Термодинамика. Лекция Термодинамическая система и ее состояние Основные понятия и определения Термодинамической системой
 Скачать 4.04 Mb.
|
|
Лекция 1. Термодинамическая система и ее состояние 1.1. Основные понятия и определения Термодинамической системой называется совокупность тел в некоторой области пространства, подлежащих термодинамическому исследованию. В предельном случае система состоит из одного тела. Система отделена от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью. Материя – это все, что нас окружает. Энергия – это мера движения материи. Единицей измерения энергии является джоуль (Дж). Между телами и окружающей средой передача энергии происходит в виде теплоты и работы. Теплота – это форма передачи энергии путем теплообмена. Количество теплоты в термодинамике обозначается символом Q. Единицей теплоты (как и единицей энергии) является джоуль (Дж). Удельной теплотой называется теплота, отнесенная к 1 кг массы тела и обозначается символом q. Её размерность Дж/кг. Работа – это форма передачи энергии путем механического взаимодействия между телами. Количество работы в термодинамике обозначается символом L. Единицей работы также является джоуль (Дж). Удельной работой называется работа, отнесенная к 1 кг массы тела. Она обозначается символом l, её размерность также Дж/кг. Теплообмен – это форма передачи энергии, связанная не с работой, а с непосредственным взаимодействием между микрочастицами (теплопроводность или конвекция) или с распространением электромагнитных волн (тепловое излучение). Рабочим телом называется тело, путем воздействия на которое происходит взаимопревращение теплоты и работы. В авиационных двигателях рабочим телом является воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива. Энергоизолированной термодинамической системой является система, которая не обменивается энергией с окружающей средой. Теплоизолированной (адиабатной) термодинамической системой является система, которая обменивается с окружающей средой только работой. Гомогенной называется система, химический состав и физические свойства во всех её частях одинаковы или меняются непрерывно без скачков. В противном случае система является гетерогенной. Системы могут быть открытыми и закрытыми. Закрытая система – это система в которой состав вещества не меняется (рис. 1.1а). Стенки и поршень являются реальной границей системы.
Равновесным состоянием системы называется такое состояние системы, если после изоляции её от окружающей среды её состояние не меняется. Тогда в каждой её точке термодинамические параметры (температура, давление, плотность и т.д.) не изменяются во времени и не происходит переноса энергии из одной части системы в другую. 1.2. Параметры состояния системы и уравнение состояния Параметрами состояния термодинамической системы называются следующие физические величины: температура T(К); давление p (Па); плотность ρ(кг/м3) , т.е. масса единицы объема вещества; удельный объем (м3/кг), т.е. объем единицы массы вещества, и другие параметры. Установлено, что задание двух параметров состояния однозначно характеризует состояние термодинамической системы. Значит, три параметра состояния системы однозначно связаны между собой уравнением состояния, которое в общем виде записывается следующим образом Оно применимо лишь к телам, находящимся в равновесном состоянии, т.е. имеющим одинаковую температуру и давление во всем объеме. 1.3. Уравнение состояния идеального газа Идеальным называется газ, в котором: собственный объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом, который занимает газ; отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия. Реальные газы приближаются к идеальным газам, когда расстояние между молекулами становится большим, т.е. при увеличении удельного объема. Это наблюдается, когда давление стремится к нолю ( ), тогда удельный объем стремится к бесконечности ( ). 1.3.1. Уравнение состояния идеального газа а) для одного кг газа , (1.1) где – газовая постоянная, не зависящая от параметров состояния (T, p, ) и являющаяся индивидуальной для каждого газа. Для воздуха . б) для М кг газа , (1.2) где - объем, занимаемый М кг газа. в) для одного моля с молекулярной массой М = μ , или , (1.3) где , а . Моль – этоколичество вещества, которое содержит столько же атомов или молекул, сколько атомов содержится в 12-ти граммах углерода-12 (одного из изотопов углерода). Это число называется числом Авогадро и приближенно равно 6,022∙1023 частиц на моль. Атомная единица массы – это 1/12 массы атома углерода-12. Атомная масса – этовеличина, равная отношению массы данного атома к атомной единице массы. Атомные массы природных химических элементов указываются в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Молекулярная масса – это отношение массы молекулы данного вещества также к атомной единице массы. Молекулярная масса практически равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы. Молярная масса – этомасса одного моляданного вещества независимо от того, состоит оно из одинаковых молекул или включает в себя различные молекулы (как, например, воздух). Для химически чистых веществ (О2, N2, СО2 и т.д.) молярная масса численно равна их молекулярной массе. Установлено, что разные газы при одинаковых р и Т имеют равные объемы одного моля . Например, при р = 101325 Па и Т = 273,15 К . Один киломоль (кмоль) равен 1000 молей. Так как одинаков для всех газов, то из (1.3) следует, что не зависит от рода газа и является одинаковой для всех газов. Она называется универсальной газовой постоянной. Величину можно определить, если в (1.3) подставить указанные выше значения р, Т и : . Если известна молекулярная масса какого-либо газа, то его газовая постоянная . Так для воздуха , тогда Уравнение состояния идеального газа с достаточной точностью может применяться для определения параметров реальных газов в ГТД, в термодинамических процессах, в задачах аэродинамики и т.д. 1.3.2. Уравнения состояния реальных газов При уменьшении удельного объема газа υ, т.е. при увеличении р и уменьшении Т свойства реальных газов начинают отличаться от свойств идеального газа. Это связано с уменьшением расстояния между молекулами, из-за чего увеличивается взаимодействие между ними и сказывается объем молекул. Поэтому использование в расчетах модели идеального газа в этом случае приводит к погрешностям. Для учета свойств реального газа был предложен ряд уравнений реального газа. Одно из первых уравнений предложил Ван-дер-Ваальс в следующем виде )( -b)=RT, где а и b – постоянные коэффициенты, разные для каждого газа. Поправка учитывает силы межмолекулярного взаимодействия (внутреннее давление). Как видно, эта поправка возрастает при уменьшении удельного объема . Поправка b учитывает объем, занимаемый молекулами. Уравнение Ван-дер-Ваальса качественно хорошо описывает изменение свойств реальных газов при изменении р и Т, но является приближенным. Для количественных расчетов используют уравнение состояния в виде , где - коэффициент сжимаемости, зависящий от р и Т и определяемый по опытным данным. Здесь – приведенное давление, – приведенная температура, а и – критические значения давления и температуры данного вещества (см. ниже). |