title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — итог многовекового опыта человеческой практики и самых точных измерений ученых — имеет несколько формулировок. Одна из наиболее ярких следующая: нельзя построить машину, которая создавала бы работу (АА) из ничего (вечный двигатель невозможен). Чтобы обеспечить постоянную работу машины необходимо подводить к ней тепло (AQ).
Математическое выражение первого закона имеет следующий вид: AQ = AU + АА. Изменение количества тепла в системе AQ равно приращению ее внутренней энергии AU и работе против внешних сил АЛ. Условно считают положительной работу, во время которой система отдает энергию во внешнюю среду.
Изменение внутренней энергии системы зависит только от ее состояния, определяемого параметром T, и не зависит от пути перехода от одного состояния к другому. Для постоянного количества газа U зависит только от T. Выполняемая системой работа зависит от пути перехода. Следует заметить, что первый закон рассматривает использование только того тепла, которое осталось (отведено) в системе. Вопросы о способе подвода тепла и его полном количестве первым законом не решаются. Далее рассматривается использование только AQ и не принимаются во внимание величины Q1 (подведенное тепло) и Q2 (тепло, отведенное от системы): AQ = Q1 - Q2.
Оставшееся (отведенное) в нашем распоряжении тепло AQ может быть получено при самых различных значениях Q1 и Q2. Рассмотрим основные практически важные процессы.
Изобарный процесс. Газ расширяется при постоянном давлении. Очевидно, что для этого газ надо нагревать. Можно для 1 моля газа записать: исходное состояние PV1 = RT1; конечное состояние PV2 = RT2.
Вычитая исходное из конечного, получаем P (V2 — V1) = R (T2 — T1), но R = Cр — Cv; тогда PAV = CpAT — CvAT или CpAT = CvAT + PAF.
Произведение CpAT — полное количество тепла, полученное системой, CvAT — увеличение внутренней энергии, равное теплоемкости при постоянном объеме на прирост температуры; PAV — внешняя работа. Внешняя работа положительна, когда газ нагревают.
Изохорный процесс. Объем системы остается постоянным. Произведение PAV = 0, так как AF = 0. Все подведенное к системе тепло затрачено на увеличение внутренней энергии: AQ = AU = CvAT.
Увеличение внутренней энергии газа в данном процессе учитывается ростом температуры и давления.
Изотермический процесс. Подвод тепла в этом случае будет способствовать расширению газа. Давление и объем меняются, но, поскольку T = C, они остаются связанными законом Бойля — Мариотта PV = RT = const.
Из условия постоянства температуры следует, что внутренняя энергия газа остается постоянной. Все подведенное тепло превращается в работу. Внешняя работа в этом случае равна 2,3 RTxlg V2/V1. Здесь V2 — конечный, V1 — исходный объемы газа. Отношение V2 : V1 можно заменить на равное ему P1 : P2.
Адиабатический процесс. В этом случае нет подвода тепла Процесс совершается за счет изменения внутренней энергии системы. Если при этом газ расширяется, то он совершает внешнюю работу и эта работа равна CvAT.
Расширение газа используют для его глубокого охлаждения на кислородных станциях. Для определения работы адиабатического процесса выведено несколько уравнений, из которых мы даем наиболее простое:

Здесь k = Cp : Cv. Для двухатомных газов k = 1,41. Поскольку для адиабаты PVk = const, то далее можно определить все параметры состояния газа.
Политропические процессы. В производственных процессах обычно имеют дело с изменениями состояния газа, протекающими в смешанном режиме, состоящем из суммы четырех типовых процессов. Такие процессы называют политропическими. Например, не удается провести идеальный адиабатический процесс. Всегда происходит некоторый обмен теплом с внешней средой, хотя и очень незначительно изменяется температура во время изотермического процесса. Поэтому при очень точных расчетах следует пользоваться уравнением адиабаты в виде
PVn = const.

При n = 1 это уравнение переходит в уравнение изотермы, при n = k — в уравнение адиабаты.

title-icon Подобные новости