Робоче тіло і термодинамічна система

Речовина, за допомогою якої перетворюється теплова енергія в механічну або навпаки називається робочим тілом.

Частина всесвіту, яка виділена для дослідження називається термодинамічною системою. Все що є за межами термодинамічної системи – довкілля або навколишнє середовище. Як правило термодинамічна система і довкілля розділені якоюсь поверхнею розділу при чому в технічній термодинаміці цій поверхні надають властивості розтягуватися чи звужуватися при чому на це розтягування чи звуження не вимагається ніякої енергії.

Класифікація термодинамічних систем:

а) за енергообміном:

– термічно ізольовані; або адіабатні (якщо система не може обмінюватися з довкіллям тепловою енергією)

– механічно ізольовані;(якщо система не може обмінюватися з довкіллям механічною енергією)

– повністю ізольовані.

б) за обміном робочим тілом:

– відкриті – обмінюються з навколишнім середовищем;

– закриті – не обмінюються з навколишнім середовищем.

в) за кількістю фаз в термодинамічній системі:

– гомогенні; – гетерогенні.

2.3. Основні термодинамічні параметри стану.

Параметри стану – величини, які характеризують якийсь стан системи. Технічна термодинаміка виділяє три основні параметри стану. Розглянемо їх.

1. Абсолютна температура – міра нагрітості тіла або міра інтенсивності хаотичного руху молекул газу і визначається середньою кінетичною енергією руху молекул газу.

Позначається абсолютна температура Т.

Коли = 0 (швидкість руху молекул) то = 0. Тому завжди Т ≥ 0.

Найбільш універсальною є абсолютна термодинамічна шкала температур – шкала Кельвіна (намалювати). Вона має єдину реперну (опорну) точку t = 0,01 ^оС – температура трійної точки води (стан рівноваги льоду, води і пари). Їй приписується значення = 273,16 К. Різниця між шкалами Цельсія і Кельвіна 273,15 К. Отже T = t + 273,15.

2. Абсолютний тиск.

Розглянемо якусь посудину (намалювати) в середині якої знаходиться газ. Візьмемо стінку посудини – в результату хаотичних рухів молекул відбувається силова взаємодія стінки з молекулами – молекули безперервно б’ються об стінку посудини. Якщо узагальнити і взяти рівнодійну сили що діє на стінку позначивши її буквою (це векторна величина), а площу поверхні стінки позначити буквою і віднести силу що діє по нормалі до цієї площі то ми отримаємо поняття абсолютного тиску який позначається малою буквою . [Па]. Можна використовувати похідні кПа, МПа як правило вищими величинами тиску в термодинаміці не оперують.

Важливо розрізняти тиск який має термодинамічна система і довкілля. Ось маємо посудину (термодинамічна система) з тиском p до якої під’єднаний U-подібний манометр. Друга вітка манометра сполучена з довкіллям тиск якого . Тиск довкілля вимірюється приладом – барометр. Розглянемо два варіанти відношення між тисками системи і довкілля – коли... і.... Тоді тут сила більша діє на рідину а тут менша. Стовпчики відповідно... Перепад позначимо . Сума бар.та надл.тиску буде абсолютним , тоді як надлишковий тиск . Тоді тиск надлишковий, а прилад для вимірювання надлишкового тиску – манометр. Тому часто замість н пишуть букву м.

Отже для вимірювання абсолютного тиску системи необхідно мати два прилади – барометр і манометр (вакуумметр).

А у випадку коли менший за . Тоді абсолютний тиск визначається як різниця барометричного тиску і тиску вакууму. Вакуумметр.....

Використовуються і несистемні одиниці вимірювання тиску:

1 ат = 1 кгс/см² = 9,81∙10⁴ Па – технічна атмосфера; 1 атм = 10,133∙10⁴ Па = 760 мм.рт.ст. - фізична атмосфера; 1 бар = 10⁵ Па = 0,1 МПа; 1 мм.вод.ст. = 9,81 Па; 1 мм.рт.ст = 133,33 Па.

3. Об’єм (питомий об’єм).

V, м³ . . Густину теж дозволяється використовувати в якості третього параметру стану.

Отже в технічній термодинаміці використовуються три основні параметри стану: абсолютна температура, абсолютний тиск, об’єм (питомий об’єм, густина). Їх прийнято ділити на інтенсивні та екстенсивні. (бажано записати)

Екстенсивні – ті що підлягають правилу аддитивності (правило складання). Наприклад об’єм, маса , . Наприклад ми взяли система розділили на багато частинок і визначили об’єм кожної з них, а потім додали ці об’єми то ми отримали загальний об’єм робочого тіла. Так само маса.... Це є правило складальності (аддитивності).

Інтенсивні – температура і тиск. Тому що сума температури і тиску кожної частинки тіла не дасть загальної температури і тиску.

Інтенсивні величини можуть бути рушійними силами процесу, а екстенсивні – ніколи не будуть.

прийнято називати термічними параметрами стану.

2.4 Рівняння стану робочого тіла.

Що стосується рівняння стану робочого тіла то тут треба мати дві сторони його – математичну і термодинамічну.

Якщо розглянемо функцію від основних параметрів стану – з математичної точки зору це рівняння зв’язку між величинами параметрів стану.

З термодинамічної точки зору: рівняння стану це таке рівняння яке описує всі стани робочого тіла при різних значеннях параметрів стану.

Рівняння стану – це рівняння якоїсь поверхні в трьохмірній системі координат.

Термодинамічна поверхня – геометричне місце безлічі окремих станів робочого тіла.

І зовсім інша справа коли взяти залежність одного параметру від інших. Тоді не потрібна просторова система координат. Тоді візьмемо систему двовимірну на площині і спростимо геометричну інтерпретацію рівняння:

; ; (навести схеми). Кожна точка в межах цієї діаграми (саме так називаються ці графіки) є окремим станом робочого тіла.

2.5. Поняття рівноважного термодинамічного процесу.

Берем якесь робоче тіло, беремо рівняння стану його стан визначає точка 1. Це означає що в будь-якій точці робочого тіла визначена температура буде одна і та ж....... абсолютний тиск буде один і той же. Тоді я маю право стверджувати що дане робоче тіло знаходиться в рівноважному стані.

Якщо змінюється будь-який параметр робочого тіла то відбувається термодинамічний процес. Стан робочого тіла є нерівноважним.

А от спробуємо перейти з одного рівноважного стану РТ т1 до іншого т2.

Сукупність нескінченно великого числа окремих рівноважних станів РТ дасть рівноважний термодинамічний процес.

Необхідно щоб , – це і є математична умова рівноважного термодинамічного процесу.

В реальних умовах цього немає – всі реальні процеси в тій чи інший мірі є нерівноважні.

1.6. Суміші ідеальних газів.

Ідеальним називається газ у якого:

– в якого відсутні сили міжмолекулярної взаємодії;

– об’єм молекули дорівнює нулю;

– маса молекули зосереджена в матеріальній точці.

- ось рівняння Клапейрона. В цьому рівнянні називається питома газова стала одиниця вимірювання . Кожен газ має своє значення цієї сталої - наприклад

= 189 ; = 4124 і т.д. В цьому рівнянні це питомий об’єм, а якщо помножити ліву і праву частини цього рівняння на то= V [м³] і рівняння набуде вигляду . Це те саме рівняння Клапейрона тільки тут перше для одного кілограма, а друге для кг газу.

А Менделєєв це рівняння записав для 1 кмоля або для відповідної кількості кмоль. Якщо взяти масу газу кг і поділити на - молекулярна маса газу то ми отримаємо - число кіломолів; якщо об’єм газу поділити на число кіломолів то ми отримаємо - молярний об’єм газу . Рівняння Менделєєва-Клапейрона записано для одного кіломоля газу . Тут - універсальна газова стала. Чому універсальна тому, що вона одинакова для всіх газів. А чому вона рівна. Нормальні умови: = 10,1325∙10⁴ Па T₀ = 273,15 К (0 ^оС). Можна взяти нормальні умови, а за законом Авогадро за нормальних умов кіломоль будь-якого газу займає сталий об’єм = 22,4 то підставивши ці дані в рівняння стану для одного кіломоля газу отримаємо, що універсальна газова стала = 8314 і ця величина одинакова для всіх газів. І це рівняння дає можливість легко знаходити питому газову сталу . Якщо помножити ліву і праву частини рівняння Менделєєва-Клапейрона на то рівняння набуде вигляду . Це теж рівняння М-К але для а кіломолів газу.

Суміші ідеальних газів. Ми розглянемо механічні суміші газів коли гази між собою хімічно не взаємодіють. Якщо взяти в посудину декілька газів то завдяки хаотичному руху молекул кожен газ буде рівномірно роззосереджений по цій посудині і утвориться суміш. Більше приходиться мати справу з сумішами ніж з чистим газом. Приклад: повітря, при чому для нього всі закони ідеального газу справджуються, продукти згоряння палива, природній газ що транспортується по газопроводах хоча в ньому переважає метан але це суміш.

Дата добавления: 2014-01-05