Термодинамические газовые процессы идеального газа

Тема 1.2 Термодинамические процессы изменения состояния газа. Второй закон термодинамики

Вопросы для самопроверки по теме 1.1.

1. Термодинамическая система, ее взаимодействие с окружающей средой; параметры состояния рабочего тела.

2. Основные законы идеальных газов. Следствие из закона Авогадро. Киломоль газа.

3. Термическое уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная, газовая постоянная данного газа.

4. Смеси идеальных газов, определение их состава и теплоемкости смеси.

5. Теплоемкость идеальных газов. Теплоемкости С_р и С_v, связь между ними и зависимость теплоемкости от температуры.

6. 1-й закон термодинамики: формулировки, аналитическое выражение применительно к термическим процессам.

7. Функции состояний рабочего тела: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, их изменение в процессах идеального газа.

8. Дифференциальные уравнения термодинамики: уравнения внутренней энергии, энтальпии и теплоты.

 

Термодинамические процессы изменения состояния рабочего тела. Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Изображение процессов в Р-v и Т-s координатах.

По теме не предусмотрены лабораторные работы и контрольные задания.

После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки.

Ответы на вопросы по этой теме можно также найти в электронном пособии [7] – разделы……

 

 

 

Все термодинамические величины можно подразделить на две группы функции состояния и функции процесса. Функцией состояния называется величина, значение которой однозначно определяется состоянием системы, т. е. значениями параметров состояния р, v, Т, и не зависит от характера протекающего термодинамического процесса. Следовательно, для определения изменения функции состояния необходимо знать лишь значения этой функции в начале и в конце процесса.

К наиболее распространенным функциям процесса относятся: u(T,p)- удельная внутренняя энергия, Дж/кг; - удельная энтальпия, Дж/кг; - удельная энтропия, определяется с точностью до произвольной аддитивной постоянной s₀, Дж/(кг Т).

Приращения этих функций процесса при изменении температуры можно представить с помощью выражений

∆u=c_v dT;

∆h=c_p dT;

.

Функции процесса определяются характером процесса изменения состояния термодинамической системы, таковыми являются величины работы δl и теплоты dq, участвующие в термодинамических процессах..

В теплотехнике весьма важным в теоретическом и практическом отношениях имеют процессы не общего произвольного характера, а специального назначения. К таким процессам относятся следующие:

1.Изохорный процесс, протекающий при постоянном объеме, V=const, согласно уравнению состояния pυ=RT, следует, что давление газа пропорционально его абсолютной температуре, т. е. .

2.Изобарный процесс, протекающий при постоянном давлении, p= const,

согласно уравнению состояния pυ=RT следует, что объем газа пропорционален его абсолютной температуре, т. е..

3. Изотермический процесс, протекающий при постоянной температуре, Т= const, согласно уравнения состояния pυ=RT следует, что давление и объем пропорциональны друг другу, т. е..

4. Адиабатный процесс, протекающий при отсутствии теплообмена газа с окружающей средой, (dq= const=0), и изменением давления по зависимости PV^к=const; согласно I-го закона термодинамики dq=du+dl=0, следует, что изменение внутренней энергии газа du и работа адиабатического процесса dl эквивалентны по величине и противоположны по знаку, т. е. dl=-du.

5. Политронный процесс, протекающий при наличии теплообмена с окружающей средой и с изменением давления по закону pVⁿ= const, согласно I-го закона термодинамики dq=du+dl, следует, что количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на изменение его внутренней энергии (du) и совершение работы (dl).

Термодинамические процессы удобнее изображать в виде соответствующих графиков на двухмерных фазовых диаграммах в координатах pυ-, Ts- и hs. Расчет термодинамического процесса при заданных начальных параметрах (p₁, V₁, T₁) сводится к определению конечных (p₂, V₂, T₂) параметров состояния рабочего тела (газа). А также вычислению участвующих в процессе : теплоты q_1-2, изменения внутренней энергии ∆u_1-2, ∆u_2-3; энтальпии ∆h_1-2; энтропии ∆S_1-2, совершаемой рабочим телом работы l_1-2. Этот расчет должен быть дополнен сведениями о физической природе рабочего тела c_p, c_v, R и другими.

Таким образом, рассматриваемый процесс однозначно характеризуется значениями следующих параметров состояния, функций состояния и функций процесса: р₁, v₁,T₁, р₂, v₂,T₂, ∆u, ∆h, ∆s, q_1-2, l_1-2.

 

I. Изохорный процесс. v=const, dv=0

 

 

Рис.

 

 

Согласно уравнению p×vⁿ=const, данному процессу соответствуют условия n=¥, . Из уравнения состояния идеального газа p×v=R_г×T (при условии v=const) следует

 

 

.

 

Перечень величин в изохорном процессе взаимосвязан следующими соотношениями:

 

 

p₁×T₂=p₂×T₁; (1.36)

 

l_1-2=0, v₁=v₂; (1.37)

 

q_1-2=u₂ -u₁; (1.38)

 

Δu=u₂ -u₁=c_v×(T₂ -T₁); (1.39)

 

Δh=h₂ -h₁=c_p×(T₂ -T₁); (1.40)

 

. (1.41)

 

II. Изобарный процесс. p=const, dp=0

 

 

Рис.

 

 

В соответствии с уравнением политропного процесса p×vⁿ=const, изобарный процесс характеризуется условиями n=0; . Из уравнения состояния p×v=R_г×T (при условии p=const) следует , .

Перечень величин в изобарном процессе удовлетворяет следующим соотношениям:

 

 

v₁×T₂= v₂×T₁; (1.42)

 

q_1-2=h₂ -h₁; (1.43)

 

l_1-2=p₁×(v₂ - v₁)=p₂×(v₂ -v₁); (1.44)

 

Δu=u₂ -u₁= c_v×(T₂ -T₁); (.145)

 

Δh=h₂ -h₁=c_p×(T₂ -T₁); (1.46)

 

. (1.47)

 

Изотермический процесс. Т=const, dТ=0

 

 

Рис.

 

В соответствии с уравнением политропного процесса T×v^n-1=const, изобарный процесс характеризуется условиями n=1; . Из уравнения состояния p×v=R_г×T (при условии T=const) следует p×v=R_г×T = const, pv=p₁ v₁ =p₂ v₂Þ p₁ v₁=p₂ v₂.

Перечень величин в изотермическом процессе взаимосвязан следующими соотношениями:

 

 

; p₁×v₁ =p₂×v₂; (1.48)

 

(1.49)

; (1.50)

 

q_1-2=l_1-2; (1.51)

 

Δu=u₂ -u₁=0; (1.52)

 

Δh=h₂ -h₁=0; (1.53)

 

; (1.54)