Аналитическое выражение второго закона термодинамики. ЭнтропияСемченко 6-223 Проверил: профессор Манташов А.Т. ____________________ «____» _________2005г. Пермь Задание № 1 Вопрос № 2 Что понимают под нормальными физическими и нормальными техническими условиями состояния системы? Под этими состояниями понимают такое состояние системы, при котором значение температуры и давления равны, соответственно, Второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.). Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа: Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле. Каждый элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе или отводе теплоты dQ , сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии, но всегда при выполнении условия dQ = dU + dL и dq = du + dl , которое показывает, что без подвода теплоты ( dq =0) внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом. Интегрирование по замкнутому контуру дает: Элементарное количество теплоты можно рассматривать как подводимое ( dQ >0) и отводимое ( dQ от рабочего тела. Сумма подведенной теплоты в цикле | Q 1 |, а сумма отведенной теплоты | Q 2 |. Следовательно, L Ц = Q Ц =| Q 1 | - | Q 2 |. Подвод количества теплоты Q 1 к рабочему телу возможен при наличии внешнего источника с температурой выше температуры рабочего тела. Такой источник теплоты называется горячим. Отвод количества теплоты Q 2 от рабочего тела также возможен при наличии внешнего источника теплоты, но с температурой более низкой, чем температура рабочего тела. Такой источник теплоты называется холодным. Таким образом, для совершения цикла необходимо иметь два источника теплоты: один с высокой температурой, другой с низкой. При этом не все затраченное количество теплоты Q 1 может быть превращено в работу, так как количество теплоты Q 2 передается холодному источнику. Условия работы теплового двигателя сводятся к следующим: - необходимость двух источников теплоты (горячего и холодного); - циклическая работа двигателя; - передача части количества теплоты, полученной от горячего источника, холодному без превращения ее в работу. В связи с этим второму закону термодинамики можно дать еще несколько формулировок: - передача теплоты от холодного источника к горячему невозможна без затраты работы; - невозможно построить периодически действующую машину, совершающую работу и соответственно охлаждающую тепловой резервуар; - природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным. Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики (так же как и первый), сформулирован на основе опыта. В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями наиболее общей формулировки. Что понимается под энтропией? Несоответствие между превращением теплоты в работу и работы в теплоту приводит к односторонней направленности реальных процессов в природе, что и отражает физический смысл второго начала термодинамики в законе о существовании и возрастании в реальных процессах некой функции, названной энтропией, определяющей меру обесценения энергии. Часто второе начало термодинамики преподносится как объединенный принцип существования и возрастания энтропии. Принцип существования энтропии формулируется как математическое выражение энтропии термодинамических систем в условиях обратимого течения процессов: Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М. Планка. В действительности принципы существования и возрастания энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип существования энтропии характеризует термодинамические свойства систем, а принцип возрастания энтропии – наиболее вероятное течение реальных процессов. Математическое выражение принципа существования энтропии – равенство, а принципа возрастания – неравенство. Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания энтропии – для суждения о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значение этих принципов также различно. В связи с этим принципы существования и возрастания энтропии рассматриваются раздельно и математические выражения их для любых тел получаются на базе различных постулатов. Вывод о существовании абсолютной температуры T и энтропии s как термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет основное содержание второго закона термодинамики и распространяется на любые процессы – обратимые и необратимые. Вопрос № 12 Каким образом задают газовую смесь? Состав газовой смеси может быть задан парциальными давлениями, массовыми или объёмными долями. Это необходимо для определения состава газовой смеси. Задание смеси парциальными давлениями. Массовую долю выражают через объёмную: Вопрос № 17 в чём смысл выражения уравнения Майера? Уравнение гласит: «Для любого газа разность между теплоемкостями при р = c о nst численно равна величине газовой постоянной этого газа». Оно имеет вид: Уравнение является одним из наиболее существенных в термодинамике. Задание № 2 Вопрос № 1 Дать определение термодинамического процесса. Изобразить процесс в pv и Ts координатах. Термодинамический процесс – это определённая последовательность изменения состояния рабочего тела системы при её взаимодействии с окружающей средой. Процесс бывает обратимым и необратимым, а также равновесным, т.е. протекающий с бесконечно малым отклонением состояния системы от равновесного. Вопрос № 11 Изотермический процесс и его особенности. Изотермическим называется процесс, протекающий при постоянной температуре. К его особенностям относится: изменение внутренней энергии и энтальпии равны нулю; внутренняя энергия газа в процессе не изменяется (всё тепло, подведённое к газу, идёт на совершение работы расширения). Вопрос № 16 Какие группы политропных процессов Вы знаете? Политропные процессы расширения можно разбить на три характерные группы: I группа процессов – для них характерным является то, что все процессы расширения идут с подводом тепла и увеличением внутренней энергии. Связь между теплотой, работой и внутренней энергией представлена на схеме. В группе процессов вся теплота идёт на совершение работы расширения и увеличение внутренней энергии. Работа процессов этой группы производится только за счёт уменьшения внутренней энергии. Кроме того, внутренняя энергия уменьшается вследствие отвода от системы теплоты. Вопрос № 9 Пояснить сущность конвективного теплообмена При конвективном теплообмене происходит процесс переноса теплоты от теплоносителя на поверхность омываемого им тела. Теплоносителем обычно выступает жидкость или газ. При определении теплоотдачи используют закон Ньютона о плотности теплового потока: Вопрос № 14 Поясните особенности лучистого теплообмена Лучистый теплообмен относится к самому распространенному в природе процессу переноса теплоты. Его природа основана на энергии фотонов, генерируемых в макрофизических телах при сложных молекулярных и внутриатомных процессах. Фотоны обладают волновыми и корпускулярными свойствами, скорость их распространения в вакууме 299790 км/с. Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое тело излучает и поглощает энергию при любой температуре, даже близкой к абсолютному нулю. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности. Лучистый теплообмен описывается простыми и строгими законами: Закон Планка – Спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела Вопрос № 20 Изобразите цикл паровой компрессорной машины Задание № 4 Вопрос № 5 Что понимается под степенью сжатия Д.В.С.? Под степенью сжатия понимается отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания. Обозначается E . Заданными в цикле являются параметры воздуха на входе в компрессор Р 1 , V 1 , T 1 , степень повышения давления Вопрос № 15 Почему для получения высоких давлений используют многоступенчатые поршневые компрессоры? Получение высокого давления в одноступенчатом поршневом компрессоре ограничено из-за наличия в цилиндре относительного вредного пространства, (объём между крышкой цилиндра и крайним верхним положением поршня) и температурой газа в конце сжатия Т 2 , которая не должна превышать температуры самовоспламенения смазки. Если принять Т 2 = 400 К, а Т 1 = 288 К, то при политропном сжатии воздуха с n = 1,25, получим допустимую степень сжатия одной ступени: Процесс отвода тепла идёт при постоянном давлении Р 2 , при этом температура уменьшается до температуры насыщения Т н , а пар изменяет состояние до степени сухости х = 0. После теплообменника в дроссельном устройстве снижается температура хладоагента до значения, меньшего температуры охлаждаемого тела. Давление рабочего тела дроссельным устройством снижается до давления Р 4 , что приводит к фазовому переходу хладоагента: он начинает испарятся с увеличением степени сухости. Поскольку газообразная часть хладоагента имеет температуру ниже его температуры инверсии, то при дросселирования температура пара снижается до Т 4 . Далее парожидкостная смесь поступает в испаритель И. В испарителе к хладоагенту при постоянном давлении Р 4 = Р 1 подводится тепло q 2 от охлаждаемого тела. Температура хладоагента не изменяется (происходит фазовый переход – выкипает жидкая фаза во влажном паре) до состояния, когда степень сухости пара достигнет значения х = 1. Образовавшийся пар вновь засасывается компрессором и цикл повторяется. Задание № 5 Вопрос № 3 Что такое влагосодержание? Под влагосодержанием понимается отношение массы пара во влажном воздухе к массе сухого воздуха в нём. Обозначают влагосодержание d : Вопрос № 11 Как рассчитывается тепловой баланс помещения? Вопрос № 19 Последовательность расчёта систем вентиляции Количество воздуха, подаваемого или удаляемое из помещения, определяют по избыткам вредных веществ, а именно – влаги и теплоты. Соответственно и расчёты начинают с составления баланса воздуха. Уравнение баланса вредных веществ имеет вид: Уравнение баланса влаги: Уравнение баланса полной теплоты в помещении: |