Понятие о термодинамическом процессе. Понятие об обратимых и необратимых процессах. Уравнение первого закона термодинамики, страница 2

В общем случае такой теплообмен протекал бы при наличии распо­ложенного друг за другом бесконечно большого количества источников теплоты, температуры которых отличаются друг от друга на бесконечно малую величину. Это позволяет рабочему телу в равновесном процессе расширения \—а—b—с—d—е—2 получать теплоту от теплового источни­ка, а в обратном равновесном процессе сжатия 2—е—d—с—b—а—\ отдавать теплоту тому же источнику, от которого она была получена. Следо­вательно, в процессе обращения (сжатия) рабочее тело и источники теплоты приходят точно в то же состояние, какое они имели в каждый рассматриваемый момент в процессе расширения.

Заметим, что обратимый процесс возможен, если система, включающая в себя источники теплоты и рабочее тело, находящееся в цилиндре с подвижным поршнем, является термически изолированной, т. е.отсутствует возможность потери теплоты в окружающую среду.В действительности реальные процессы, осуществляемые в тепло­вых машинах, протекают в весьма короткий промежуток времени, что не позволяет получить в них равновесный и тем более обратимый про­цесс. Кроме того, в реальных процессах из-за межмолекулярного тре­ния, а также трения газа о стенки сосуда происходит выделение теплоты как в прямом, так и в обратном процессах, что также приводит к невоз­можности достижения обратимости. Процессы, которые невозможно осуществить в прямом и обратном направлениях через одни и те же промежуточные равновесные состояния, называются необратимыми. Процессы, характерные для двигателей внутреннего сгорания, необра­тимы еще и потому, что при сгорании топливовоздушной смеси проис­ходит изменение химического состава рабочего тела.

В технической термодинамике рассматриваются обратимые процес­сы. Изучение таких процессов позволяет выявить условия, при которых достигается наилучшее использование теплоты.

Сопоставляя действительные необратимые процессы с обратимыми, можно установить на основе опытов коэффициенты, которые учитыва­ют потери, характерные для реальных процессов.Многочисленными опытами, проведенными в конце XVIII и в пер­вой половине XIX века, было показано, что существует определенная. количественная связь при переходе тепловой энергии в механическую работу. Установленные М. В. Ломоносовым основные положения кинетической теории газов и последующее развитие этой теории в совокуп­ности с проведенными исследованиями позволили сформулировать и объяснить закон сохранения и превращения энергии. Первый закон термодинамики формулируется так: теплота и механи­ческая работа эквивалентны.

Принцип эквивалентности тепла и работы в общем виде может быть записан так:

Q=L

где

Q— количество затраченной тепловой энергии;

L— количество со­вершенной работы.

В системе СИ единицей измерения механической энергии является джоуль (Дж), равный работе, произведенной постоянной силой 1 Н на пути 1 м. За единицу измерения тепловой энергии также принят джо­уль.

Во внесистемных единицах теплота измеряется в калориях или ки­локалориях. За единицу измерения работы принимают также килограм­мометр (кгс-м).

Согласно опытным данным установлено количественное соотноше­ние между работой в килограммометрах и теплотой в килокалориях. При затрате 1 ккал теплоты можно получить 427 кгс • м работы. Следо­вательно термический эквивалент работы А равен:

А = 1/427 (ккал/кгс - м).

3.Уравнение первого закона термодинамики

В практических расчетах мощность двигателя измеряют в киловат­тах (кВт) или лошадиных силах (л. е.).Часто энергию измеряют величиной работы, производимой в тече­ние часа. Единицами измерения в этом случае являются лошадиная сила-час или киловатт-час (л. с. • ч, кВт • ч).Рассмотрим процесс, совершаемый газом находящимся в объеме V, цилиндра (рис.). В общем случае, когда к 1 кг рабочего тела подводится теплота д и поршень может сво­бодно передвигаться вправо, рабочее тело совершает работу / против внешних сил, затрачивая на это часть теплоты д{. В рассмат­риваемом процессе не вся теплота, подводи­мая к рабочему телу, расходуется на соверше­ние работы. Одновременно с расширением газа (увеличением объема: У2 > У,) его темпе­ратура возрастает (Т2 > Г,) за счет того, что часть подвозимой теплоты д2 = и21 = Аи затрачивается на увеличение внутренней энергии газа. Здесь иь и2 — внутренняя энер­гия в точках 1 и 2 диаграммы. Для такого протекания конечного процес­са от точки 1 до точки 2 уравнение первого закона термодинамики имеет вид

q = q1 + q2 =  du  +l=Сv(T2-T1)+l

4.Термодинамические процессы, графическое изображение процессов в координатах Р-V. Связь между параметрами.

В тепловых машинах происходят различные процессы, во время которых подводится и отводится теплота (-+q), соответственно увеличивается и уменьшается внутренняя энергия (-+du). Работа может совершаться только за счет внутренней энергии, когда нет подвода теплоты извне (q=0), или наоборот, только за счет подводимой теплоты, когда внутренняя энергия остается неизменной (dи = 0), и, наконец, возможен процесс, когда рабочее тело не совершает работы (/=0).Рассмотрим случай, когда в объеме V цилиндра (рис.) находится 1 кг газа — рабочего тела. Поршень закреплен в цилиндре так, что несмотря на воздействие сил газов он остается неподвижным и, следовательно, при подводе к газу теплоты или отводе ее от газа объем  остается постоянным. Уравнение, характеризующее процесс, имеет вид

V = const