Физика. Примеры решения задач контрольной работы

Примеры решения задач по физике
Кинематика
Движение материальной точки
Основное уравнение динамики
Законы сохранения импульса и энергии
Динамика вращательного движения
Механические колебания
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ  ФИЗИКА
Механика
Молекулярная физика и термодинамика
Электричество
Электромагнетизм
Атомная и ядерная физика
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Термодинамические процессы
Описание теплопроводности
Теплоотдача в жидкостях и газах
Теплоотдача при фазовых переходах
Тепловое излучение
Теплообменные аппараты
  Кинематика поступательного движения
Электростатика

 

Термодинамический процесс. Последовательное изменение состояния рабочего тела системы в результате энергетического взаимодействия с внешней средой называется термодинамическим процессом. В термодинамическом процессе обязательно изменяется хотя бы один параметр состояния. Всякий процесс представляет собой отклонение от состояния равновесия. Процесс, протекающий настолько медленно, что в системе в каждый момент времени успевает установиться равновесное состояние, называется равновесным. В противном случае он называется неравновесным. Равновесный процесс является обратимым, так как протекает через одни и те же равновесные состояния в прямом (1-2) и обратном (2-1) направлениях так, что в системе и в окружающей среде не происходит никаких остаточных изменений.

 Всякий процесс, протекающий с конечной скоростью, вызывает появление конечных разностей температуры, давления и т.п. Реальные процессы всегда протекают с конечными скоростями и в системе не успевает установиться равновесное состояние. Любой реальный процесс сопровождается диссипативными эффектами, обусловленными силами трения, зависящими от вязкости рабочего тела и градиентов скорости в нем, пластическими деформациями и другими явлениями.

 Квазиравновесный термодинамический процесс. Для того чтобы можно было пользоваться термодинамическими зависимостями, в технических приложениях реальные процессы рассматриваются как квазиравновесные. Эта модель предполагает осреднение термических параметров по объему систему в каждый момент времени (использование в расчетах средней температуры , давления р и др.) и учет диссипативных эффектов, зависящих от вида реального процесса. При этом равновесный процесс, соответствующий реальному, является первым приближением, а также мерой сравнения и оценки эффективности рассматриваемого реального процесса.

 Виды энергии и их особенности. Энергия – это количественная мера движения материи, проявляющаяся в различных формах и заполняющая все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии, является способность при определенных условиях переходить в любой другой вид в определенном количественном соотношении. В качестве основной единицы любого вида энергии принят джоуль ; мощность энергии – ватт . Почти все виды энергии (механическая, электрическая, химическая, внутриядерная, потенциальная энергия различных физических полей), за исключением тепловой, являются энергиями направленного движения. В отличие от видов энергии направленного движения, тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию не направленного, а хаотического движения. Коренным отличием этих двух групп является то, что виды энергии направленного движения могут быть преобразованы в любые другие виды; превращение же тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

 Любая термодинамическая система (рабочее тело) в каждом состоянии обладает запасом полной энергии , которая состоит из внутренней энергии , зависящей от внутреннего состояния тела, и внешней энергии , связанной с движением тела как целого и положением его в каком-либо физическом поле сил (гравитационном, магнитном, электрическом и т.д.), т.е.

 (3)

 Внутренняя энергия состоит из энергии теплового движения микрочастиц тела, определяемой термическими параметрами  и , химической энергии, внутриядерной и др. В технической термодинамике изучаются физические процессы, в которых меняется только тепловая часть внутренней энергии, являющаяся функцией параметров состояния рабочего тела например

. (4)

 Поскольку величина внутренней энергии зависит от его массы (экстенсивный параметр), то обычно рассматривают удельную величину внутренней энергии, отнесенную к : , .

 В силу условия (4) следует, что изменение внутренней энергии не зависит от характера процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями рабочего тела, т.е.

 (5)

 Внешняя энергия  включает кинетическую энергию тела  как целого и сумму потенциальных энергий физических полей , например, потенциальную энергию

гравитационного поля , где  - постоянная,  - высота тела, , т.е.

  (6)

 Калорические параметры состояния. Такое название получили функции термических параметров состояния: для тела массой  - внутренняя энергия , энтальпия  (или ) и энтропия . Для газов и жидкостей, находящихся в сплошном непрерывном потоке (например в канале), определяющим параметром будет не внутренняя тепловая энергия u, а энтальпия. Для 1 кг тела, Дж/кг

. (7)

 Величину  называют потенциальной энергией давления или энергией проталкивания. Эта энергия передается рассматриваемому 1 кг частицами, движущимися сзади; эта же энергия передается впереди движущимся частицам и т. д. Создается она где-то в начале потока, например в компрессоре или насосе, вталкивающем газ или жидкость в канал. В результате этого каждый кг среды обладает кроме собственной внутренней энергии u еще и потенциальной энергией давления .

 Энтальпия, согласно (7), состоит только из параметров состояния и поэтому является функцией состояния: ее изменение  не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояний, т. е.

 (8)

 В идеальном газе силы взаимодействия между молекулами отсутствуют и внутренняя энергия определяется только температурой, т. е.   Это же условие справедливо для энтальпии идеального газа:

 (9)

 В технической термодинамике не требуется знания абсолютного значения энтальпии и поэтому она обычно отсчитывается от некоторого условного нуля (для газов при ).

 Энтропия - это такой параметр состояния, элементарное изменение  которого равно отношению бесконечно малого количества тепла  в равновесном процессе к абсолютной температуре Т тела на рассматриваемом бесконечно малом участке процесса, Дж/(кг к)

 (10)

 Поскольку энтропия является функцией состояния, то ее величина определяется значениями термических параметров  и Т, а ее изменения в любом термодинамическом процессе не зависит от характера процесса и определяется только начальным и конечным состояниями. Так как, согласно третьему закону термодинамики (теорема Нернста), энтропия чистого вещества в состоянии равновесия при  равна нулю, то изменение энтропии в каком - либо процессе, Дж/(кг К)

, (11)

где - теплота процесса, Дж/кг;- средняя температура рабочего тела системы в рассматриваемом процессе 1-2.

На главную