Первое и второе начала термодинамики ни чего не говорят о том, как ведет себя термодинамическая система около абсолютного нуля температур. Поэтому их дополняют третьим законом (началом), который еще называют по имени открывателя теоремой Нернста (теоремой Нернста — Планка). Данная теорема была получена эмпирически.
Современную формулировку данной теоремы дал М. Планк. Данный закон термодинамики описывает поведение термодинамической системы при низких температурах.
Формулировки третьего закона термодинамики
В состоянии равновесия энтропия всех тел устремляется к нулю при приближении температуры тела (T) к абсолютному нулю температур и это не зависит от того, какие значения принимают другие параметры, характеризующие состояние системы. В математическом виде третье начало термодинамики записывают как:
где S - энтропия. Это формулировка Планка.
Иначе третье начало термодинамики формулируют так: При температуре близкой к абсолютному нулю в любом изотермическом процессе изменение энтропии системы равно нулю, и это не зависит от изменения любых других параметров системы. Сформулированное Планком третье начало термодинамики находится в соответствии с тем, как определяют энтропию в статистической физике:
где k - постоянная Больцмана; w - термодинамическая вероятность. Получается, что при T=0 K термодинамическая система находится в основном квантовом состоянии (если состояние невырожденное), при этом w=1, что означает состояние системы, реализуется при помощи единственного микрораспределения. Если w=1, то S=0.
О выполнении теоремы Нернста судят по поведению вещества около абсолютного нуля температур. Теорема Нернста математически не доказывается, ее подтверждают эмпирически.
Для того чтобы получить объяснение третьего закона термодинамики прибегают к квантовой механике. Используя третье начало термодинамики можно найти абсолютную величину энтропии, а не ее изменение, как при помощи второго начала. Так как в соответствии с третьим началом термодинамики изменение энтропии при T=0 K устремляется к конечному пределу, который не зависит от равновесного состояния системы:
где x - произвольный термодинамический параметр системы. В формулировке Нернста третье начало звучит так:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Приведите следствия из третьего начала термодинамики. |
| Решение | Первым следствием из третьего закона термодинамики считают то, что теплоемкости любых тел (при постоянном давлении и постоянном объеме) становятся равными нулю при абсолютном нуле температур.
Вторым следствием из третьего начала термодинамики считают то, что при абсолютном нуле () выполняются соотношения: Третьим следствием можно назвать равенство нулю термодинамического коэффициента расширяемости. Следствием третьего закона термодинамики считают то, что невозможно провести такой процесс с конечным числом шагов, в котором тело охладится до абсолютного нуля температур. Это так называемый принцип недостижимости абсолютного нуля. К абсолютному нулю можно только приблизиться по асимптоте. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Для многих систем в термодинамике при температуре стремящейся к абсолютному нулю в обратимом процессе энтропия убывает по степенному закону:
где - функция от объема. Какова зависимость теплоемкости при постоянном объеме для подобного процесса? Изобразите график при n=2. |
| Решение | За основу решения задачи примем выражение для теплоемкости, вида:
Для обратимого процесса элементарное изменение энтропии равно:
Выразим из формулы (2.2) элемент количества теплоты: И подставим в выражение (2.1), имеем:
По условию задачи мы имеем выражение для изменения энтропии вида: Значитпри постоянном объеме: |
Основные понятия и определения
Определение: Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии .
В термодинамике широко используется понятие термодинамической системы .
Определение: термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой . Все тела находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы называются окружающей средой .
Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находиться в разных состояниях, (пример: ледvводаvпар, одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества - так называемые параметры состояния .
Перечислим основные параметры состояния вещества:
Температура тел - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами .
В настоящее время в мире существует несколько температурных шкал и единиц измерения температуры. Наиболее распространенная в Европе шкала Цельсия где нулевая температура v температура замерзания воды при атмосферном давлении, а температура кипения воды при атмосферном давлении принята за 100 градусов Цельсия (ºС). В Северной Америке используется шкала Фаренгейта. Для термодинамических расчетов очень удобна абсолютная шкала или шкала Кельвина. За ноль в этой шкале принята температура абсолютного нуля, при этой температуре прекращается всякое тепловое движение в веществе. Численно один градус шкалы Кельвина равен одному градусу шкалы Цельсия.
Температура, выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой .
Соотношение для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина:
T [K] = t [º C] + 273.15,
где T - температура в Кельвинах;
t - температура в градусах Цельсия.
Давление представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности .
Для измерения давления применяются различные единицы измерения. В стандартной системе измерения СИ единицей служит Паскаль (Па).
Соотношение между единицами:
1 бар = 10 5 Па
1 кг/см 2 (атмосфера) = 9.8067 10 4 Па
1мм рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133 Па
1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) = 9.8067 Па
Плотность - отношение массы вещества к объему занимаемому эти веществом .
Удельный объем - величина обратная плотности т.е. отношения объема занятого веществом к его массе .
Определение: Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс .
Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния:
Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:
P - давление
v - удельный объем
T - температура
R - газовая постоянная (у каждого газа свое значение)
Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные из 3-х
Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)
Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.
Рассмотрим термодинамическую систему, состоящую из одного тела v какого либо газа в сосуде с поршнем, причем сосуд и поршень в данном случае является внешней средой. Пусть, для примера, происходит нагрев газа в сосуде, возможны два случая:
1) Если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущий при постоянном объеме;
Изохорные процессы в P - T координатах:
v 1 >v 2 >v 3
2) Если поршень свободен, то нагреваемый газ будет расширяться, при постоянном давлении такой процесс называется изобарическим (P=const), идущим при постоянном давлении.
Изобарные процессы в v - T координатах
P 1 >P 2 >P 3
Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).
Изотермические процессы в P-v координатах
Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным , при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы, при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например, быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводиться за счет нагрева поршня и сосуда.
Примерный график адиабатного процесса в P - v координатах
Определение: Круговой процесс (Цикл) - это совокупность процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние . Число отдельных процессов может быть любым в цикле.
Понятие кругового процесса является для нас ключевым в термодинамике, поскольку работа АЭС основана на паро-водяном цикле, другими словами мы можем рассматривать испарение воды а активной зоне (АЗ), вращение паром ротора турбины, конденсацию пара и поступление воды в АЗ как некий замкнутый термодинамический процесс или цикл.
Теплота и работа .
Тела, участвующие в процессе, обмениваются между собой энергией. Энергия одних тел увеличивается, других - уменьшается. Передача энергии от одного тела к другому происходит 2-мя способами:
Первый способ передачи энергии при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергии между молекулами соприкасающихся тел (или лучистым переносом при помощи электромагнитных волн).
Энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому.
Энергия кинетического движения молекул называется тепловой, поэтому такой способ передачи энергии называется передача энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученной телом в форме теплоты, называется подведенной теплотой (сообщенной), а количество энергии, отданное телом в форме теплоты - отведенной теплотой (отнятой).
Обычное обозначение теплоты Q, размерность Дж. В практических расчетах важное значение приобретает отношение теплоты к массе - удельная теплота обозначается q размерность Дж/кг.
Подведенная теплота - положительна, отведенная - отрицательна.
Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления.
Этот способ называется передачей энергии в форме работы .
Если в качестве примера тела рассматривать газ в сосуде с поршнем то в случае приложения внешней силы к поршню происходит сжатие газа - работа совершается над телом, а в случае расширения газа в сосуде работу, перемещение поршня, совершает само тело (газ).
Количество энергии, полученное телом в форме работы называется совершенной над телом работой, а отданная - затраченной телом работой .
Количество энергии в форме работы обычно обозначается L размерность Дж. Удельная работа - отношение работы к массе тела обозначается l размерность - Дж/кг.
Определение: Рабочие тело - определенное количество вещества, которое, участвуя в термодинамическом цикле, совершает полезную работу .
Рабочим телом в реакторной установке РБМК является вода, которая после испарения в активной зоне в виде пара совершает работу в турбине, вращая ротор.
Определение: Передача энергии в термодинамическом процессе от одного тела к другому, связанная с изменением объема рабочего тела, с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения называется работой процесса .
Первый закон термодинамики.
Формулировка: В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной .
Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой.
Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел.
Существуют другие формулировки этого закона:
1. Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии ни из чего и уничтожения ее в ничто);
2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии);
3. Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии);
4. Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.
Энтальпия.
В прошлом столетии Гибсс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию - энтальпию.
Определение: Энтальпия - это сумма внутренней энергии тела и произведения давления на объем .
I = U + PV
I - энтальпия; U - внутренней энергия; P - давление; V - объем.
Удельная энтальпия i это отношение энтальпии тела к его массе.
Удельная энтальпия это параметр состояния.
Значение удельной энтальпии пара и воды при определенном давлении и температуре можно найти в справочнике. Пользуясь этими данными, можно определить количество теплоты участвующее в процессе или работу процесса.
Энтропия
Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия обозначается S размерность Дж/К
dS = dQ/T
dS - дифференциал энтропии; dQ - дифференциал теплоты; Т - абсолютная температура;
Раздел физики, который изучает соотношение и превращение теплоты и других энергий, называется термодинамикой. В ней работают не с отдельными молекулами, а с телами макроскопических размеров, которые состоят из огромного числа частиц. Называются такие тела термодинамическими системами. В этой статье мы будем вспоминать законы термодинамики.
Первый закон
Этот закон обобщает закон превращения и сохранения энергии для термодинамической системы. Говорит он о том, что изменение внутренней энергии термодинамической системы, которая является неизолированной, будет равно разности количества теплоты, передаваемой системе, и работы, совершаемой системой над внешними объектами. Количество теплоты, которое получает система, идет на изменение внутренней ее энергии и совершение ею работы над внешними объектами. Рассмотрим этот закон термодинамики применительно к изопроцессам газов.
- При изохорном процессе газ работу не совершает. Значит количество теплоты, передаваемое системе, будет равняться изменению внутренней энергии. То есть, при изохорном нагревании, тепло будет поглощаться газом и, соответственно, будет увеличиваться его внутренняя энергия. При охлаждении, тепло будет отдаваться внешним телам.
- При изобарном расширении, тепло газом поглощается, и он совершает работу положительную. При изобарном сжатии, температура газа уменьшается, тепло отдается внешним объектам, внутренняя энергия при этом убывает.
- При изотермическом процессе, изменения температуры газа не происходит, следовательно, не происходит и изменения внутренней энергии. В процессе изотермического расширения количество теплоты, которую получает газ, превращается в работу над внешними объектами. Работа внешних сил, которая производится газом, при изотермическом сжатии превращается в тепло, передающееся окружающим телам.
- Рассмотрим первый закон термодинамики при адиабатическом процессе. Адиабатические процессы – это процессы сжатия или расширения газа в адиабатических оболочках. Такими оболочками называют сосуды, в которых отсутствует теплообмен с окружающими объектами.
Так как в этом процессе теплота равна нулю, то учитывая законы термодинамики, в частности первый закон, получается, что газ будет совершать работу за счет убыли своей внутренней энергии. Для адиабатического процесса идеального газа, в термодинамике выводится уравнение, которое называется уравнением Пуассона. Первый закон термодинамики представляет собой обобщение опытных факторов. Согласно ему, энергия не может создаваться или уничтожаться, она будет передаваться от системы к системе и превращаться из одной формы в другую.
Второй закон
Вторым началом термодинамики устанавливается наличие в природе ассиметрии, являющейся фундаментальной. То есть это говорит о том, что все происходящие самопроизвольные процессы характеризуются однонаправленностью. Примеры этому находятся вокруг нас: охлаждение горячих тел с течением времени, но при этом холодные сами по себе никогда не станут горячими, подпрыгивающий мяч рано или поздно остановится, а покоящийся никогда не начнет самопроизвольно подскакивать.
Проявляется здесь свойство природы, которое отличается от сохранения энергии. Несмотря на то, что баланс энергии в любом процессе должен сохраняться, изменение распределения имеющейся энергии происходит необратимым образом. В этом и заключается смысл второго закона термодинамики. Любая система, которая предоставлена сама себе, стремится к одному определенному состоянию, при котором система будет находиться в равновесии с окружающей средой.
Существует разная формулировка законов термодинамики, в том числе и у второго закона их несколько. Наиболее общую трактовку этого закона предложил Больцман. В ней говорится о том, что в природе происходит стремление к переходу от состояний менее вероятных к более вероятным. Еще одна формулировка второго закона термодинамики говорит о том, что любой самопроизвольный процесс, происходящий в реальности, необратим. И, исходя из формулировки Планка, делается вывод о невозможности построения «вечного двигателя». Речь в ней идет о том, что нельзя построить машину, периодически действующую, результатом действия которой будет лишь получение механической работы и охлаждение теплового источника.
Закон третий
Функция, которая характеризует меру неупорядоченности системы в термодинамике, то есть неоднородность движения и расположения ее частиц, называется термодинамической энтропией. Изложенные выше законы термодинамики не дают возможности определить значение энтропии при температуре равной нулю, то есть абсолютном нуле температуры.
Поэтому на их основании был найден закон, который устранил это. Он носит название принципа Нернста и говорит о том, что если любой изотермический процесс проведен при абсолютном нуле температуры, то нулю будет равно и изменение энтропии системы. Это не будет зависеть от изменения других параметров (давления, объема, напряженности внешнего силового поля). То есть изотермический процесс при абсолютном нуле температуры является также изоэнтропийным. Планком был развит принцип Нернста. На основании его гипотезы можно определять абсолютные значения энтропии системы, находящейся в произвольно равновесном состоянии.
Термодинамика и ее законы применяется в обширном круге вопросов в области техники и науки. Это двигатели, химические реакции, фазовые переходы, явления переноса, черные дыры. Эти принципы имеют важное значение и для других областей физики и химии, законы термодинамики нужны химической технологии, машиностроению, аэрокосмической технике, клеточной биологии, материаловедению, биомедицинской инженерии.
В продолжение нашего курса «Физика для чайников» начнем рассматривать основы такого важнейшего раздела как термодинамика .
Активное развитие термодинамики началось в девятнадцатом веке. Именно тогда люди начали строить первые паровые машины, а потом активно внедрять их в производство. Началась промышленная революция, и, естественно, всем хотелось увеличить коэффициент полезного действия машин, чтобы произвести больше продукции, доехать подальше и в конце-концов получить больше денег. Все это очень хорошо стимулировало развитие науки и наоборот. Но давайте ближе к сути вопроса.
Термодинамика – раздел физики, изучающий макроскопические системы, их наиболее общие свойства, способы передачи и превращения энергии в таких системах.
Что такое макроскопические системы? Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, баллон с газом или воздушный шар. Описание таких систем методами классической механики просто невозможно – ведь мы не можем измерить скорость, энергию и другие параметры каждой молекулы газа в отдельности. Тем не менее, поведение всей совокупности частиц подчиняется статистическим закономерностям. По сути любой видимый нами (невооруженным глазом) предмет может быть определен как термодинамическая система.
– реально или мысленно выделяемая макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц, не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц. Соответственно, для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, не относящиеся к каждой частице, но описывающие систему целиком. Это температура, давление, объем, масса системы и проч.
Важно отметить, что термодинамические системы могут быть замкнутыми и незамкнутыми . Замкнутая система – это такая система, которую при помощи реальной или воображаемой оболочки оградили от окружающей среды, при этом количество частиц в системе остается постоянным.
Система может находится в разных состояниях. Например, мы взяли баллон с газом и начали его нагревать. Тем самым мы изменили энергию молекул газа, они стали двигаться быстрее, и система перешла в какое-то новое состояние с более высокой температурой. Но что будет, если систему оставить в покое? Тогда система через какое-то время придет в состояние термодинамического равновесия .
Что это значит?
Термодинамическое равновесие – это состояние системы, в котором ее макроскопические параметры (температура, объем и др.) остаются неизменными с течением времени.
Термодинамика стоит на трех своих столпах. Существуют три основных постулата или три закона термодинамики. Они называются соответственно первым, вторым и третьим началами термодинамики. Рассмотрим первое начало или первый закон термодинамики.
Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики гласит:
В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.
К слову, у данного постулата есть еще несколько эквивалентных формулировок. Приведем их ниже:
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.
Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).
Запишем также математическое выражение первого начала термодинамики:
Здесь Q - количество теплоты, дельта U - изменение внутренней энергии, A - работа против внешних сил. Для различных термодинамических процессов в силу их особенностей запись первого начала будет выглядеть по-разному.
Почему невозможен вечный двигатель первого рода?
Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.
Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир . Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил. Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил). Иными словами, если работа совершается без внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия. Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма. Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии). Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем.
Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике , пока сами занимаетесь более приятными делами.
Первый закон термодинамики – изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенной к системе из вне и работе внешних сил действующих на нее:∆ U = Q + A .
Аналитические выражения :
Через внутреннюю энергию и работу: dq = du + pdV
Через энтальпию: dq=dh-Vdp
Второй закон термодинамики применительно к циклам. Энтропия.
- Теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратное состояние.
- Не вся теплота полученная от теплоотдачи, может перейти в работу, а только ее часть. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник.
Энтропия – это параметр состояния рабочего тела устанавливающий связь между количеством теплоты и температурой. S = Ms измеряется вДж/К.
Аналитически энтропия определяется следующим образом: dS =сигма q / T .
Круговые термодинамические процессы (прямые и обратные циклы). Цикл Карно. Термический КПД цикла.
Прямой цикл
Обратный цикл
Ɛ=
q
2/
l
ц=
q
2/(q
1-
q
2),
Ɛ-
холод. Коэф.
Работа совершаемая из вне.
Невозможная самопроизв. Подача тепла от холодного к горячему.
Цикл Карно - идеальный термодинамический цикл. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.
Работа
совершаемая самой системой.
Теплоемкость. Определение С p и Cv и связь между ними.
Теплоемкость – кол-во теплоты, которое необходимо сообщать телу, чтобы изменить его на 1 градус. физическая величина , определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ , полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT.
- При постоянном обьеме,равная
отношению кол-ва теплоты подведенной
к телу в процессе при постоянном обьеме,
к изменению температуры тела.
-
При постоянном давлении, равная отношению
кол-ва теплоты, сообщаемой телу в процессе
при постоянном давлении, к изменению
температуры телаdT.
Связь - Понятие теплоёмкости определено как для веществ в различных агрегатных состояниях (твёрдых тел, жидкостей, газов), так и для ансамблей частиц и квазичастиц (в физике металлов, например, говорят о теплоёмкости электронного газа).
Водяной пар как рабочее тело, p - v , T - s , h - s диаграммы.
Водяной пар является рабочим телом большинства тепловых механизмов. Газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере.
1-2
нагрев воды до кипения
2-3 парообразование
3-4 перегрев пара
1-2
нагрев
2-3 кипение(парообразование)
3-4 перегрев
ВНП- влажный насыщщеный пар
диаграмма
водяного пара для паровых процессов и
циклов теплоэнергетич установок.
Основные хар-ки водяного пара: насыщенный и перегретый пар, теплота парообразования.
Насы́щенный пар - это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава . Он имеет температуру зависящую от давления среды в которой происходит процесс кипения.
Перегре́тый пар - пар , нагретый до температуры, превышающей температуру кипения при данном давлении. Перегретый пар используется в циклах различных тепловых машин с целью повышения их КПД . Получение перегретого пара происходит в специальных устройствах - пароперегревателях .
Теплота парообразования вещества - количество теплоты, необходимое для перевода 1 моля вещества в состояние пара при температуре кипения. Измеряется в Джоулях.
Термодинамические процессы идеальных газов. Классификация, уравнение состояния, значение показателя “ n ” в обобщающем уравнении pv ^ n = const для основных процессов.
Основные процессы идеальных газов:
Изохорный (протекающий при постоянном обьеме)
Изобарный (при постоянном давлении)
Изометрический (при постоянном t)
Адиабатный (процесс, при котором отсутствует теплообмен с окружающей средой)
Политропный (удовлетвор. уравнение pv^n=const
Уравнение состояния: pv = RT или pv / T = P
pv ^ n = const ; показатель политропы может принимать любое значение от
Термодинамический анализ процессов в компрессорах.
Терм. анализом компрессора является определенная работа, затрачиваемая на сжатие рабочего тела при заданных начальных и конечных параметрах. Обычно в компрессорах осуществляется политропное сжатие с показателем политропы n=1,2.
Виды и количественные хар-ки переноса тепла. Понятие теплоотдачи и теплопередачи.
Теплопрово́дность - это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).
Конве́кция (от лат. convectiō - «перенесение») - явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н.естественная конвекция , которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. Вынужденная – Сама вызывает движение среды.
Тепловое излучение – передача тепла с помощью электро магнитных колебаний с различной длиной волны. Актуально при высоких температурах.
Колич. Хар-ки.
[Дж] – кол-во тепла
[Дж/с] – тепловой поток
[Вт/м^2] – плотность теплового потока
Теплоотдача – передача тепла от среды к стенке или от стенки к среде.
Теплопередача – суммарная передача тепла от одной среды к другой.
Уравнение теплопроводности для плоской стенки. Физический смысл коэффициента теплопроводности.
Температура
изменяется только в направлении по оси
х.
Q=λ/толщ.стенки * (tст1 – tст2) F * τ
λ – коэф.теплопроводности матер.стенки
tст1 – tст2 – разность t поверх. стенки
F – поверхность стенки
Тау – время.
Λ – коэф-т теплопроводности [Вт/м*К] – характеризует скорость передачи тепла.
Конвективный теплообмен: закон Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи и факторы, флияющие на его величину.
Конвективный теплообмен – обмен тепловой энергии между поверхностью твердого тела и окруж. ее средой.
Закон Нью́тона - Ри́хмана - эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.
Кол-во теплоты перед конвенцией рассчитывается по ур-ию теплоот. Ньютона-Рихмана Q=aF(tст – tж) а – коэф. теплоотдачи.
коэффициент теплоотдачи- плотность теплового потока при перепаде температур на 1K, измеряется в Вт/(м²·К).
Он зависит:
от вида теплоносителя и его температуры;
от температуры напора, вида конвекции и режима течения;
от состояния поверхности и направления обтекания;
от геометрии тела.
Виды критериальных уравнений конвективного теплообмена. Физический смысл критериев подобия Nu , Re , Gr , Pr .
Nu = αl/λ Nu = f(Re1 * Pr) - критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью(газом);
Ест: Nu = f(Gr1*Pr) → Nu = C(Gr*Pr)^n
Вын: Nu = C * Re^n * Pr^m * (Prж/ Pr ст) Re = w·l/v , w – м/с, v – кинет. Вязкость, м/с, l – хар-ка разницы - критерий Рейнольдса , характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа); Gr = gl 3 /ν 2 * β(tст – tж) ; β= 1/Т - критерий Грасгофа(естественная конвекция) , характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей; Pr = (М ·c p)/λ; М – динамика вязкости; Ср - теплоемкость - критерий Прандтля , характеризует физические свойства жидкости (газа);
l – определяющий размер (длина, высота, диаметр).