Теплоемкость газа
Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики является основой термодинамической теории и имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов. Этот закон является законом сохранения и превращения энергии:
¦"Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит ¦из одного вида в другой в различных физических процессах".
Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии термодинамическим системы:
"Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение энергии системы и совершение работы".
Уравнение первого закона термодинамики имеет следующий вид:
Q = (U2 – U1) + L , (1.8)
где Q - количества теплоты подведенная (отведенная) к системе; L - работа, совершенная системой (над системой);(U2 – U1) - изменение внутренней энергии в данном процессе.
Если:
Q > 0 – теплота подводится к системе;
Q < 0 – теплота отводится от системы;
L > 0 –работа совершается системой;
L < 0 – работа совершается над системой.
Для единицы массы вещества уравнение первого закона термодинамики имеет вид:
q = Q /m = (u2 – u1) + l . (1.9)
В дальнейшем все формулы и уравнения будут даны в основном для единицы массы вещества.
1-й закон термодинамическим указывает, что для получения полезной работы (L) в непрерывно действующем тепловом двигателе надо подводить (затрачивать) теплоту (Q).
Двигатель, постоянно прозводящий работу и не потребляющий никакой энергии называется вечным двигателем I рода."
Из этого можно высказать следующее определение 1-го закона термодинамики:
" Вечный двигатель первого рода невозможен".
Истинная теплоемкость рабочего тела определяется отношением количества подведенной (отведенной) к единице количества (кг, моль или м3) рабочего тела теплоты в данном термодинамическим процессе к вызванному этим изменениям температуры тела.
С = dQ / dT , [Дж /К] ; (1.10)
Теплоемкость зависит от внешних условий или характера процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты.
По единице количества (кг, моль или м3) рабочего тела различают теплоемкости массовую с, молярную сμ и объемную:
с=С/m, [Дж/кг]; сμ=С/ν, [Дж/моль] и с/=С/Vо=с·ρо, [Дж/м3], (1.11)
где – ρо= m/Vо - плотность вещества, кг/нм3; где ν - количество молей вещества; Vо – объем вещества при нормальных условиях (температура 0ºС и давление 760 мм.рт.ст.)
Связь между этими теплоемкостями:
с = с/v=сμ/μ , (1.12)
где - v = V/m - удельный объем вещества, [м3/кг]; μ = m /ν – молярная (молекулярная) масса, [кг/моль].
Теплоемкость газов в большой степени зависит от тех условий, при которых происходит процесс их нагревания или охлаждения. Различают теплоемкости при постоянном давлении (изобарный) и при постоянном объеме (изохорный).
Таким образом, различают следующие удельные теплоемкости:
ср , сv – массовые изобарные и изохорные теплоемкости;
сpμ , сvμ – молярные изобарные и изохорные теплоемкости;
с/p , с/v – объемные изобарные и изохорные теплоемкости.
Изобарные и изохорные теплоемкости связаны уравнением Майера:
ср - сv = R или сpμ - сvμ = Rμ . (1.13)
Теплоемкость зависит от температуры, которые даются в справочных литературах в виде таблицы как средние теплоемкости в интервале температур от 0 до tх. Для определения средней теплоемкости в интервале температур от t1 до t2 можно использовать следующую формулу:
с|t2t1 = (с|t20 t2 - с|t10 t1) / (t2 - t1). (1.14)