Основные параметры состояния термодинамической системы уравнение состояния

Вопрос 2. Параметры состояния и уравнения состояния.

Вопрос 2. Параметры состояния и уравнения состояния.

Параметры состояния — физические величины, характеризующие внутреннее состояние термодинамической системы. Параметры состояния термодинамической системы подразделяются на два класса: интенсивные (не зависят от массы системы) и экстенсивные (пропорциональны массе).

Термодинамическими параметрами состояния называются интенсивные параметры, характеризующие состояние системы. Простейшие параметры:

1. — абсолютное давление — численно равно силе F, действующей на единицу площади f поверхности тела ┴ к последней, [Па=Н/м 2 ]

2. — удельный объём-это объем единицы массы вещества.

3. Температураесть единственная функция состояния термодинамической системы, определяющая направление самопроизвольного теплообмена между телами.
4. Плотностьювещества принято называть отношение массы тела к его объему

Связь между параметрами, характеризующими состояние простого тела, называется уравнением состояния F (р, v, T) = 0.

Изменение состояния системы называется процессом.

Равновесный процесс — это непрерывная последовательность равновесных состояний системы.

Обратимый процесс — равновесный процесс, который допускает возможность возврата этой системы из конечного состояния в исходное путем обратного процесса.

Термодинамическим процессомпринято считать обратимый равновесный процесс.

Равновесные процессы могутбыть изображены графически на диаграммах состояния p-v, р-Т и т. д. Линия, изображающая изменение параметров в процессе, называется кривой процесса. Каждая точка кривой процесса характеризует равновесное состояние системы.
Уравнение термодинамического процесса – уравнение вида .

Уравнение состояния для простого тела — .
Идеальный газ – совокупность материальных точек (молекул или атомов), находящихся в хаотическом движении. Эти точки рассматриваются как абсолютно упругие тела, не имеющие объёма и не взаимодействующие друг с другом. Уравнением состояния идеального газа является уравнение Менделеева-Клапейрона:
PV=nRT, где P – давление, [Па]; V – объём системы [м 3 ]; n – количество вещества, [моль]; T – термодинамическая температура, [К]; R – универсальная газовая постоянная.
Реальный газ – газ, молекулы которого взаимодействуют друг с другом и занимают определённый объём. Уравнением состояния реального газа является обобщённое уравнение Менделеева-Клапейрона:
, где Z_r = Z_r(p,T) – коэффициент сжимаемости газа; m – масса; M – молярная масса.
_____________________________________________________________

Вопрос 3. Термодинамическая работа, координаты P-V.

Термодинамическая работа: , где — обобщённая сила, — координата.
Удельная работа: , , где — масса.

— Если и , то идёт процесс расширения работа положительная.
— Если и , то идёт процесс сжатия работа отрицательная.
— При малом изменении объёма давление практически не изменяется.

Полная термодинамическая работа: .

1. В случае если , то .

2. В случае если дано уравнение процесса — , то работа распределяется на две части: , где — эффективная работа, — необратимые потери, при этом — теплота внутреннего теплообмена, то есть необратимые потери превращаются в теплоту.

Вопрос 4. Потенциальная работа, координаты P-V, распределение работы.

Потенциальная работа – работа, вызываемая изменением дав­ления.

— Если и , то идёт процесс расширения.
— Если и , то идёт процесс сжатия.
— При малом изменении давления объём почти не меняется.

Полную потенциальную работу можно найти по формуле: .

1. В случае если , то .

2. В случае если дано уравнение процесса — , то .

, где — ра­бота,
переданная внешним системам.

, с_E-скорость движения тела, dz-изменение высоты центра тяжести тела в поле тяготения.
________________________________________________________

Вопрос 16. Изобарный процесс изменения состояния простого тела. Уравнение процесса, изображение в координатах P-V, связь между параметрами, работа и теплообмен, изменение функций состояния.

Если , то идёт процесс расширения.

Так как , то .

Для идеального газа:

Первое начало термодинамики: .

Для идеального газа: и

.

Вопрос 63. Дросселирование. Эффект Джоуля-Томсона. Основные понятия

Дросселирование – процесс движения вещества через внезапное сужение. Причинами возникновения местных сопротивлений при движении потока рабочего тела по каналам могут быть запорные, регулирующие и измерительные устройства; повороты, сужение, загрязнение каналов и т.д.
Эффект Джоуля-Томсона — изменение температуры вещества при адиабатном дросселировании.

Рис. 1.7. Процесс дросселирования в h-s диаграмме

Различают дифференциальный и интегральный дроссель – эффекты. Величина дифференциального дроссель – эффекта определяется из соотношения

, где – коэффициент Джоуля – Томсона, [К/Па].

Интегральный дроссель-эффект: .
Коэффициент Джоуля – Томсона выводится из математических выражений первого начала термодинамики и второго начала термостатики

1. Если дроссель–эффект положительный (D_h > 0), то снижается температура рабочего тела (dT 0);

3. Если дроссель–эффект равен нулю (D_h = 0), то температура рабочего тела не изменяется. Состояние газа или жидкости, которому соответствует условие D_h = 0, называется точкой инверсий.
___________________________________________________________________

Двухтактный дизель

Рабочий процесс в двухтактном дизеле в основном протекает так же как и в двухтактном карбюраторном двигателе, и отличается только тем что продувка цилиндра производится чистым воздухом. По окончании ее оставшийся в цилиндре воздух сжимается. В конце сжатия через форсунку впрыскивается топливо в камеру сгорания и воспламеняется.Схема двухтактного дизеля с кривошипно-камерной продувкой показана на рисунке 14, а, а индикаторная диаграмма — на рисунке 14, 6.
Рабочий процесс в двухтактном дизеле протекает следующим образом.
Первый такт. При движении поршня вверх от н. м. т. к в. м. т. вначале происходит окончание продувки, а затем окончание выпуска. На индикаторной диаграмме продувка изображена линией b»— a» а выпуск — а» — а.
После закрытия выпускного окна поршнем в цилиндре происходит сжатие воздуха. Линия сжатия на индикаторной диаграмме изображена кривой а—с. В это время под поршнем в кривошипной камере создается разрежение, под действием которого автоматический клапан открывается, и в кривошипную камеру засасывается чистый воздух. В начале движения поршня вниз, вследствие уменьшения объема под поршнем, давление воздуха в кривошипной камере повышается, и клапан закрывается.
Второй такт. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. Впрыск и горение топлива начинаются перед концом сжатия и заканчиваются после того, как поршень пройдет в. м. т. По окончании горения происходит расширение. Протекание процесса расширения на индикаторной диаграмме изображено кривой r-b.
Остальные процессы, выпуск и продувка протекают так же, как и в карбюраторном двухтактном двигателе.

Вопрос 2. Параметры состояния и уравнения состояния.

Параметры состояния — физические величины, характеризующие внутреннее состояние термодинамической системы. Параметры состояния термодинамической системы подразделяются на два класса: интенсивные (не зависят от массы системы) и экстенсивные (пропорциональны массе).

Термодинамическими параметрами состояния называются интенсивные параметры, характеризующие состояние системы. Простейшие параметры:

1. — абсолютное давление — численно равно силе F, действующей на единицу площади f поверхности тела ┴ к последней, [Па=Н/м 2 ]

2. — удельный объём-это объем единицы массы вещества.

3. Температураесть единственная функция состояния термодинамической системы, определяющая направление самопроизвольного теплообмена между телами.
4. Плотностьювещества принято называть отношение массы тела к его объему

Связь между параметрами, характеризующими состояние простого тела, называется уравнением состояния F (р, v, T) = 0.

Изменение состояния системы называется процессом.

Равновесный процесс — это непрерывная последовательность равновесных состояний системы.

Обратимый процесс — равновесный процесс, который допускает возможность возврата этой системы из конечного состояния в исходное путем обратного процесса.

Термодинамическим процессомпринято считать обратимый равновесный процесс.

Равновесные процессы могутбыть изображены графически на диаграммах состояния p-v, р-Т и т. д. Линия, изображающая изменение параметров в процессе, называется кривой процесса. Каждая точка кривой процесса характеризует равновесное состояние системы.
Уравнение термодинамического процесса – уравнение вида .

Уравнение состояния для простого тела — .
Идеальный газ – совокупность материальных точек (молекул или атомов), находящихся в хаотическом движении. Эти точки рассматриваются как абсолютно упругие тела, не имеющие объёма и не взаимодействующие друг с другом. Уравнением состояния идеального газа является уравнение Менделеева-Клапейрона:
PV=nRT, где P – давление, [Па]; V – объём системы [м 3 ]; n – количество вещества, [моль]; T – термодинамическая температура, [К]; R – универсальная газовая постоянная.
Реальный газ – газ, молекулы которого взаимодействуют друг с другом и занимают определённый объём. Уравнением состояния реального газа является обобщённое уравнение Менделеева-Клапейрона:
, где Z_r = Z_r(p,T) – коэффициент сжимаемости газа; m – масса; M – молярная масса.
_____________________________________________________________

Термодинамические параметры состояния системы

Вы будете перенаправлены на Автор24

Термодинамической системой называют совокупность макрообъектов (тел, полей), которые обмениваются энергией друг с другом и внешними (по отношению к системе) объектами. Такую систему называют замкнутой (изолированной), если у нее нет ни какого обмена энергией с внешними телами. Если нет обмена только теплотой, то система адиабатический изолирована. Систему называют закрытой, если нет массообмена у нее с внешней средой.

Величины, которые характеризуют состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами. Два состояния системы считают разными, если у этих состояний отличается хотя бы один из параметров. Состояние системы называют стационарным, если параметры системы не изменяются во времени. Стационарное состояние системы равновесно, если система находится в стационарном состоянии не благодаря какому-либо внешнему процессу.

Термодинамические параметры имеют связи между собой. Поэтому для однозначного определения состояния термодинамической системы достаточно ограниченного числа термодинамических параметров. Основными параметрами состояния термодинамической системы являются: давление, температура, удельный объем ($V_u$) (или молярный$<(\ V>_<\mu >)$).

Давлением $(p)\ $называют физическую величину, равную:

где $F_n$ — проекция силы на нормаль к участку тела $\triangle S$, $\triangle S\ $- площадь тела. Единица измерения давления в системе СИ паскаль — $\frac<м^2>$=Па.

Удельным объемом $V_u$ называют величину, обратную плотности $\rho :\ $

Готовые работы на аналогичную тему

Для однородного тела удельный объем:

где m — масса тела.

Молярный объем $V_<\mu >$ равен:

Температурой (t, или T) называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Различают несколько видов температуры (в зависимости от используемой шкалы измерения). В состоянии термодинамического равновесия все тела системы (все части системы) имеют равные температуры.

В соответствии с правилом Гиббса состояние однородной (в физическом смысле) термодинамической системы полностью определяется двумя параметрами. Уравнение, которое связывает параметры термодинамической системы, называют уравнением состояния. Так, например, можно записать уравнение для внутренней энергии (в общем виде):

\[U=f\left(x_1,\ x_2,\dots ,\ x_n,\ T\right)\left(5\right),\]

такое уравнение состояния называют калористическим. В этом уравнении $<(x>_1,\ x_2,\dots ,\ x_n)-\ $внешние параметры системы, В термодинамике уравнения состояния принимаются известными и не выводятся.

Макроскопические термодинамические параметры, описывающие систему целиком, имеют смысл средних значений (за большой промежуток времени) каких-то функций, характеризующих динамическое состояние системы.

Кроме параметров термодинамические системы описывают с помощью функций состояния (иногда об этих физических величинах говорят как о параметрах состояния термодинамической системы).

Важнейшими функциями состояния в термодинамике являются: внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S).

Внутренняя энергия — функция состояния системы, определена, как:

где $W$- полная энергия системы, $E_k$- кинетическая энергия макроскопического движения системы, $E^_p$- потенциальная энергия системы, которая является результатом, действия на систему внешних сил.

Внутренняя энергия идеального газа часто выражается следующим образом:

где i — число степеней свободы молекулы, $\nu $ — количество молей вещества, R — газовая постоянная.

Энтальпия (теплосодержание) — функция состояния системы, определяется как:

Энтальпия идеального газа зависит только от T и пропорциональна m:

где $C_p$ — теплоемкость газа при изобарном процессе, $H_0=U_0$ — энтальпия при $T=0K$.

Энтропия — функция состояния системы. Дифференциал энтропии в обратимом процессе:

Термодинамические параметры можно разделить на экстенсивные, зависящие от массы системы (например, U, S, H) и интенсивные, соответственно, от массы не зависящие (например, T, $\rho \ $).

Задание: Найти изменение внутренней энергии идеального газа в процессе при постоянном давлении (p), если объем газа изменяется от$V_1\ до\ $ $V_2.$ Газ двухатомный (колебательные степени свободы не учитывать).

Бесконечно малое приращение внутренней энергии идеального газа задано формулой:

Из уравнения Менделеева-Клайперона выразим температуру (T), помним, что давление постоянно:

Подставим (1.2) в (1.1), получим:

Найдем изменение внутренней энергии газа:

где i =5 по условию задачи, так как газ двухатомный.

Ответ: Изменение внутренней энергии газа в заданном процессе: $\triangle U=\frac<2>p\left(V_2-V_1\right).$

Задание: Азот массы 1 кг нагрели на 100 К при постоянном объеме. Найти количество теплоты, полученное газом в заданном процессе. Работу газа, изменение внутренней энергии.

Сразу дадим ответ относительно работы газа. Так как процесс изохорный (изменения объема нет), то работа газа равна нулю.

Изменение внутренней энергии газа можно записать как:

\[\triangle U=\frac<2>\nu R\triangle T\left(2.1\right),\]

молярная масса азота находится с помощью таблицы Менделеева, она равна:

Все данные в задаче в системе СИ, молекула азота состоит из двух атомов, число степеней свободы равно 5, поэтому проведем расчет:

\[\triangle U=\frac<2>\frac<\mu >R\triangle T=\frac<5><2>\cdot \frac<1><28\cdot <10>^<-3>>\cdot 8,31\cdot 100=7,42\cdot <10>^4\left(Дж\right).\]

По первому началу термодинамики для изохорного процесса получаем:

\[\triangle Q=\triangle U\left(2.3\right).\]

Можем записать ответ.

Ответ: Изменение внутренней энергии в изохорном процессе при заданных условиях равно $7,42\cdot <10>^4$Дж, работа газа равна нулю, количество теплоты подводимое к газ равно $7,42\cdot <10>^4$Дж.

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 26 11 2021

ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Каждое равновесное состояние термодинамической системы характеризуется определенными физическими величинами — равновесными параметрами состояния. Внутренние параметры характеризуют внутреннее состояние системы. К ним относятся давление, температура, объем и др. Внешние параметры характеризуют положение системы (координаты) во внешних силовых полях и ее скорость.

В термодинамике существует также деление параметров на термические (давление, температура, объем) и калорические (удельная энергия, удельная теплоемкость, удельные скрытые теплоты фазовых переходов).

Для характеристики конкретных условий, в которых находится данная система, или процесса, идущего в системе, необходимо прежде всего знать такие внутренние параметры состояния, как удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура.

Удельный объем (v, м 3 /кг) — это объем единицы массы или величина, оп­ределяемая отношением объема к его массе другими словами Удельный объем v есть объем единицы веса, т. е. объем в кубических метрах, занимаемый одним кило­граммом газа.

[2]

где V — объем произвольного количества вещества, м 3 ; m — масса этого веще­ства, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью (ρ, кг/м 3 );

Плотность это масса вещества, содержащаяся в единице объема или другими словами, масса единицы объема жидкости называется плотностью

; [3]

Удельный вес— вес единицы объема жидкости называется удельным весом (кгс, кгс/м 3 , Н/м 3 )

Масса и вес связаны между собой отношением

или G = mg где g – ускорение свободного падения м/с 2

с учетом [3] получим соотношение между удельным весом и плотностью

Давление — величина, определяемая отношением силы (нормальной со­ставляющей силы), действующей на поверхность, к площади этой поверхно­сти (р, Па = Н/м 2 )

Р = ; [4]

где F_н — нормальная составляющая силы, [Н]; S — площадь поверхности, нор­мальной к действующей силе [м 2 ]

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа рассматривается как результат ударов молекул о стенки сосуда и определяется соотношением [5]

где n — число молекул в единице объема; m — масса молекулы; с 2 — средняя квадратичная скорость поступа­тельного движения молекул.

Согласно Международной системе единиц (СИ) удельное давление заме­ряют в Ньютонах на один квадратный метр (Н/м 2 ). Эта единица измерения давления называется Паскалем (Па). Один мегапаскаль равен 10 6 Па (1 МПа = 10 6 Па).

До настоящего времени в технике используется также старая единица измерения удельного давления — техническая атмосфера (ат), представляю­щая собой силу в 1 кгс, действующую на 1 см 2 площади. 1 ат = 1 кгс/см 2 = 10 4 кгс/м 2 = 9,8 . 10 4 Н/м 2 =9,8 . 10 4 Па = 0,981 бар; 1 бар = 1,01972 кгс/см 2 = 10 5 Па. 1кПа = 10 3 Па.

Различают давления атмосферное, избыточное и разрежение (вакуум). Атмосферным называется давление атмосферного воздуха на уровне моря. За величину атмосферного давления принимается давление столба ртути высотой 760 мм (одна физическая атмосфера — обозначается атм.). Таким обра­зом, 1атм = 760 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.). 1 мм рт.ст. = 133 Па, 1 атм = 10 5 Па

Давление больше атмосферного, называется избыточным, а меньше атмосферного — разрежением. Для измерения давления применяют маномет­ры, атмосферного давления — барометры, разрежения — вакуумметры.

Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления или абсо­лютного вакуума.

Для измерения давления в технике применяют приборы, измеряющие не абсолютное (полное) давление (Р_абс), а разность между абсолютным и атмосфер­ным (барометрическим) давлением Р_атм.

Приборы, применяемые для измерения давлений, больших атмосферного, называются манометрами. Они показы­вают избыток давления измеряемой среды над атмосферным (манометрическое давление). Для измерения давлений меньших атмосфер­ного, применяют вакуумметры, которые показывают, насколько абсолютное давление окружающей среды меньше атмосферного. Эту недостачу давления до атмосферного называют вакуумом.

При замере давлений жидкостными приборами вследствие расширения жидкости при нагревании ее объем увеличивается и, следовательно, увели­чивается столб жидкости, что приводит к неправильным показаниям прибо­ров. При таких замерах необходимо высоту столба жидкости приводить к 0 °С. Это приведение производится по формуле

где h₀— показания барометра (манометра), приведенные к 0 °С; h— высота столба жидкости, наблюдаемая при t °С; α — объемный коэффициент расши­рения жидкости (для ртути α — 0,000172).

В технике применяется достаточно большое число единиц измерения дав­ления. Соотношения между ними приведены в таблице [5].

Температура.Температура любого тела — величина, характеризу­ющая степень нагретости тела, и представляет собой меру интенсивно­сти «теплового движения» молекул. Таким образом, температура представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул, т. е. температура характери­зует среднюю интенсивность движения молекул, и чем больше сред­няя скорость движения молекул, тем выше температура тела. Понятие температуры не может быть применено к одной или нескольким моле­кулам. Если два тела с различными средними кинетическими энергия­ми движения молекул привести в соприкосновение, то тело с большей средней кинетической энергией молекул (с большей температурой) будет отдавать энергию телу с меньшей средней кинетической энергией молекул (с меньшей температурой), и этот процесс будет протекать до тех пор пока температуры средних кинетических энергии молекул обоих тел не сравняются, т.е. не выровняются температуры обоих тел. Такое со­стояние двух тел называется тепловым равновесием

Другими словами если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмени­ться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано величиной средней кинетической энергии молекул вещества:

[8]

где k — постоянная Больцмана, равная 1,3800662-10 -23 Дж/К. Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.

В РФ для измерения температур принята стоградусная шкала и абсолютная термодинамическая шкала Кельвина. В стоградусной шкале при Р_баром.= 760 мм. рт. ст., что в системе СИ равно 101 325 н/м 2 , за 0° принимается температура таяния льда, а за 100° тем­пература кипения воды. Градус этой шкалы обозначается через °С. Тер­мометры стоградусной шкалы имеют неравномерные деления, чем учи­тываются некоторые изменения в зависимости коэффициента расшире­ния жидкости от нагревания.

В отличие от стоградусной шкалы, применявшаяся ранее шкала Цельсия имела те же постоянные точки, соответствующие таянию льда при 0° и кипению воды при 100°, но равномерные деления.

В абсолютной термодинамической шкале Кельвина за нуль принято состояние тела, при котором тепловое движение молекул теоретически отсутствует. Из физики известно, что такое состояние наступает при температуре на 273° С (273,16°) ниже 0° С. Абсолютная температура всегда величина положительна.

Величина градуса по шкале Кельвина принимается равной градусу по стоградусной шкале: 1° К= 1°С; следовательно, ΔT = Δ t.

Соотношение между температурой, измеренной по абсолютной и сто­градусной шкале:

0°К = —273° C; 0°С = + 273°К; Т° К = t° С + 273°; Т = —20 0 С = 253 0 К

Параметром состояния газа является абсолютная температура Т° К.

Абсолютная температура — величина всегда положительная. При темпера­туре абсолютного нуля (Т = 0 0 К = — 273,15° С) прекращается тепловое движение молекул.