Работа термодинамической системы

Если бесконечно малое расширение системы за счет подвода к ней теплоты, происходит во внешней среде, находящейся повсюду под одним и тем же давлением Р, то увеличение объема системы V на бесконечно малую величину dV сопровождается работой:

, (*)

которую совершает система над окружающей средой и называемой работой изменения объема (механическая работа).

При изменении объема тела от значения объема до значения работа, совершаемая системой, будет равняться:

Из формулы (*) следует, что и всегда имеют одинаковые знаки:

- если , то и , т.е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;

- если же , то и , т. е. при сжатии работа тела отрицательна: это означает, что не тело совершает работу, а на его сжатие затрачивается работа извне.

Теперь, рассмотрим работу, которая производится системой над каким- либо внешним объектом. Пусть рассматриваемое тело представляет собой газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Поршень сверху нагружен грузом.

В результате подвода теплоты к газу произошло его расширение от объема до объема . При этом поршень с грузом переместился с высоты на высоту .

В результате расширения телом совершена работа:

а потенциальная энергия груза увеличилась на величину:

Разность между работой расширения и приращением потенциальной энергии представляет собой полезную внешнюю работу (располагаемую или техническую работу) которая произведена телом над внешним объектом:

В термодинамике широко используют -диаграмму. Поскольку состояние термодинамической системы определяется двумя параметрами, то на -диаграмме оно изображается точкой. На рисунке точка 1 соответствует начальному состоянию системы, точка 2 -конечному, а линия 1-2 соответствует процессу расширения рабочего тела от до .

Механическая работа графически изображается на плоскости площадью, заключенной между кривой процесса и осью объемов.

Располагаемая работа графически изображается на плоскости площадью, заключенной между кривой процесса и осью давлений.

Работа зависит от характера термодинамического процесса.

Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения и превращения энергии.

Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии термодинамической системы.

Формулировка первого закона термодинамики:

Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение энергии системы и совершение механической работы.

Для 1кг вещества уравнение первого закона термодинамики имеет вид:

Первый закон термодинамики может быть записан также в другой форме.

Учитывая то, что энтальпия равна:

а ее изменение:

(*)

Выразим из выражения изменение внутренней энергии:

и подставим ее в уравнение первого закона термодинамики

или:

До сих пор мы рассматривали только системы, вещество в которых не перемещалось в пространстве. Однако следует отметить, что первый закон термодинамики имеет общий характер и справедлив для любых термодинамических систем- и неподвижных и движущихся.

Предположим, что рабочее тело подается в тепломеханический агрегат (например, лопатки турбины). Рабочее тело совершает техническую работу, например, приводя в движение ротор турбины, а затем удаляется через выхлопной патрубок.

Запишем первый закон термодинамики для неподвижной системы:

Работа расширения совершается рабочим телом на поверхностях, ограничивающих выделенный движущийся объем, т. е. на стенках агрегата. Часть стенок агрегата неподвижна, и работа расширения на них равна нулю. Другая часть стенок специально делается подвижной (рабочие лопатки в турбине), и рабочее тело совершает на них техническую работу .

При входе рабочего в агрегат и выходе его из агрегата затрачивается так называемая работа вытеснения:

Часть работы расширения () затрачивается на увеличение кинетической энергии рабочего тела в потоке, равное .

Таким образом:

Подставив данное выражение механической работы в уравнение первого закона термодинамики, получим:

Поскольку энтальпия равна:

Окончательный вид первого закона термодинамики для движущегося потока будет иметь вид:

Теплота, подведенная к потоку рабочего тела, расходуется на увеличение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увеличение кинетической энергии потока.

Второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту. Работа может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения, однако теплоту полностью превратить в работу в периодически повторяющемся (непрерывном) процессе нельзя.

Первый закон термодинамики “позволяет” создать тепловой двигатель полностью превращающий подведенную теплоту в работу L, т.е.:

Второй закон накладывает более жесткие ограничения и утверждает, что работа должна быть меньше подведенной теплоты () на величину отведенной теплоты , т.е.:

Вечный двигатель можно осуществить, если теплоту передать от холодного источника к горячему. Но для этого теплота самопроизвольно должна перейти от холодного тела к горячему, что невозможно.

Теплота сама собой может переходить только от более нагретых тел к холодным. Переход теплоты от холодных тел к нагретым сам собой не происходит. Для этого нужно затратить дополнительную энергию.

Таким образом, для полного анализа явления и процессов необходимо иметь кроме первого закона термодинамики еще дополнительную закономерность. Этим законом является второй закон термодинамики. Он устанавливает, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком направлении протекает процесс, когда достигается термодинамическое равновесие и при каких условиях можно получить максимальную работу. Одна из формулировок второго закона термодинамики:

Для существования теплового двигателя необходимы 2 источника - горячий источник и холодный источник (окружающая среда).

Дата добавления: 2014-10-31