Файл: Ведение Цели и задачи теплоэнергетики знакомство с историей теплоэнергетики понимание студентами объективного и полного представления о будущей профессиональной деятельности, её сферах и направлениях.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2023
Просмотров: 146
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
количество теплоты Q, полученное системой, идет на изменение 
ее внутренней энергии и совершение работы 
над внешними телами:
.
Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу. A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.
Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в идеальных одноатомных газах.
1. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно:
. (8.10)
Здесь U1 и U2 – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).
Обращаем внимание, что количество теплоты можно рассчитывать либо через изменение температуры, либо через значения давления и объема в начальном и конечном состоянии газа.
2. В изобарном процессе (p = const) газ совершает работу, меняется его температура, а значит, и внутренняя энергия. Следовательно:
. (8.11)
При изобарном расширении температура увеличивается, внутренняя энергия увеличивается, ΔU > 0; газ совершает положительную работу
, A > 0; Q > 0 – тепло поглощается газом При изобарном сжатии температура уменьшается, внутренняя энергия уменьшается, ΔU > 0; газ совершает отрицательную работу, A < 0; Q < 0 – тепло отдается внешним телам.
Обращаем внимание, что количество теплоты можно рассчитывать либо через изменение температуры, либо через изменение объема при известном давлении газа.
3. В изотермическом процессе температура газа не изменяется, а значит, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0. Следовательно:
. (8.12)
Здесь T – температура изотермического процесса; V1 p1 и V2 p2 – объем и давление в начальном и конечном состоянии газа. Формула (8.12) получена путем расчета работы, как площади криволинейной трапеции на диаграмме ( p V) для изотермического процесса.
Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Такие процессы называются адиабатическими.
4. В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид:
или 
. (8.13)
При адиабатическом расширенииработа газа положительна A > 0, температура газа уменьшается Т2 < Т1, внутренняя энергия газа уменьшается, т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.
При адиабатическом сжатии работа газа отрицательна A < 0, температура газа увеличивается Т2> Т1, внутренняя энергия газа увеличивается, т. е. положительная работа внешних сил, действующих на газ, идет на увеличение внутренней энергии газа.
На диаграмме (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении температура газа уменьшается. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом (рис. 8.4).
Второй закон термодинамики
Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение общего закона сохранения и превращения энергии. Он рассматривает любые взаимопревращения энергии и изучает явления в этих взаимопревращениях, в частности при осуществлении различных термодинамических процессов. Но второй закон не определяет условий возможности таких преобразований, согласно этому закону равновозможны оба направления в протекании процесса, т.е. перетекание теплоты от теплого тела к холодному и от холодного тела к теплому. Между тем действительные процессы, происходящие вокруг нас, необратимы, так как они самопроизвольно идут только в одном направлении: теплота переходит от теплого тела к холодному, газ вытекает только из резервуара с высоким давлением в окружающее пространство и т.п.
Опыт показывает, что реальные процессы идут в направлении установления в любой системе равновесия, т.е. выравнивания в ней давлений, температур, концентраций и др.
Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет основное положение второго закона термодинамики.
При рассмотрении положений второго закона чаще всего исходят из аксиом, основанных на частных соображениях о работе тепловых двигателей.
Существует много эквивалентных друг другу формулировок второго закона:
– тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу;
– невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полном преобразовании этой теплоты в работу;
– невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом действия которой было бы совершение механической работы за счет охлаждения теплового резервуара.
Согласно последней формулировке нельзя, получив теплоту из некоторого резервуара, превратить ее в работу, а затем снова эту работу превратить в теплоту в резервуаре с более высокой температурой.
Таким образом, второй закон исключает возможность построения «вечного двигателя второго рода», который бы совершал работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии, подобно тому, как первый закон термодинамики исключает возможность построения «вечного двигателя первого рода», который бы совершал работу «из ничего», без внешнего источника энергии.
Третий закон термодинамики
Третий закон термодинамики называют ещё тепловой теоремой Нернста. Эту теорему сформулировал в 1906 году немецкий физик Нерст на базе широких экспериментальных исследований поведения вещества при низкой температуре.
Благодаря этой теореме энтропия s, а также другие, связанные с ней функцией состояния становятся численно определёнными и практически полезными.
Дело в том, что энтропия определяется через её дифференциал ds. Поэтому сама величина s определена лишь с точностью до постоянной интегрирования sо. Там, где в расчётах имеют дело с дифференциалом энтропии, эта постоянная sо не влияет на результат.
Однако, поскольку в некоторые термодинамические формулы входит произведение Т · sо. Из-за этой неопределённости практически пользоваться такими формулами было бы нельзя.
Таким образом, встаёт вопрос об абсолютном значении энтропии.
Ответом природы на этот вопрос и является теорема Нернста. В редакции Планка эта теорема звучит так:
При абсолютном нуле температуры (0, К) энтропия любого вещества принимает значение sо, не зависящее от давления, агрегатного состояния и других характеристик вещества. Эту величину sо можно принять равной нулю, получив, таким образом, абсолютную нормировку энтропии любого вещества.
То есть энтропия любой системы при абсолютном нуле всегда может быть принята равной нулю:
Это утверждение, подтверждаемое опытными данными, и называется третьим законом термодинамики.
Тепломассообмен (ТМО) – наука о самопроизвольных необратимых процессах распространения теплоты в переменном поле температур и о самопроизвольных необратимых процессах распространения массы и переменном поле концентраций. В движущихся средах процессы ТМО зависят от скорости перемещения текучей среды.
В природе наблюдается аналогия процессов переноса теплоты и массы, поэтому формулировки основных параметров и законов массообмена аналогичны формулировкам параметров и законов теплообмена.
При наличии в среде неоднородного поля концентраций i-го компонента смеси происходит самопроизвольный и необратимый процесс переноса массы этого компонента в направлении уменьшения его концентрации, т.е. происходит процесс массообмена.
Расчет массообмена заключается в определении поля концентраций компонент смеси и потоков массы компонент смеси.
В расчетах массообмена используют объемную (парциальную плотность) и массовую (относительную) концентрации. По определению объемная концентрация (парциальная плотность) i (кг/м3 ) и относительная массовая концентрация Ci (кг/кг) i-го компонента смеси равны:
1.1 
1.2
где Vсм – объем смеси, м3; Mсм – масса смеси, кг.
Сравнивая выражения (1.1) и (1.2), получим функциональную связь относительной (массовой) концентрации i-го компонента смеси Ci и его парциальной плотности (объемной концентрации) i :
или 
Процессы распространения тепла и массы наблюдаются и имеют большое значение в самых разнообразных областях науки.
Теплообмен – переход тепла от одного тела к другому или от одной части тела к другой, обусловленный неравенством их температур.
Исследования показывают, что теплообмен является сложным процессом, который при изучении расчленяют на простые явления. Различают три элементарных способа переноса теплоты:
1) теплопроводность – перенос теплоты (внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел (частиц одного тела) с различной температурой;
2) конвекция – перенос теплоты за счет перемещения вещества в пространстве из области с большей в область с меньшей температурой;
3) тепловое излучение – явление переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением – тепловой энергии в лучистую и обратно.
В чистом виде элементарные виды теплообмена встречаются редко, в большинстве случаев один вид сопровождается другим. Так обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (газом) происходит путем теплопроводности и конвекции одновременно это называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. В практических расчетах такие сложные процессы рассматривают как одно целое.
ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами: .Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу. A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.
Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в идеальных одноатомных газах.
1. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно:
. (8.10)Здесь U1 и U2 – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).
Обращаем внимание, что количество теплоты можно рассчитывать либо через изменение температуры, либо через значения давления и объема в начальном и конечном состоянии газа.
2. В изобарном процессе (p = const) газ совершает работу, меняется его температура, а значит, и внутренняя энергия. Следовательно:
. (8.11)При изобарном расширении температура увеличивается, внутренняя энергия увеличивается, ΔU > 0; газ совершает положительную работу
, A > 0; Q > 0 – тепло поглощается газом При изобарном сжатии температура уменьшается, внутренняя энергия уменьшается, ΔU > 0; газ совершает отрицательную работу, A < 0; Q < 0 – тепло отдается внешним телам.
Обращаем внимание, что количество теплоты можно рассчитывать либо через изменение температуры, либо через изменение объема при известном давлении газа.
3. В изотермическом процессе температура газа не изменяется, а значит, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0. Следовательно:
. (8.12)Здесь T – температура изотермического процесса; V1 p1 и V2 p2 – объем и давление в начальном и конечном состоянии газа. Формула (8.12) получена путем расчета работы, как площади криволинейной трапеции на диаграмме ( p V) для изотермического процесса.
Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Такие процессы называются адиабатическими.
4. В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид:
или . (8.13)При адиабатическом расширенииработа газа положительна A > 0, температура газа уменьшается Т2 < Т1, внутренняя энергия газа уменьшается, т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.
При адиабатическом сжатии работа газа отрицательна A < 0, температура газа увеличивается Т2> Т1, внутренняя энергия газа увеличивается, т. е. положительная работа внешних сил, действующих на газ, идет на увеличение внутренней энергии газа.
На диаграмме (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении температура газа уменьшается. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом (рис. 8.4).
Второй закон термодинамики
Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение общего закона сохранения и превращения энергии. Он рассматривает любые взаимопревращения энергии и изучает явления в этих взаимопревращениях, в частности при осуществлении различных термодинамических процессов. Но второй закон не определяет условий возможности таких преобразований, согласно этому закону равновозможны оба направления в протекании процесса, т.е. перетекание теплоты от теплого тела к холодному и от холодного тела к теплому. Между тем действительные процессы, происходящие вокруг нас, необратимы, так как они самопроизвольно идут только в одном направлении: теплота переходит от теплого тела к холодному, газ вытекает только из резервуара с высоким давлением в окружающее пространство и т.п.
Опыт показывает, что реальные процессы идут в направлении установления в любой системе равновесия, т.е. выравнивания в ней давлений, температур, концентраций и др.
Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет основное положение второго закона термодинамики.
При рассмотрении положений второго закона чаще всего исходят из аксиом, основанных на частных соображениях о работе тепловых двигателей.
Существует много эквивалентных друг другу формулировок второго закона:
– тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу;
– невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полном преобразовании этой теплоты в работу;
– невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом действия которой было бы совершение механической работы за счет охлаждения теплового резервуара.
Согласно последней формулировке нельзя, получив теплоту из некоторого резервуара, превратить ее в работу, а затем снова эту работу превратить в теплоту в резервуаре с более высокой температурой.
Таким образом, второй закон исключает возможность построения «вечного двигателя второго рода», который бы совершал работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии, подобно тому, как первый закон термодинамики исключает возможность построения «вечного двигателя первого рода», который бы совершал работу «из ничего», без внешнего источника энергии.
Третий закон термодинамики
Третий закон термодинамики называют ещё тепловой теоремой Нернста. Эту теорему сформулировал в 1906 году немецкий физик Нерст на базе широких экспериментальных исследований поведения вещества при низкой температуре.
Благодаря этой теореме энтропия s, а также другие, связанные с ней функцией состояния становятся численно определёнными и практически полезными.
Дело в том, что энтропия определяется через её дифференциал ds. Поэтому сама величина s определена лишь с точностью до постоянной интегрирования sо. Там, где в расчётах имеют дело с дифференциалом энтропии, эта постоянная sо не влияет на результат.
Однако, поскольку в некоторые термодинамические формулы входит произведение Т · sо. Из-за этой неопределённости практически пользоваться такими формулами было бы нельзя.
Таким образом, встаёт вопрос об абсолютном значении энтропии.
Ответом природы на этот вопрос и является теорема Нернста. В редакции Планка эта теорема звучит так:
При абсолютном нуле температуры (0, К) энтропия любого вещества принимает значение sо, не зависящее от давления, агрегатного состояния и других характеристик вещества. Эту величину sо можно принять равной нулю, получив, таким образом, абсолютную нормировку энтропии любого вещества.
То есть энтропия любой системы при абсолютном нуле всегда может быть принята равной нулю:
Это утверждение, подтверждаемое опытными данными, и называется третьим законом термодинамики.
-
Основные законы тепломассообмена
Тепломассообмен (ТМО) – наука о самопроизвольных необратимых процессах распространения теплоты в переменном поле температур и о самопроизвольных необратимых процессах распространения массы и переменном поле концентраций. В движущихся средах процессы ТМО зависят от скорости перемещения текучей среды.
В природе наблюдается аналогия процессов переноса теплоты и массы, поэтому формулировки основных параметров и законов массообмена аналогичны формулировкам параметров и законов теплообмена.
При наличии в среде неоднородного поля концентраций i-го компонента смеси происходит самопроизвольный и необратимый процесс переноса массы этого компонента в направлении уменьшения его концентрации, т.е. происходит процесс массообмена.
Расчет массообмена заключается в определении поля концентраций компонент смеси и потоков массы компонент смеси.
В расчетах массообмена используют объемную (парциальную плотность) и массовую (относительную) концентрации. По определению объемная концентрация (парциальная плотность) i (кг/м3 ) и относительная массовая концентрация Ci (кг/кг) i-го компонента смеси равны:
1.1 1.2где Vсм – объем смеси, м3; Mсм – масса смеси, кг.
Сравнивая выражения (1.1) и (1.2), получим функциональную связь относительной (массовой) концентрации i-го компонента смеси Ci и его парциальной плотности (объемной концентрации) i :
или Процессы распространения тепла и массы наблюдаются и имеют большое значение в самых разнообразных областях науки.
Теплообмен – переход тепла от одного тела к другому или от одной части тела к другой, обусловленный неравенством их температур.
Исследования показывают, что теплообмен является сложным процессом, который при изучении расчленяют на простые явления. Различают три элементарных способа переноса теплоты:
1) теплопроводность – перенос теплоты (внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел (частиц одного тела) с различной температурой;
2) конвекция – перенос теплоты за счет перемещения вещества в пространстве из области с большей в область с меньшей температурой;
3) тепловое излучение – явление переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением – тепловой энергии в лучистую и обратно.
В чистом виде элементарные виды теплообмена встречаются редко, в большинстве случаев один вид сопровождается другим. Так обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (газом) происходит путем теплопроводности и конвекции одновременно это называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. В практических расчетах такие сложные процессы рассматривают как одно целое.