температурного режима к изучаемому сосуду давление возрастает. Чем больше тепловой эффект, тем процесс становится более интенсивным. Подобные преобразования параметров газа в сосуде способен математическим методом описать закон Шарля.
Согласно его уравнению, давление газа на стенки сосуда будут прямо пропорциональными абсолютной температуре этого газа. Примечательно, что вся подведенная к сосуду теплота изменяет внутреннюю энергию газа, поэтому совершение работы не происходит изменение объема в сосуде при изохорном процессе равно нулевым значениям.
Адиабатный процесс
Рисунок 4. Адиабатный процесс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Изотермический процесс
Изотермический процесс – термодинамический процесс, который протекает при неизменной температуре. Его так же, как и адиабатный процесс осуществить с точностью очень сложно. Для этого необходимо соблюдение условий по расширению и сжатию рабочего газа при постоянной температуре. Также нужно, чтобы газы успевали обмениваться с окружающей средой без потери собственного температурного режима. Хорошо способен описать этот процесс закон Бойля-Мариотта.
Политропный процесс
Рисунок 5. Политропные процессы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Политропный процесс характеризуется иными свойствами термодинамических процессов. В отличие от вышеперечисленных процессов термодинамики политропный процесс предполагает возможность изменения любого параметра газа. В других процессах подобные параметры изменять нельзя. Иные термодинамические процессы принято считать частными случаями политропного процесса.
Если придавать известной формуле определенные значения показателю политропы, то в качестве результата получаем определенный термодинамический процесс. В зависимости от этих представлений приходит итог по изотермическому, адиабатному, изохорному или изобарному процессу.
Блог об энергетике
энергетика простыми словами
Основные термодинамические процессы
Основными процессами в термодинамике являются:
Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса.
При исследовании термодинамических процессов определяют:
Изохорный процесс
При изохорном процессе выполняется условие v = const.
Из уравнения состояния идеального газа (pv = RT) следует:
т. е. давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:
Работа расширения в изохорном процессе равна нулю (l = 0), так как объем рабочего тела не меняется (Δv = const).
Количество теплоты, подведенной к рабочему телу в процессе 1-2 при cv = const определяется по формуле:
Т. к.l = 0, то на основании первого закона термодинамики Δu = q, а значит изменение внутренней энергии можно определить по формуле:
Изменение энтропии в изохорном процессе определяется по формуле:
Изобарный процесс
Изобарным называется процесс, протекающий при постоянном давлении p = const. Из уравнения состояния идеального газа слуедует:
т. е. в изобарном процессе объем газа пропорционален его абсолютной температуре.
Работа будет равна:
Количество теплоты при cp = const определяется по формуле:
Изменение энтропии будет равно:
Изотермический процесс
При изотермическом процессе температура рабочего тела остается постоянной T = const, следовательно:
т. е. давление и объем обратно пропорциональны друг другу, так что при изотермическом сжатии давление газа возрастает, а при расширении – снижается.
Работа процесса будет равна:
Так как температура остается неизменной, то и внутренняя энергия идеального газа в изотермическом процессе остается постоянной (Δu = 0) и вся подводимая к рабочему телу теплота полностью превращается в работу расширения:
При изотермическом сжатии от рабочего тела отводится теплота в количестве, равном затраченной на сжатие работе.
Изменение энтропии равно:
Адиабатный процесс
Адиабатным называется процесс изменения состояния газа, который происзодит без теплообмена с окружающей средой. Так как dq = 0, то уравнение первого закона термодинамики для адиабатного процесса будет иметь вид:
В адиабатном процессе работа расширения совершается только за счет расходования внутренней энергии газа, а при сжатии, происходящем за счет действия внешних сил, вся совершаемая ими работа идет на увеличение внутренней энергии газа.
Обозначим теплоемкость в адиабатном процессе через cад, и условие dq = 0 выразим следующим образом:
Это условие говорит о том, что теплоемкость в адиабатном процессе равна нулю (cад = 0).
и уравнение кривой адиабатного процесса (адиабаты) в p, v-диаграмме имеет вид:
В этом выражении k носит название показателя адиабаты (так же ее называют коэффициентом Пуассона).
kвыхлопных газов ДВС = 1,33
Из предыдущих формул следует:
Техническая работа адиабатного процесса (lтехн) равна разности энтальпий начала и конца процесса (i1 – i2).
Адиабатный процесс, происходящий без внутреннего трения в рабочем теле, называется изоэнтропийным. В T, s-диаграмме он изображается вертикальной линией.
Обычно реальные адиабатные процессы протекают при наличии внутреннего трения в рабочем теле, в результате чего всегда выделяется теплота, которая сообщается самому рабочему телу. В таком случае ds > 0, и процесс называется реальным адиабатным процессом.
Политропный процесс
Политропным называется процесс, который описывается уравнением:
Из уравнения политропного процесса и уравнения Клайперона можно получить выражение, устанавливающее связь между p, vи Tв любых двух точках на политропе:
Работа расширения газа в политропном процессе равна:
В случае идеального газа эту формулу можно преобразовать:
Количество подведенной или отведенной в процессе теплоты определяется с помощью первого закона термодинамики:
представляет собой теплоемкость идеального газа в политропном процессе.
При cv, k и n = const cn = const, поэтому политропный процесс иногда определят как процесс с постоянной теплоемкостью.
Политропный процесс имеет обобщающее значение, ибо охватывает всю совокупность основных термодинамических процессов.
Графическое представление политропа в p, v координатах в зависимости от показателя политропа n.
pv 0 = const (n = 0) – изобара;
pv = const (n = 1) – изотерма;
p 0 v = const, p 1/∞ v = const, pv ∞ = const – изохора;
n > 0 – гиперболические кривые,
n По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
всякое изменение, происходящее в термодинамич. системе и связанное с изменением хотя бы одного из её параметров состояния. Различают обратимые процессы, необратимые процессы и квазистатические процессы. Частные случаи Т. п.: адиабатный процесс, изобарический процесс, изотермический процесс, изохорический процесс, изоэнтальпийный процесс и изоэнтропийный процесс.
Смотреть что такое «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС» в других словарях:
термодинамический процесс — термодинамический процесс; процесс Изменение состояния системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров … Политехнический терминологический толковый словарь
термодинамический процесс — Изменение состояния термодинамической системы, характеризующееся изменением ее параметров. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 103. Термодинамика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.] Тематики термодинамика EN … Справочник технического переводчика
термодинамический процесс — – переход термодинамической системы из одного состояния в другое. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины
термодинамический процесс — [thermodynamic process] процесс в макроскопической системе, связанный с переходом ее из одного равновесного состояния в другое в результате внешних воздействий. Различают следующие основные виды термодинамического процесса: адиабатный,… … Энциклопедический словарь по металлургии
термодинамический процесс — termodinaminis vyksmas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminių parametrų pokyčio sukeltas sistemos būsenos kitimas. atitikmenys: angl. thermodynamic process vok. thermodynamischer Prozess, m rus.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
термодинамический процесс — termodinaminis procesas statusas T sritis chemija apibrėžtis Termodinaminių parametrų pokyčio sukeltas sistemos būsenos kitimas. atitikmenys: angl. thermodynamic process rus. термодинамический процесс … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
термодинамический процесс — termodinaminis vyksmas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. thermodynamic process vok. thermodynamischer Prozeß, m rus. термодинамический процесс, m pranc. processus thermodynamique, m … Fizikos terminų žodynas
термодинамический процесс — termodinaminis procesas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Makroskopinės sistemos pradinės būsenos virsmas galine būsena, būsenos kitimas dėl sistemos termodinaminių parametrų kitimo. atitikmenys: angl. thermodynamic process vok.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
термодинамический процесс — ▲ процесс ↑ теплота термодинамические процессы процессы энергетического взаимодействия вещества. расширение. < > сжатие. диссипация. экзотермический. < > эндотермический. изотонический. изоэнтропический. ↓ изотерма. изотермический (#… … Идеографический словарь русского языка