 |
Первое начало термодинамики
|
|
|
|
Первое начало термодинамики является математическим выражением закона сохранения и превращения энергии.
Первое начало термодинамики по балансу рабочего тела для 1 
простого тела записывается следующим образом:
, (8)
где 
– удельный приведенный термодинамический теплообмен;
– количество теплоты, подведенное к 1 кг системы извне;
– удельное количество теплоты внутреннего теплообмена в
процессе 1-2, 
; 
– изменения удельной внутренней энергии и удельной энтальпии газа, ; 
– удельная термодинамическая и потенциальная работы в обратимых процессах, ; 
; 
– удельная внешняя термодинамическая работа, 
– удельная термодинамическая работа необратимых потерь.
Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия 1 идеального газа в j -м состоянии согласно закону Джоуля находятся по следующим соотношениям:
; (9)
; (10)
, (11)
где 
, 
– вторые средние изобарная и изохорная теплоемкости, 
; 
; 
.
Термодинамические процессы изменения состояния
Любое изменение термодинамического состояния системы называется термодинамическим процессом.
Большинство термодинамических процессов изменения состояния простых тел описывается уравнением политропы с постоянным показателем
, (12)
где n – показатель политропы, в общем случае изменяющийся в пределах 
.
Термодинамическая и потенциальная работы 1 
газа определяются в координатах 
как площади между кривой процесса и соответствующими координатами (рис. 1).
Рис. 1. Политропический процесс
Удельные термодинамическая и потенциальная работы в политропических процессах можно рассчитать по следующим соотношениям:
; (13)
, (14)
где 
– характеристика расширения или сжатия,
|
|
|
. (15)
Характеристика расширения или сжатия для идеальных газов может быть определена по формуле
. (15.а)
Количество теплоты, подводимое или отводимое от 1 кг идеального газа в политропном процессе, может быть рассчитано по следующему соотношению:
. (16)
Расчетные соотношения для определения удельных значений термодинамической и потенциальной работ и теплообмена в простейших процессах имеют следующий вид:
– изобарный процесс (
)
, (17)
, (18)
; (19)
– изохорный процесс (
)
, (20)
, (21)
; (22)
– изопотенциальный процесс (для идеального газа – изотермический процесс) (
)
; (23)
– адиабатный процесс (
)
, (24)
. (25)
Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия являются функциями состояния. В связи с этим, изменение их значений в процессе будет определяться как разность конечного (
) и начального (
) значений
, (26)
где z – функция состояния (
).
Круговые процессы (циклы)
Круговым процессом или циклом называется непрерывная последовательность процессов, характеризующаяся возвратом рабочего тела в исходное состояние. В термодинамических циклах исключены необратимые потери рабочего процесса [1].
Первое начало термодинамики для циклов записывается следующим образом:
. (27)
Так как изменение любой функции состояния в круговом процессе равно нулю
, (28)
первое начало термодинамики для циклов принимает следующий вид:
(29)
или
, (30)
где 
и 
– количество теплоты, подведенной и отведенной от рабочего тела в цикле, 
– работа цикла (сумма работ во всех процессах цикла).
Если 
, то рассматриваемый цикл является циклом теплового двигателя, в противном случае – циклом холодильной машины.
Термодинамические циклы тепловых двигателей принято изображать в и 
координатах (рис. 2).
Рис. 2. Термодинамический цикл теплового двигателя
|
|
|
Площадь замкнутого контура, образованного циклом в этих координатах, характеризует работу цикла 
.
Эффективность термодинамических циклов тепловых двигателей оценивается термическим коэффициентом полезного действия
. (31)
Наибольший КПД среди термодинамических циклов при одинаковых граничных температурах рабочего тела имеет цикл
Карно 
(рис. 2). КПД цикла Карно определяется из следующего соотношения:
, (32)
где 
и 
– температура рабочего тела в процессах подвода и отвода теплоты, К.
|
|
|
