Теплота и работа – формы передачи энергии

Передача энергии от одной ТС к другой, в зависимости от свойств системы, может происходить раз-личными способами. Для закрытых ТС возможен энергообмен лишь в двух формах: в форме теплоты и в форме работы.

Теплота процесса(теплота Q) – энергия, пере-даваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая только от температуры этих тел и не связанная с переносом вещест-ва от одного тела к другому.

В случае, когда теплота переда-ется к системе, ее принято считать положительной “ +”. Если же теплота отво-дится от системы используют знак “ - “.

Между теплотой Q(Дж), удельной теп-лотой q(Дж/кг) и массой однородной сис-темы m (кг), которая участвует в про-цессе энергообмена, существует следующая взаимосвязь

Q = q ⋅ m.

Передача энергии в форме работы всегда связана с перемеще-нием ТС или отдельных ее частей (макротел) как целого. Работа процесса – энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, не завися-щая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому.

В случае, когда работа переда-ется к системе, ее принято считать отрицательной и использовать со знаком “ - ”. Если же работа отво-дится от системы, ее считают поло-жительной и используют со знаком “ + “.

Между работой L, удельной ра-ботой l (Дж/кг) и массой однородной сис-темы m (кг), которая участвует в про-цессе энергообмена, взаимосвязь аналогична

L = l ⋅ m.

 

Уравнение баланса имеет вид:

Баланс энергии составляется за промежуток времени работы си-мы(За цикл, сутки, месяц, год). Выбор отрезка времени в составлении баланса является важной и сложной задачей. Он составляется за определенный период в относительной или абсолютной форме. Как правило в абсолютной размерность прихода и расхода ГДж и обычно располагается по весу(год, сутки, час) от более к менее значимому. В относительной форме баланс составляется в процентах, для этого делиться на приход и расход. В отдельных случаях баланс составляется на единицу продукции из баланса энергии устанавливают абсолют и относит энергетические характеристики. Сравнивать два предприятия выпускающих одну и туже продукцию по расходам энергии не верно!!!!

1 закона термодинамики в различных изопроцессах:

1) Изохорный (V=const)

- количество теплоты переданное системе идет на изменение внутр энергии

2) Изотермический (T=const)

- количество теплоты переданное системе идет на совершение работы.

3) Адиабатный (Q=0)

- газ совершает положительную работу,внутр энергия газа уменьшается, газ охлаждается

4) Изобарный (P=const)

количество теплоты переданное системе идет на изменеие внутренней энергии и на совершение работы

Второй закон термодинамики. Формулировки и их соотношение друг с другом. Значение понятия обратимости. Внешняя и внутренняя необратимость. Энтропия. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. Аналитическое выражение 2-го закона термодинамики. Единое уравнение (тождество) термодинамики для закрытых систем

Второй закон термодинамики.

Второй закон как и первый является обобщенным опытными данными и никак не доказывается. Он относится к системе, находящейся в состоянии равновесия, к процессу перехода системы из одного состояния равновесия в другое. Он рассматривает направленность протекания естественных процессов, говорит о том, что различные виды энергии неравноценны.

Все процессы в природе протекают в направлении исчезновения движущей силы(градиент температур, давлений, концентраций). На изложенных фактах и основывается одна из формулировок закона: теплота не может переходить от менее к более нагретому телу. Вывод из 2-го закона: он устанавливает неравноценность теплоты и работы, и если при преобразовании работы в теплоту можно ограничиться изменением состояния одного теплоприемника, то при преобразовании теплоты в работу необходимо компенсация.

Другая формулировка закона: Невозможен вечный двигатель 2-го рода, то есть нельзя создать машину, единственным результатом функционирования которой будет охлаждение теплового резервуара.

Понятие обратимости.

Понятие обратимости занимает центральное место:

1) оно является водоразделом между феноменологической термодинамикой и статической физикой;

2) понятие обратимости позволяет получить точку отсчёта для оценки термодинамического совершенства протекания процесса.

Обратимый процесс – термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (ОС) могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и ОС возникали какие-либо остаточные изменения.

Необратимый процесс – термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (ОС) не могут возвратиться в начальное состояние без возникновения остаточных изменений в системе или ОС.

Существует множество внутренних и внешних факторов, которые создают необратимость процессов.

Внутреннюю необратимость вызывает внутреннее трение молекул жидкости в результате молекулярных сил и турбулентности.

Внешняя необратимость следует из внешних факторов системы. Одна из самых частых причин внешней необратимости — механическое трение. Трение присутствует во всех процессах, где поверхность тела или вещества трется о другую поверхность. Другая причина внешней необратимости — процесс теплопередачи. По своей природе теплопередача происходит только в одном направлении: от более теплой области к более холодной. Следовательно, процесс невозможно полностью обратить, так как теплота не передается от более холодных областей более теплым без применения работы.

Энтропия.

Энтропия – функция состояния термодинамической системы, определяемая тем, что ее дифференциал (dS) при элементарном равновесном (обратимом) процессе, происходящем в этой системе, равен отношению бесконечно малого количества теплоты (dQ), сообщенной системе, к термодинамической температуре (T) системы.

Введение энтропии дает нам ещё одно уравнение для расчета теплоты процесса, использование которого более удобно известного уравнения через теплоемкость. Площадь под графиком процесса в Т(S) – диаграмме в масштабе изображает теплоту процесса.

Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах.

Изменение энтропии в обратимом процессе хорошо показывает цикл Карно. Он состоит из 4х процессов: 1) отвод работы от рабочего тела (уменьшение внутренней энергии тела и уменьшение температуры тела); 2) изотермический отвод теплоты; 3) подвод к рабочему телу энергии в форме работы; 4) изотермический подвод теплоты. При изотермических подводе и отводе теплоты количество подведенной и отведенной энергии можно вычислить с помощью изменения энтропии.

Для обратимого процесса изменение энтропии определяется как

Изменение энтропии в необратимом процессе. Воспользуемся условием (), из этого условия получаем, что

Сумма приведенных теплот для необратимого цикла меньше нуля, где приведенная теплота – это отношение теплоты изотермического процесса к температуре процесса.

Перейдя к производному циклу и разбив его сеткой адиабат и изотерм на бесконечное число циклов Карно, просуммировав по всем циклам получаем, что . Отсюда можем получить как изменяется энтропия в необратимых процессах.

Но для обратимого процесса мы знаем, что .

Так как изменение энтропии как термодинамического потенциала не зависит от пути процесса, то очевидно, что . В необратимых процессах изменение энтропии ds на любом элементарном участке всегда больше отношения на этом же участке.

Аналитическое выражение 2-го закона термодинамики. Единое уравнение (тождество) термодинамики для закрытых систем.

Для изолированной системы dq=0, и тогда для изолированной системы получаем .

Объединим 1-ый и 2-ой законы термодинамики и запишем для закрытых систем единое уравнение «тождество» в различных формах:

1) через внутреннюю энергию:

,

«>» - необратимый процесс, «=» - для идеальных систем.

2) через энтальпию:

3) через энергию Геймгольца: .

4) через энергию Гибса: .