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

 

Формы обмена энергии. В термодинамических процессах передача энергии между системой и внешней средой возможна только в двух формах – в форме тепла  или в форме работы.

 Теплота понимается как конечный результат теплообмена, т. е. количество энергии, передаваемой через границу системы в форме хаотического (теплового) движения микрочастиц. Теплота появляется лишь тогда, когда начнется процесс перехода внутренней энергии от одного тела к другому, т. е. только после появления разности температур. Один из способов вычисления количества тепла в равновесном процессе связан с использованием понятия энтропии (см. формулу (10)). Другой способ связан с понятием теплоемкости C рабочего тела в процессе:

 (12)

где  - средняя удельная теплоемкость в интервале температур , Дж/(кг К).

 Пример 3. Вычислить среднюю изобарную теплоемкость воздуха в пределах 200-800 оС. Из зависимости (12) следует, что

 (13)

 По таблицам для воздуха средняя теплоемкость   кДж/(кг К),  кДж/(кг К).

 Расчет по формуле (13): .

 Приближенное вычисление средней теплоемкости:

 (14)

 По таблице А2,  кДж/(кг К),  кДж/(кг К).

 Расчет по формуле (14): .

 Работа понимается как количество энергии направленного движения, передаваемое от одного тела к другому; при этом происходит перемещение тела как целого. Например, при расширении газа в цилиндре происходит перемещение поршня. В технической термодинамике обычно рассматривается механическая работа изменения объема тела. Так, работа расширения тела массой 1 кг при изменении его объема от  до  в равновесном процессе:

 (15)

где - давление внешней среды, равное по условию равновесности процесса давлению внутри системы.

 Работа реального процесса расширения  всегда меньше из-за работы сил вязкого трения (диссипации энергии ) внутри системы, т. е.

. (16)

 Таким образом, теплота и работа не являются параметрами состояния, а только результатом определенных процессов.

 2 Основные законы термодинамики

 Первый закон термодинамики. Согласно всеобщему закону сохранения и превращения энергии, энергия не исчезает и не возникает, она лишь переходит из одного вида в другой в различных процессах. Поскольку энергия подводится или отводится через границу системы только в форме тепла Q и работы L, то изменение полной энергии системы в термодинамическом процессе (с учетом правила знаков)

 (17)

 При условии постоянства внешней энергии Евнеш изменение полной энергии тела равно изменению его внутренней энергии и поэтому для тела массой 1 кг

 (18)

 В дифференциальной форме, с учетом зависимостей (16) и (17), аналитическое выражение закона имеет вид

 (19)

где - элементарно малое количество тепла; - элементарно малое количество диссипируемой энергии внутри системы.

 Вторая форма закона может быть получена исходя из понятия энтальпии (7): т.к.  с учетом (19), получим

 (20)

 Второй закон термодинамики. Первый закон характеризует процессы преобразования энергии с количественной стороны и дает все необходимое для составления энергетического баланса системы. Однако он не дает никаких указаний относительно возможности протекания того или другого процесса. Между тем далеко не все процессы реально осуществимы.

 Второй закон термодинамики устанавливает существующую в природе направленность всех естественных процессов: любой реальный самопроизвольный процесс протекает всегда в определенном направлении необратимо и не может без затраты энергии осуществляться в обратном направлении.

 Так же как и первый, второй закон сформулирован на основе опыта, который подтверждает, что все естественные процессы, позволяющие вырабатывать необходимую энергию, осуществляются всегда в определенном направлении: от более высокого потенциала к более низкому. Например, работу в этих процессах можно получать до тех пор, пока не наступит полное равновесие рассматриваемой системы (равенство температур, равенство давлений и т.д.). Противоестественный процесс можно осуществить только в том случае, если затратить дополнительную энергию в форме тепла или работы.

 Налагая ограничения на все процессы, II закон лимитирует также и связанные с ними преобразования энергии: не всякий вид энергии может быть полностью преобразован в любой другой вид энергии. Так, в отличие от работы, как формы передачи энергии направленного движения, теплота не может быть полностью преобразована в любой вид энергии направленного движения, например, в круговом процессе (цикле) теплового двигателя.

 Таким образом, обобщение особенностей теплоты, появляющихся при ее передаче и превращении, включая определение возможной максимальной работы системы, является содержание II закона термодинамики.

 Энтропия S, как параметр состояния, позволяет сформулировать количественно II закон. Так как диссипация энергии ψ в реальном процессе проявляется в форме тепла диссипации, то элементарное изменение энтропии в квазиравновесном приближении процесса, согласно (10), можно представить в виде

. (21)

 По II закону энтропия системы S увеличивается даже при протекании реального процесса в адиабатной системе (), поскольку вследствие необратимости, обусловленной диссипативными явлениями, энтропия в системе производится. По этой причине представляется оправданным разделение изменения энтропии  на две части: на энтропию , переносимую через границы системы с теплом, и на энтропию , произведенную в системе, т.е.

. (22)

 В отличие от энтропии системы s, переносимая sq и производимая sH энтропии не являются параметрами состояния, а относятся к характеристикам процесса.

 Основное уравнения термодинамики. Объединим выражение (19), (20) и (21), получим

. (23)

 Это уравнение, называемое термодинамическим тождеством, используется в расчетах термодинамических свойств тел по уравнению состояния. Например, для идеального газа в результате интегрирования (23) получим

  (23)

На главную