Термодинамическая система, параметры состояния

В термодинамике рассматриваются только макроскопические тела, которые носят общее название термодинамической системы.

Термодинамическая система (ТДС) – это материальное тело (или совокупность тел), способное (способных) обмениваться энергией между собой и окружающей средой (ОС). На рис. 1.1 представлена термодинамическая система и окружающая среда.

Газ с давлением Р заключен в цилиндре 1 под поршнем 2 со штоком 3, внешняя среда - окружающий воздух, контрольная поверхность (оболочка) - стенки цилиндра 1.

В зависимости от условий энергетического взаимодействия ТДС с окружающей средой и другими системами различают изолированную, открытую, закрытую и адиабатно изолированную (без теплообмена с ОС) термодинамические системы.

 

 

Рис. 1.1. Термодинамическая система и окружающая среда

 

Изолированная термодинамическая система не может обмениваться энергией и веществом с другими системами, окружающей средой, но вместе с тем ее отдельные части могут взаимодействовать между собой. Термодинамическую систему, которая может обмениваться веществом с другими системами, называют открытой (например, потоки пара или газа в турбине). Если вещество не проходит через границы системы, ее называют закрытой. Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), называется теплоизолированной, или адиабатной.

Термодинамическая система в зависимости от внешних условий в каждый момент времени находится в каком-либо физическом состоянии. Количественное состояние системы при этом характеризуется определенными физическими величинами – параметрами состояния.

Параметрами состояния называют физические величины, которые характеризуют свойства системы и могут быть измерены.

Это – давление Р, температура Т и удельный объем ν.

Температура – мера внутренней энергии, пропорциональная кинетической энергии рабочего тела, абсолютная Т, К; T = t + 273,15, t, ^oC.

Давление Р – сила, действующая по нормали на единицу площади поверхности тела.

 

 

Р_абс = Р_изб + В, p > B.

 

P_абс = B – P_вак, р < B,

 

где B – барометрическое давление,

Р_изб, Р_вак – манометрическое давление и давление вакуума.

За единицу давления принят один паскаль (Па)

1 Па = 1н/м²; 1 кПа = 10³ Па, 1 МПа = 10⁶ Па, 1 бар = 10⁵ Па,

1 ат = 0,098 МПа; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

 

Удельный объем ν – это объем единицы массы вещества, м³/кг.

Плотность ρ – величина, обратная удельному объему ν, ρ = 1/ν, кг/м³.

Если термодинамические параметры состояния (давление Р, температура Т и удельный объем ν) постояны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такая система называется равновесной. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, называемая уравнением состояния:

 

 

F(P, T, ν) = 0. (1.1)

 

При взаимодействии системы с окружающей средой ее состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической системы называют термодинамическим процессом.

Термодинамический процесс

Термодинамический процесс – последовательное изменение состояния рабочего тела под действием окружающей среды. Равновесный термодинамический процесс – это непрерывная последовательность равновесных состояний системы.

Рис. 1.2. Диаграмма состояния газа в координатах р, v:

1, 2, 3, А, В, - изображение состояния газа;

АС, АВ – термодинамические процессы

 

На рис. 1.2 показаны равновесные термодинамические процессы, протекающие при неизменном объеме – изохорный (линия АС), при постоянном давлении – изобарный (линия АД), неизменной температуре – изотермический (линия АВ), а также без отвода и подвода теплоты – адиабатный (линия АЕ).

Обратимый термодинамический процесс (АВ) может быть проведен в обратном направлении от точки В к А так, что рабочее тело и окружающая среда пройдут через те же промежуточные состояния (точки 3,2,1) в обратной последовательности, что и в прямом направлении от точки А к В при отсутствии изменений в окружающей среде, в противном случае процесс является необратимым. Процесс АВ – обратимый термодинамический процесс.

Цикл (замкнутый термодинамический процесс) – система проходит через ряд равновесных состояний и возвращается в первоначальное состояние.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики – это количественное выражение закона сохранения и превращения энергии применительно к задачам технической термодинамики. Он устанавливает взаимосвязь между теплотой Q, работой 1 и изменением энергии Е термодинамической системы.

При любом термодинамическом процессе обмен энергией системы с окружающей средой происходит в форме теплоты или механической работы. В первом случае обмен осуществляется при контакте тел с различной температурой. Энергия передается на молекулярном уровне от более нагретого тела к холодному. Количество подведенной или отведенной теплоты обозначают буквой Q, Дж.

Если теплоту относят к 1 кг массы М, то ее количество обозначают через q, Дж/кг и называют удельной теплотой:

Второй способ передачи энергии происходит при изменении объема тела V. Количество переданной энергии соответствует работе расширения, совершенной над телом или затраченной им. Величину работы расширения обозначают буквой L, Дж, а отнесенное к единице массы ее количество l, Дж/кг - удельной работой.

Работа расширения газа в процессе определяется по формуле

(1.2)

 

или

 

(1.3)

Из (1.2) следует, что:

▪ если dV > 0, то L > 0, т. е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;

▪ если dV < 0, то L < 0, т. е. при сжатии работа отрицательна, другими словами, на его сжатие затрачивается работа извне.

Любая термодинамическая система обладает запасом энергии, которую называют внутренней энергией системы U. Под внутренней энергией U понимают кинетическую энергию хаотического движения молекул и атомов, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

Для задач технической термодинамики важно не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение в различных термодинамических системах. В свою очередь, изменение внутренней энергии определяется только начальным и конечным состояниями системы:

 

ΔU = U₂ – U₁, Дж. (1.4)

Изменение энергии для 1 кг вещества:

Δu = u₂ – u₁, Дж/кг. (1.5)

При одновременном тепловом и механическом взаимодействиях системы со средой изменение внутренней энергии будет зависеть как от количества подведенной (отведенной) теплоты, так и от произведенной системой работы, т. е.

u₂ – u₁ = q – l (1.6)

или

q = l + Δu. (1.7)

Уравнения (1.6) и (1.7) называют уравнениями первого закона термодинамики. Согласно этим уравнениям первый закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение внешней работы.

В дифференциальной форме уравнение первого закона термодинамики имеет вид

dq = du + dl = du + Pdν. (1.8)

Выражение (1.8) можно записать в другой форме, если ввести функцию u + pν, называемую энтальпией системы h, Дж/кг. Энтальпия, составленная из параметров состояния, также является параметром состояния, имеет полный дифференциал dh:

dh = du + pdν + νdp, (1.9)

du +pdν = dh – νdp. (1.10)

Подставляя (1.10) в соотношение (1.8), получаем выражение первого закона через энтальпию h:

dq = dh – νdp. (1.11)

Для основных термодинамических процессов из соотношения (1.8) можно получить частные случаи первого закона.

При q = 0 (адиабатный процесс)

dl = -du или –dl = du; (1.12)

du = 0 (изохорный процесс)

dq = du (1.13)

dp = 0 (изобарный процесс)

dq = du + dl; (1.14)

dT = 0 (изотермический процесс)

dq = dl.