 |
Термодинамическая система и термодинамический процесс
|
|
|
|
Термодинамической системой называется совокупность тел, взаимодействующих, путем обмена тепловой и механической энергией, между собой и с окружающей средой. Например, рабочее тело – газ в цилиндре с поршнем и подводом (отводом) тепловой и механической энергии из окружающей среды. В термодинамике рассматривается только обмен тепловой и механической энергий.
Принято называть энергию тепловой (теплота) если она передается на молекулярном уровне без изменения объема или положения тел.
Механической энергией (работа) называется энергия, которая передается при изменении объема тел или при перемещении их в силовом поле.
Если система не взаимодействует с окружающей средой, то она называется изолированной, а сумма энергии в ней остается постоянной.
В результате обмена энергией состояние тел, входящих в систему, изменяется, а следовательно изменяются их параметры состояния и, в первую очередь, состояние рабочего тела.
В итоге термодинамическая система переходит из одного состояния в другое, получая при этом из окружающей среды определенное количество тепла и отдавая определенное количество работы.
Преобразование тепла в работу и обратно сопровождается изменением состояния рабочего тела.
Совокупность изменений состояния рабочего тела при переходе из одного равновесного состояния в другое называется термодинамическим процессом.
Равновесным называется такое состояние рабочего тела, при котором во всех точках тела значения параметров состояния одинаковы.
Термодинамический процесс называется равновесным, если он проходит через промежуточные равновесные состояния. Равновесный процесс может быть осуществлен только при бесконечно медленных и бесконечно малых изменениях параметров состояния системы.
|
|
|
Реальные технологические процессы неравновесные и могут только приближаться к ним.
Процессы, которые протекают в прямом (от состояния 1 к состоянию 2) и обратном направлении через одни и те же промежуточные равновесные состояния, называются обратимыми.
Условия обратимости процессов:
– бесконечно медленное изменение состояния системы;
– бесконечно большое число промежуточных равновесных состояний;
– отсутствие внутреннего и внешнего трения;
– отсутствие химических изменений рабочего тела в процессе.
Действительные процессы являются необратимыми.
Термодинамика изучает равновесные и обратимые процессы. Связь с реальными процессами устанавливают, вводя поправочные коэффициенты, найденные экспериментально.
При изучении процессов в термодинамике применяют графический метод их изображения, путем построения диаграмм процесса в прямоугольной системе координат по двум любым параметрам состояния.
При этом уравнением состояния любые два параметра задают состояние рабочего тела, то в диаграмме процесса два параметра состояния по двум координатным осям дают положение точки на координатной плоскости, которая графически выражает состояние рабочего тела, а совокупность точек на диаграмме (совокупность состояний рабочего тела) дает линию процесса на диаграмме, которая и является графическим выражением термодинамического процесса.
В термодинамике наиболее распространенной является диаграмма pυ, которая позволяет графически выразить работу процесса,
Рассмотрим процесс 1–2 расширения газа в цилиндре с поршнем, где заключен 1 кг газа. Изобразим этот процесс в диаграмме p – υ (Рисунок 1.2), совместив направление оси цилиндра и оси υ. При этом, очевидно, что перемещение поршня dS будет пропорционально изменению удельного объема dυ.
|
|
|
Элементарная работа поршня dl при перемещении на пути dS будет равна 
. При этом, изменение объема 1 кг газа в цилиндре 
, откуда 
.
Для определения полной работы процесса 1–2, проинтегрируем это выражение:
, Дж/кг,
где p = f(υ).
 |
Рисунок 1.2 – Процесс расширения газа в цилиндре
По свойству определенного интеграла величина выражается площадью под линией процесса 1–2.
Следовательно, в р – υ – диаграмме работа процесса графически выражается площадью заключенной под линией процесса.
|
|
|
