Формулировки первого закона термодинамики.

Многочисленнымиопытами, проведенными в конце XVIII и в первой половине XIX веков, было показано, что существуетопределенная количественная связь при переходе тепловой энергии в механическуюработу. Установленные М. В. Ломоносовым основные положения кинетической теориигазов и последующее развитие этой теории в совокупности с проведеннымиисследованиями позволили установить и объяснить закон сохранения и превращенияэнергии. Втехнической термодинамике первый закон формулируется так: теплота имеханическая работа эквивалентны. Это означает, что для получения определенногоколичества механической работы необходимо затратить строго определенноеколичество теплоты, эквивалентное полученной работе.Принципэквивалентности в общем виде может быть записан так (при измерении Q иL водинаковых единицах): Q= L, где Q -количество затраченной тепловой энергии; L - количество совершенной работы.По ГОСТу7664-61 единицей измерения механической энергии является джоуль, равный работе,произведенной постоянной силой 1 к на пути 1 м. За единицу измерениятепловой энергии также принят джоуль.Во внесистемных единицах теплота измеряется в калориях.Всистеме МКГСС за единицу измерения работы принят килограммометр (кГ • м).Согласномногочисленным опытным данным установлено количественное соотношение междуработой в килограммометрах и теплотой в килокалориях.

11. Аналитические выражения первого закона термодинамики. Определение работы и теплоты через термодинамические параметры состояния.

Сущность первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики является математическим выражением количественной стороны закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам. По этому закону теплота может превращаться в механическую работу или, наоборот, работа в теплоту в строго эквивалентных количествах. Это означает, что из данного количества теплоты в случае её полного превращения в работу получается строго определённое и всегда одно и то же количество работы, точно так же, как из данного количества работы при её полном превращении в тепло получается строго определённое и всегда одно и то же количество теплоты.

налитическое выражение первого закона термодинамики для цикла и разомкнутого процесса

Рассмотрим две системы: А и В (рис. 3.1). Предположим, что система А взаимодействует с системой В только в тепловом отношении. Пусть температура системы А выше температуры системы В(T_A>T_B), тогда разность температур T_A-T_B приведет к передаче теплоты от системы А к системе В. Запишем уравнение баланса энергии. Подводимая к системе В теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение всех видов работы, то есть

 

Рис. 3.1. К выводу первого закона термодинамии

.

(3.1)

 

Если затрачивается бесконечно малое количество теплоты, при этом совершается бесконечно малая работа и будет бесконечно малым изменение внутренней энергии, то уравнение (3.1) можно записать в виде

.

(3.2)

 

Так как нас интересует только механическая работа, совершаемая при изменении объёма рабочего тела, то естественно интересоваться только той частью подводимого к системе В тепла, которое расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение механической работы изменения объёма рабочего тела. Поэтому запишем

,

(3.3)

 

или

.

(3.4)

 

Для 1 кг рабочего тела получим

,

(3.5)

 

или

.

(3.6)

 

Уравнения (3.5) и (3.6) являются математическим выражением первого закона термодинамики.

Для кругового процесса выражение первого закона термодинамики в инте­гральной форме запишется как

.

(3.7)

Так как изменение внутренней энергии термодинамической системы не зависит от характера процесса и полностью определяется её начальным и конечным состояниями, то. Следовательно, все количество тепло­ты, подведенное к термодинамической системе или отведенное от нее в таком процессе, полностью расходуется на совершение системой внешней работы

.

(3.8)

То есть в круговом термодинамическом процессе теплота и работа взаимопревращаются в эквивалентных количествах. Если бы оказалось, что, то можно было бы осуществить вечный двигатель первого рода — двигатель, который совершал бы работу без затраты энергии.

Таким образом, первый закон термодинамики, указывая на эквивалентность между теплотой и работой, свидетельствует о невозможности создания такой машины, которая бы производи­ла работу, не затрачивая никакой энергии.

 

12. Анализ термодинамических процессов. Общие методы исследования процессов изменения состояния рабочих тел.

Схема анализа изменения состояния рабочего тела

При исследовании термодинамических процессов используются уравнение состояния идеальных газов и математическое выраже­ние первого закона термодинамики.

При изучении термодинамических процессов идеальных газов требуется:

1) определить уравнение кривой процесса в pv-диаграмме;

2) установить связь между термодинамическими параметрами;

3) определить изменение внутренней энергии рабочего тела по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,

(4.1)

4) определить величину внешней (термодинамической) удельной работы по формуле

(4.2)

5) определить количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе, по формуле

(4.3)

где c_x – теплоёмкость процесса;

6) определить изменение энтальпии в термодинамическом процессе по формуле

(4.4)

7) определить изменение энтропии в термодинамическом процессе по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,

(4.5)

В общем случае любые два термодинамических параметра из трех могут изменяться произвольно. Изучение работы тепловых машин показывает, что наибольший интерес для практики представляют следующие основные процессы: при постоянном объеме (V=const); при постоянном давлении (р=const); при постоянной температуре (Т=const); при dq=0 (процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой); политропный процесс, который при определенных условиях можно рассматривать в качестве обобщающего по отношению ко всем основным процессам.

Чтобы получить обобщенные и простые формулы, уравнения первого закона термодинамики рассматриваются для 1 кг идеального газа.