Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики – частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Его смысл сводится к следующему: если затрачивается некоторое количество тепловой энергии, то возникает эквивалентное количество механической энергии, за счет которой совершается определенная работа и наоборот, при затратах некоторого количества механической энергии, за счет которой совершается определенная работа, выделяется эквивалентное количество теплоты.

При определении количества теплоты, участвующей в теплотехническом процессе пользуются понятием теплоемкости. Теплоемкость – это то количество теплоты, которое необходимо затратить для нагрева количественной единицы вещества (1 кг, 1 м³, 1 кмоль) на один градус. В зависимости от выбранной количественной единицы вещества различают массовую. С (кДж/(кг·к)) объемную (кДж/(м³·к)) и киломольную µС(кДж/(кмоль·к)) теплоемкости. Между ними имеют место следующие соотношения:

; (10)

Кроме того, в теплотехнике пользуются понятиями средней и истиной теплоемкости. Если для нагревания количественной единицы вещества от температуры температуры t2 затрачивается количество теплоты q, то величина

*) Идеальный газ – такой газ, между молекулами которого отсутствуют силы межмолекулярного сцепления, а сами молекулы представляют собой материальные точки, не имеющие объема. Действительные газы, с достаточной степенью точности, могут рассматриваться как идеальные.

(11)

будет представлять собой среднюю теплоемкость вещества в интервале температур от t1 до t2. Чем меньше интервал температур t2—t1, тем ближе значения теплоемкости к ее истиной величине. Таким образом, для истиной теплоемкости справедлива зависимость:

. (12)

Из уравнения (11) следует, что количество теплоты, сообщенное 1 кг вещества определяется как

, (13)

а количество теплоты, сообщенное G кг вещества - как

. (14)

Следует отметить, что количество теплоты затрачиваемой на нагрев газообразного вещества (или отводимой от него при охлаждении), а, следовательно, и значение теплоемкости этого вещества зависит от условий, при которых осуществляется подвод (или отвод) теплоты.

Специальные эксперименты показывают, что значение теплоемкости газообразного вещества, полученное в процессе нагревания (или охлаждения) при V=const (так называемая изохорная теплоемкость ) всегда меньше значения теплоемкости этого вещества, полученного в процессе нагревания (охлаждения) при Р = const (так называемой изобарной теплоемкости С_p). Связь между этими теплоемкостями устанавливается уравнением Майера:

С_p - = R. (15)

Теплоемкости смеси газов могут быть определены по формулам:

. . (16)

где С_i и – соответственно, массовая и объемная теплоемкости i – го газа; q_i и r_i соответственно, массовая и объемная доли i – го газа.

Газ, как и всякое вещество, обладает определенной внутренней энергией (и), которая в первую очередь обусловливается величиной внутренней кинетической энергии, зависящей от скорости движения частиц газа и, следовательно, от его температуры. С учетом этого, при изменении температуры, изменение внутренней энергии определяется по уравнению:

. (17)

При осуществлении всех термодинамических процессов (за исключением процессов, происходящих при V = const) при передаче газу теплоты изменяется не только его внутренняя энергия, но и совершается работа при расширении газа, величина которой определяется по уравнениям:

- для 1 кг газа ; (18)

- для G кг газа . (19)

Таким образом, если к газу подводится (или от газа отводится) теплота, то в общем случае часть ее расходуется на изменение внутренней энергии газа, а часть – на совершение работы. В этом случае математическое выражение первого закона термодинамики приобретает вид:

- для 1кг газа ; (20)

- для G кг газа . (21)

При описании различных термодинамических процессов, кроме рассмотренных уже параметров состояния (температуры, давления, удельного объема или плотности) пользуются дополнительными параметрами состояния – энтальпией и энтропией.

Энтальпия i(кДж/кг; кДж/м³) – количество теплоты, затрачиваемой на нагревание количественной единицы вещества (1кг или 1м³) от абсолютного нуля (или от 0⁰С) до температуры Т(К) (или t, ⁰С) при постоянном давлении

i = Ср·t. (22)

Энтропия S(кДж/(кг·к)) – величина, изменение которой в любом термодинамическом процессе равно отношению теплоты , затраченной на осуществление этого процесса к абсолютной температуре рабочего тела:

. (23)

Дата добавления: 2015-07-18