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

69458. Духовная ситуация времени и правовая подготовка студента педагогического Вуза 55 KB
  Так в курсе Основы права в институтах народного хозяйства делался упор на уголовно-правовую ответственность хозяйственных работников в технических Вузах на соблюдении норм техники безопасности и т.
69459. Присоединение Прибалтики к России, Эстляндия и Лифляндия в составе России 33.5 KB
  Прибалтика состоящая из Эстляндии Курляндии и Лифляндии была как известно присоединена к России в ходе Северной войны 1700-1721 которую вела Россия со Швецией за выход к Балтийскому морю. В результате победы России по Ништадтскому мирному договору 1721 г.
69460. Присоединение Северного Кавказа к России. Кавказская война 25.5 KB
  С присоединением к России территорий Закавказья территория Северного Кавказа была как бы независимым анклавом внутри Российского государства. госств заставлял обезопасить свои тылы тем более что многие народы в надежде избавиться от притязаний Турок стремились...
69461. Продажа Аляски. Явный и скрытый механизм сделки 28 KB
  Явный и скрытый механизм сделки Причины продажи Аляски: 1 опасность применения силы со стны США в целях присоединения этой территории; 2 убыточность РАК; 3 желание сохранить дружественные отношения с США; 4 Опасность распространения республиканских идей...
69462. Лирика А. С. Пушкина: особенности мироотношения поэта, жанровая динамика 37.12 KB
  Лицейский период 1811-1817 осваивает жанры и стили. Ода, элегия, политические стихи, эпиграммы, пародии. Основной – жанр дружеского послания. – пограничный между прозой и поэзией. «К товарищам». Поэт - ленивец, отказывающийся от социальных обязанностей, свободный, профессиональный литератор.
69463. Рассказ в русской литературе 18.27 KB
  Человек испытывает универсальные чувства понятные всем. Все о чем пишет Казаков предельно просто: универсальные чувства страха обиды восторга отчаяния и др. Движение человека от жизни дневной к жизни ночной где дневная жизнь расценивается как инерция ночь же позволяет...
69464. Розанов. Легенда о Великом Инквизиторе 17.84 KB
  Религия нечто высокое и сделать ей возможно другого человека способность войти в ее миросозерцание высшая цель. Здесь надломленность человеческих сил неспособность их продолжать тот путь по который от скрытого начала к скрытому же концу ведет человека провидение.
69465. Сатира в литературе 1920-х годов 18.38 KB
  В 1920-ые годы возникла необходимость в так называемом «отдыхе». Человек на протяжении последних лет был погружен в атмосферу революций, гражданских войн – «кровавых» событий. Пьесы, которые ставились на сцене театра, имели «лечебное» воздействие; театр – это место, где собирается масса народа; происходящее на сцене...
69466. Сентиментализм и предромантизм 21.64 KB
  Впервые термин «сентиментализм» был объявлен в 60 годы 18 века. Главная категория в сентименталистской эстетике – чувство. Категория чувствительности – основа на философском, этико-эстетическом и эмоциональном уровнях. Философия: Юм – трактат о человеческой природе.