41136

Математические выражения для термодинамической работы и теплоты

Лекция

Математика и математический анализ

Математические выражения для термодинамической работы и теплоты. Вычисление работы и теплоты. Вычисление теплоты. В качестве силы которая обеспечивает передачу теплоты от одних тел к другим Клаузиус предложил рассматривать температуру а в качестве обобщенной координаты некоторый параметр состояния который называется энтропия.

Русский

2013-10-22

97 KB

1 чел.

Лекция 2

2. Математические выражения для термодинамической работы и теплоты. 2.1. Вычисление работы и теплоты.

 2.1.Термодинамическая работа. Пусть в цилиндре, закрытом поршнем,  находится газ. Давление газа под поршнем уравновешивается установленным сверху на поршне грузом и давлением внешней среды. Площадь поршня – S.

                                             

 

При каких условиях газ может произвести полезную работу, т.е. поднять груз, преодолевая суммарное давление среды (давление окружающего воздуха и вес груза)? На этот вопрос нужно ответить так: при условии, что давление газа под поршнем будет не меньше давления среды (pгаз     pсреды). В реальных процессах, для того, чтобы сдвинуть поршень из состояния покоя, необходимо, чтобы pгаз   > pсреды. Однако в этом случае, как говорилось ранее, термодинамический процесс расширения газа и совершения им работы будет неравновесным (наличие движущей силы, равной разности давлений внутри и снаружи приведет к ускорению движения поршня и находящегося под ним газа).

Поэтому остается лишь один возможный вариант pгаз   =  pсреды.  

 

                                                                                                                                                          

Выражение (2.1) определяет так называемую термодинамическую работу или работу расширения. При конечном изменении объема полная термодинамическая работы может быть вычислена по уравнению

                                                   ,           Дж      (2.2)

Если отнести величину термодинамической работы к единице массы рабочего тела m, то получим удельную термодинамическую работу:

                            ,       Дж/кг                   (2.3)

где m – масса газа, кг; v - удельный объем, м3/кг.

 

Правило знаков. Знак термодинамической работы определяется знаком произведения pdV. Отметим, что в выражение для работы входит значение давления собственно газа, т.е. абсолютное давление газа. Однако, т.к. ранее было установлено, что всегда pа 0, то знак работы определяется знаком изменения dV:

- при dV 0 рабочее тело (газ) расширяясь совершает работу против внешних сил, работа положительна dL > 0 и берется в вычислениях со знаком «+»;  

- при dV 0 внешние силы совершают работу над рабочим телом (газом), работа отрицательна dL   0 и берется в вычислениях со знаком « - ».  

Геометрическая интерпретация термодинамической работы.

Термодинамический процесс в результате которого совершается термодинамическая работа изображается в координатах pv линией.

p

                                                                  

                                                 v      

      Рис.2.1. Геометрическая интерпретация работы.

2.2. Вычисление теплоты.

Для согласования некоторых положений термодинамики Клаузиус предложил по аналогии с выражением для термодинамической работы вычислять теплоту как произведение обобщенной  силы на обобщенную координату. В качестве «силы», которая обеспечивает передачу теплоты от одних тел к другим, Клаузиус предложил рассматривать температуру, а в качестве обобщенной координаты некоторый параметр состояния, который называется энтропия.

Тогда выражение для вычисления теплоты будет иметь вид

                                          , Дж       (2.4)

где Tтемпература тела, К; dS – изменение энтропии, Дж.

То же в интегральном виде

                                                  .       (2.5)

Эти же выражения для удельных значений теплоты  могут быть представлены:

                                              , Дж/кг      (2.6)                                          

                                                        и

                                                                  (2.7)

Правило знаков. Знак теплоты определяется знаком произведения TdS. Отметим, что в выражение для теплоты входит значение давления собственно газа, т.е. абсолютное давление газа. Из приведенного выше рисунка шкалы Кельвина ясно, что всегда T  0, то знак теплоты определяется знаком изменения dS:

- при dS 0  к  рабочему телу  теплота подводится теплота положительна dQ > 0 и берется в вычислениях со знаком «+»;  

- при dS 0    теплота  отводится  от рабочего тела, теплота отрицательна dQ   0 и берется в вычислениях со знаком « - ».

 

                                                                                        

                                      Рис.2.2. Геометрическая интерпретация теплоты.                      

2.3.Теплота и термодинамическая работа – характеристики процесса.

Из рис.2.1 и 2.2 понятно, что величина работы и теплоты зависит от пути, по которому протекает термодинамический процесс, т.е. от вида функциональных  зависимостей p(v) и T(s) и вида кривых 1-2 на рисунках. Это в свою очередь означает, что и теплота, и работа не отвечают понятиям параметров состояния. Т.к. эти величины зависят от вида термодинамического процесса, то они называются характеристиками (функциями) процесса.       

Следствия из определения теплоты и работы как характеристик процесса.

1. Теплота и работа не обладают свойствами полного дифференциала и поэтому при записи для бесконечно малых значений теплоты и работы не используется символ d… Для обозначения бесконечно малых значений теплоты и работы используется символ δ.

2. Интеграл по замкнутому контуру от δQ  и δL не равен 0, а имеет конечное значение.  

2.4.Теплоемкость рабочих тел. Для количественной оценки теплоты также используется понятие теплоемкости рабочего тела.

Теплоемкость – это количество теплоты, которое необходимо подвести к рабочему телу, чтобы увеличить его температуру на 1 Кельвин (градус Цельсия).

Математически сказанное представляется, как:

                                                           (2.8)

где Cx , Qx – соответственно, теплоемкость и теплота конкретного термодинамического процесса при постоянном параметре процесса х;Т=Т2 – Т1, Т1,Т2 – соответственно, начальное и конечное значения температуры процесса, К. 

Т.к. и теплота, и работа – характеристики процесса, то их величина зависит от функциональной зависимости, которой выражается процесс. Следовательно, в зависимости от того или иного термодинамического процесса, необходимо различать и теплоемкость, которую проявляет рабочее тело в данном конкретном процессе. Т.к. в термодинамике различают 4 основных термодинамических процесса (изобарный, изохорный, изотермический, адиабатный), то и принимается, что рабочее тело может проявлять 4 различных теплоемкости: изобарную, изохорную, изотермическую, адиабатную.  

Сопоставление (2.7) и (2.8) показывает, что теплоемкость Cx - имеет смысл среднеинтегральной величины. Из определений теплоты (имеет смысл только при протекании термодинамического процесса) и теплоемкости (2.8), можно сделать следующие выводы:

-  теплоемкость имеет смысл только для интервала температур Т;

 - теплоемкость является функцией температуры. 

На рис.2.3 показан принцип разбиения диапазона изменения температуры на интервалы с определением среднеинтегрального значения теплоемкости для

заданного  Т.

                                                                                                  

Рис.2.3. Геометрическая интерпретация теплоты.

Каждый раз, разбивая интервал Т меньшие получаем все более узкий диапазон температуры, для которого может быть определено среднеинтегральное значение Сср. Когда интервал Т  уменьшится до бесконечно малой величины dT, будем считать, что нами определено истинное значение теплоемкости для любой из температур границ интервала.

                                                           

                                                    Истинная теплоемкость

                                                                   ,    Дж                    (2.9)

                                                    Удельная истинная теплоемкость

                                                                   ,        Дж/кг                  (2.10)

                                                       

                                                       

                                                    


pсреды

 dH

Пусть в результате расширения газа поршень переместился на небольшую высоту dН.

Элементарная механическая работа, которую совершил газ, действуя на поршень силой

                F = pсреды  S 

будет равна

              dL= pсреды  SdH 

или, принимая во внимание, что

               SdH = dV  - приращение объема, получим

             dL= pсреды  dV

 или

                dL= pdV      (2.1)

p2

p1

v1

v2

1

2

Если провести аналогию с известными из курса физики выражениями для механической работы, то можно заметить, что давление – есть аналог силы, а изменение объема - аналог изменения координаты.

Т.о. можно сказать, что термодинамическая работа – это произведение обобщенной силы на обобщенную координату.

2

1

s2

s1

T1

T2

 T

s

T

 C

2

1

T2

T1

C1ср

Tа

C2ср

dT

T1

T2

C(T)

В выражении  всегда в термодинамической шкале температур Кельвина Т 0. Следовательно, если  0 – теплота имеет знак «+», т.е. подводится к рабочему телу; если  0 – теплота имеет знак «-», т.е. отводится от рабочего тела.    


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28065. Право природопользования и его виды 6.38 KB
  Право природопользования является одним из важнейших институтов экологического и природоресурсного права. Виды права природопользования По критерию объекта это право землепользования лесопользования водопользования пользования недрами животным миром растительным миром вне лесов атмосферным воздухом. Общее право характеризуется производностью от конституционного права каждого на благоприятную окружающую среду на свободу передвижения и т. Оно характеризуется платностью и необходимостью принятия...
28066. Право собственности на природные ресурсы 6.84 KB
  Под понятием права собственности на землю и другие природные ресурсы т. Исходные положения регулирующие право собственности на землю и другие природные ресурсы установлены в ст. 9 Конституции РФ которая гласит что земля и другие природные ресурсы могут находиться в частной государственной муниципальной и иных формах собственности.
28067. Правовое обеспечение экологического контроля на гос и муниципальном уровнях 3.13 KB
  Положение об осуществлении гос лесного контроля и надзора осуществляемого Федй службой по ветеринарному и фитосанитарному надзору Федй службой по надзору в сфере ПП и органами исполнительной власти субъктов РФ утверждено Постановлением Правительства РФ от 22 июня 2007г №394. В соответствии с законодательством муниципальные образования наделены полномочиями по осуществлению муниципального лесного контроля и муниципального земельного контроля. Осуществление муниципального экологического контроля органами местного самоуправления действующим...
28068. Правовой режим особо охраняемых территорий 5.54 KB
  Особо охраняемые природные территории определены законодательством РФ как участки земли водной поверхности и воздушного пространства над ними где располагаются природные комплексы и объекты имеющие особое природоохранное научное культурное эстетическое рекреационное и оздоровительное значение. Общественные отношения в сфере организации охраны и использования особо охраняемых природных территорий с целью сохранения уникальных и типичных природных комплексов и объектов достопримечательных...
28069. Правовой режим селитебных территорий 11.23 KB
  Требования охраны окружающей природной среды экологическойбезопасности при осуществлении градостроительной деятельности заключаются в следующем: разработка градостроительной документации строительство и реконструкция городских и сельских поселений зданий строений и сооружений должны осуществляться с соблюдением требований охраны окружающей природной среды экологической безопасности и санитарных правил. При этом необходимо учитывать состояние территорий городских и сельских поселений последствия вредного воздействия хозяйственной и иной...
28070. Правовые основы обеспечения экологической безопасности РФ 10.09 KB
  Обеспечение экологической безопасности России Концепция относит к совместному ведению Федерации и ее субъектов п. Обеспечение экологической безопасности следует рассматривать в неразрывной связи с правом каждого на благоприятную окружающую среду достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба причиненного здоровью или имуществу экологическим правонарушением ст. Не менее важен ФЗ О радиационной безопасности населения который определяет правовые основы обеспечения радиационной безопасности населения в целях охраны его...
28071. Правовые основы охраны атмосферного воздуха 10.79 KB
  В целях сохранения благоприятного качества атмосферного воздуха государством предусмотрены следующие нормативы воздействия на атмосферный воздух: 1 производственные нормативы предельно допустимые выбросы ПДВ загрязняющих веществ; нормативы шумового теплового вибрационного радиационного электромагнитного и других физических воздействий; временно согласованные выбросы лимит загрязняющих веществ; 2 территориальные нормативы величина критических совокупных нагрузок на атмосферный воздух от...
28072. Система органов гос управления в области природопользования и охраны ос. Их функции 9.75 KB
  Управление выражается через законотворческую деятельности в области охраны окружающей среды в разработке мероприятий по охране окружающей среды программ контроле за исполнением норм в области охраны окружающей среды нормативных актов всех уровней. Только государственное управление из всех возможных является реальным инструментом осуществляющим реализацию правоустанавливающих правореализующих и контролирующих функций в области охраны окружающей среды на территории РФ....
28073. Экологические требования при осуществлении хоз и иной деятельности в Законе « Об охране ОС» 6.25 KB
  Общие требования в области охраны окружающей среды при размещении проектировании строительстве реконструкции вводе в эксплуатацию эксплуатации консервации и ликвидации зданий строений сооружений и иных объектов 1. Размещение проектирование строительство реконструкция ввод в эксплуатацию эксплуатация консервация и ликвидация зданий строений сооружений и иных объектов оказывающих прямое или косвенное негативное воздействие на окружающую среду осуществляются в соответствии с требованиями в области охраны...