2020-01-15
367
Как известно, энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только переходит из одной формы в другую. В 1842 г. Р. Майер установил эквивалентность теплоты и механической работы, не зависящую от характера процесса превращения энергии:
, (48)
где А – постоянная величина, называемая тепловым эквивалентом работы.
А величина размерная и зависит от системы единиц, выбранных для измерения теплоты и работы. Если теплота и работа выражаются в одних единицах (джоулях), то эквивалент равен единице и тогда Q=L.
Так как подведенная к системе теплота приводит в общем случае к изменению внутренней энергии системы и совершению внешней работы, на основе закона сохранения энергии первый закон термодинамики для изолированных систем можно записать:
. (49)
Из полученного уравнения следует, что подведенная к изолированной системе теплота расходуется на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы или без подвода теплоты внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы.
|
|
|
Уравнение (49) показывает также, что подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом, т.е. внешняя работа зависит от характера процесса.
В изолированной системе запас энергии не изменяется, поэтому совершение работы возможно в течение некоторого времени только в неравновесном процессе (механическом, термическом, химическом, ядерном) за счет уменьшения внутренней энергии. Нельзя получать работу от тел, находящихся, например, в температурном равновесии, хотя эти тела обладают определенным запасом внутренней энергии.
Отсюда видна невозможность создания вечного двигателя первого рода, который производил бы работу без внешнего источника энергии и вечного двигателя второго рода, совершающего работу с рабочим телом, находящимся в тепловом равновесии.
В открытых системах подвод теплоты может привести не только к изменению параметров состояния самого рабочего тела (в частности полной внутренней энергии рабочего тела), но и к изменению кинетической 
и потенциальной 
энергий внешней среды (поскольку открытые системы, как отмечено ранее, обмениваются с окружающей средой не только веществом, но и энергией):
(50)
где 
– скорость движения рабочего тела, м/с;
– ускорение свободного падения, м/с2;
– изменение уровня центра инерции рабочего тела, м.
Особенно четко это проявляется при движении рабочего тела, например, по движущимся каналам между лопатками турбин. Внешняя работа в этом случае расходуется на работу вытеснения рабочего тела по каналу и на техническую работу перемещения самого канала в пространстве под действием сил, нормальных к стенкам канала. Таким образом при видимом движении рабочего тела в открытых системах:
|
|
|
. (51)
С учетом изложенного первый закон термодинамики для открытых систем можно выразить следующим уравнением:
. (52)
Таким образом, согласно выражению (52) подведенная к открытой системе теплота расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела, кинетической и потенциальной энергий внешней среды и на совершение истинной и технической работы.
ЭНТАЛЬПИЯ
В XIX веке известный физик Гиббс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию, которая была названа энтальпией.
Если в уравнении (49) первого закона термодинамики для изолированных систем:
(49*)
заменить величину 
через 
, то получим другую форму записи уравнения первого закона:
. (53)
Выражение 
является параметром состояния. В технической термодинамике этот параметр называют энтальпией и обозначают i, 
.
Таким образом:
, (54)
и, следовательно, основное уравнение первого закона, выраженное через энтальпию, примет вид:
. (55)
Для идеальных газов
. (56)
Следовательно,
, (57)
где 
– средняя массовая теплоемкость при постоянном давлении в пределах от 0 до абсолютной температуры, 
.
В теплотехнических расчетах обычно требуется знать изменение энтальпии, а не ее абсолютное значение, поэтому начало отсчета (0 º С или 0 К) для конечного результата (Δ i) не имеет значения.
Интегрируя уравнение (55) при 
получим:
. (58)
Таким образом, количество тепла в изобарном процессе численно можно определить как разность энтальпии начального и конечного состояния.
Физический смысл энтальпии. Изменение энтальпии в любом процессе определяется только начальным и конечным состояниями тела и не зависит от характера процесса. Энтальпию можно трактовать как энергию расширения системы.
ЭНТРОПИЯ
Энтропия (от греческого - поворот, превращение) – понятие впервые введенное в термодинамике немецким физиком Клаузиусом в 1865 г. для определения меры необратимого рассеяния энергии.
Работа, определяемая интегралом
, (59)
совершается рабочим телом в ТДС только тогда, когда изменяется объем. Давление при этом может оставаться постоянным или функционально зависеть от объема. Однако, если Р=0, то и L=0 при любом изменении объема. Работа является одним из видов обмена энергией термодинамической системы с окружающей средой.
Обмен энергией может происходить в виде передачи того или иного количества теплоты q. Значение q как и l, можно подсчитать в виде интеграла, совпадающего по форме с интегралом (59).
Параметр, который изменяется только от количества переданной теплоты и есть энтропия. Энтропия не может быть измерена каким-либо образом, как, например, объем, и определяется только расчетным путем:
(60)
При 
теплота подводится, а при 
отводится.
Для подсчета Q или q через энтропию необходима функциональная зависимость T=f(S) (см. рисунок 4) так же, как при определении количества работы нужна зависимость P=f(V).
|
|
|
Рисунок 4 – Зависимость энтропии от температуры
В технической термодинамике для расчетов используются не только
PV- координаты (при определении количества работы), характеризующие совершаемую работу, но и TS -координаты (при определении количества теплоты), характеризующие теплообмен с окружающей средой.
