Термодинамика (№№ 231-250)

Пример 1. Кислород массой m = 2 кг занимает объем V ₁ = 1 м³и находится под давлением P ₁ = 0,2 МПа. После нагревания при постоянном давлении он занял объем V ₂ = 3 м³, а затем его давление в ходе изохорического процесса стало равным P ₃ = 0,5 МПа. Найти изменение внутренней энергии газа D U, совершенную им работу A и количество теплоты Q, переданной газу. Построить график процесса.

Решение. График процесса приведен на рис. 6.

Работа расширения газа A ₁₂при изобарическом переходе из состояния 1 в состояние 2 вычисляется по формуле

Работа газа A ₂₃при изо-хорическом переходе из сос-тояния 2 в состояние 3 равна нулю.

Таким образом, полная работа A, совершаемая газом при переходе из состояния 1 в состояние 3, равна

Изменение внутренней энергии газа при переходе 1®2®3 определяется соотношением

(1)

где i - число степеней свободы газа;

T ₁ и T ₃ - температура газа соответственно в начальном и конечном состояниях.

Уравнения Менделеева - Клапейрона для состояний 1 и 3 запишутся в виде

(2)

(3)

После совместного решения уравнений (1)-(3) получим выражение для изменения внутренней энергии газа:

Согласно первому началу термодинамики, теплота Q, переданная газу, расходуется на совершение газом работы и на изменение его внутренней энергии:

Q = A + D¹ U.

Произведем вычисления, учитывая, что для двухатомных молекул кислорода кг/моль, а число степеней свободы i = 5:

A = A ₁₂ = 0,2 × 10⁶ × (3 - 1) = 0,4 × 10⁶ Дж = 0,4 МДж;

× МДж;

Q = (3,25 + 0,4) = 3,65 МДж.

Пример 2. Тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, получает тепло от нагревателя при температуре 227 °С в количечтве Q₁=5 кДж за цикл и передает часть его окружающему воздуху. При этом двигатель совершает за цикл работу, равную 2 кДж.

С каким к.п.д. работает двигатель? Какова температура окружающего воздуха и как изменяется его энтропия за счет работы двигателя в течении одного цикла?

Р е ш е н и е. Коэффициент полезного действия двигателя, работающего по циклу Карно, равен

(1)