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

Лекция № 2,3

Тема: «Основы термодинамики»

План:

1. Понятие о термодинамическом процессе.

2. Понятие об обратимых и необратимых процессах.

3Уравнение первого закона термодинамики

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

5.Второй закон термодинамики

6.Цикл Карно

1. Понятие о термодинамическом процессе

При химической реакции кислорода воздуха с топливом, состоя­щим из углеводородов, выделяется тепло. Получаемая таким образом тепловая энергия может быть частично превращена в механическую. Такое преобразование тепловой энергии в механическую осуществля­ется в тепловом двигателе. В поршневых двигателях внутреннего сгорания все химические превращения, также как и производимая газами механическая работа, происходят непосредственно в рабочем объеме цилиндра. Теплоносителем являются газы, которые называют рабочим телом Дисциплину, изучающую явления взаимного превращения тепловой и механической энергии и анализ эффективности этих превращений при их использовании в технике, принято называть технической термодинамикой. Основы технической термодинамики базируются на известных законах, изучаемых в соответствующих разделах курса физики. В технической термодинамике при изучении общих законов, харак­теризующих эффективность использования теплоты применительно к процессам, происходящим в двигателях внутреннего сгорания, в качест­ве рабочего тела рассматривается идеальный газ. Под идеальным газом понимают газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного сцепления, а молекулы не имеют геометрических размеровЭти допущения при изучении свойств газов, являющихся рабочим телом в двигателе внутреннего сгорания, не вносят существенных по­грешностей в анализ изучаемых процессов. Это объясняется тем, что фактические температуры и давления, возникающие при этих процес­сах, равно как и силы межмолекулярного сцепления, на самом деле ни­чтожны, а расстояния между молекулами существенно превышают их размеры. Состояние рабочего тела определяется величинами, называемыми параметрами состояния. Основными параметрами состояния являются температура, давление и удельный объем или плотность. Отметим, что рассматриваемые параметры состояния находятся в определенной связи между собой. Лишь любые два из них могут быть независимыми, а тре­тий обязательно будет функцией этих двух

Температура характеризует тепловое состояние тела, степень его на- гретости и является одной из важнейших величин.

Во всех термодинамических расчетах пользуются термодинамиче­ской температурой, выражаемой в градусах Кельвина (ГК), а практические измерения температуры производят в градусах Цельсия (I °С).

Т К = tС + 273.                           (1/1)

Температуру измеряют градуированными термометрами или специ­альными предварительно протарированными приборами (например, термопарами). Применяются также и другие приборы для измерения температуры. Удельным объемом называется объем, занимаемый единицей массы вещества. Удельный объем обозначается латинской буквой V и в системе СИ выражается в м³/кг. Плотностью называется масса единицы объема. Ее обозначают гре­ческой буквой р (ро). Плотность и удельный объем связаны между со­бой следующим соотношением

 (1/2)

Давление р. Рассматриваемый в качестве рабочего тела идеальный газ состоит из бесконечно большого количества молекул, которые находятся в хаотическом движении. В результате этого движения газ оказы­вает давление на стенки сосуда, в котором он заключен. Поскольку движение молекул в объеме не имеет преимущественного направления, газ создает равномерное давление во все стороны. Давление газа измеряют силой F, приходящейся на единицу поверхности S.

P= F/ S               (1/3)

В системе СИ за единицу давления принят Паскаль (Па). В технике используются также другие единицы (см. табл. В.1)..Атмосферное давление измеряется специальным прибором, называемым барометром. Поэтому часто атмосферное давление называют барометрическим

/ Сумму кинетической и потенциальной энергий молекул и атомов газа называют внутренней энергией газа:

U= Еk+ Еp.                     (1/43)

Внутренняя энергия является однозначной функцией любых двух независимых параметров, определяющих состояние газа.

2. Понятие об обратимых и необратимых процессах

При анализе совершаемых газом термодинамических процессов ос­новные соотношения базируются на использовании характеристическо­го уравнения, выведенного для идеального газа. В этом случае анализ происходящих процессов возможен при условии, что во всем объеме, в котором находится газ, его давление и температура одинаковы. Это означает что газ находится в равновесном состоянии. На рис. 1.4 в ко­ординатах р-У показан процесс расширения от точки 1 до точки 2. В любой момент времени газ находится в равновесном состоянии, ха­рактеризуемом параметрами точек а, Ь, с, й, е. Переход от одного равно­весного состояния к другому возможен только при бесконечно медленном изме­нении состояния, при котором температу­ра и давление во всей массе газа выравни­ваются и имеют одинаковые значения. Можно представить, что такой же равно­весный процесс при бесконечно медлен­ном его протекании происходит при сжа­тии газа от точки 2 до точки 1.

Процессы, которые можно осущест­вить в прямом направлении (расширение) и в обратном (сжатие) через одни и те же промежуточные равновесные состояния, называют обратимыми.

Обязательным условием обратимого процесса является то, что при обратном процессе (сжатие) теплота от рабочего тела передается тому же источ­нику, от которого она была подведена в прямом процессе (расшире­ние). Это условие выполнимо, если в каждый рассматриваемый беско­нечно малый промежуток времени рабочее тело соприкасается с источником теплоты, температура которого отличается от температуры рабочего тела на бесконечно малую величину.