Термодинамика - теория тепловых явлений, в которой не учитывается атомно-молекулярное строение тел. Для описания явлений в термодинамике используются понятия термодинамическая система и термодинамический процесс.
Совокупность технических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами называется изолированной термодинамической системой.
Любое изменение, происходящее в термодинамической системе, называется термодинамическим процессом.
Тело, как система из составляющих его частиц, обладает внутренней энергией. Согласно молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия - это сумма потенциальной энергии взаимодействующих частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения.
Кинетическая энергия беспорядочного движения частиц пропорциональна температуре, потенциальной энергии взаимодействия и зависит от расстояний между частицами, то есть от объёма. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия тела определяется как функция его макроскопических параметров, например - температуры и объёма (Т, V).
U = U ( T; V ) (1.1)
Где:
U - внутренняя энергия.
Одним из основных законов физики, установленном на основе опытов и наблюдений, является закон сохранения и превращения энергии: при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остаётся постоянной U = const.
-
Внутренняя энергия идеального газа
Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, то внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетической энергий хаотичного теплового движения всех его молекул. Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Следовательно, при изменении температуры идеального газа обязательно изменится его внутренняя энергия. Используя уравнение идеального газа можно получить выражение для вычисления его внутренней энергии
U = 
PV (1.2)
Таким образом, внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна произведению давления на объём.
Существуют 2 способа изменения внутренней энергии:
-
теплопередача; -
совершение механической работы.
Внутренняя энергия тела может изменятся только в результате взаимодействия с другими телами. При механическом взаимодействии тел мерой энергии переданной от одного тела к другому является работа (А). При осуществлении передачи тепла мерой энергии является количество теплоты (Q).
Совершение механической работы называется макроскопическим способом передачи энергии, а теплопередача - микроскопическим.
1.2. Первый закон термодинамики.
Рис. 1.1 Схема взаимодействия тел в изолированной термодинамической системе.
Рассмотрим 3 тела: 1, 2, 3. Пусть между телом 1 и 2 осуществляется теплопередача, а между 1 и 3 - механическое взаимодействие. При передаче теплоты внутренняя энергия тела 2 изменится на U2 = -Q. Внутренняя энергия тела 3 изменится на U3 = -А. В результате теплопередачи и механической работы внутренняя энергия каждого из 3-х тел изменится, но в изолированной термодинамической системе по закону сохранения и превращения энергий внутренняя энергия остаётся постоянной, значит U1 + U2 + U3 =0. Следовательно, изменение внутренней энергии тела1 равно сумме изменений внутренней энергии тел 2 и 3.
U1 = Q + A. (1.3)
Это выражение закона сохранения и превращения энергии является первым законом термодинамики.
В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии равно разности между полученным количеством теплоты и работой совершенной системой.
Из первого закона термодинамики следует вывод, что создание вечного двигателя невозможно, так как любая машина может совершать работу над внешними телами только за счёт полученной извне количества теплоты или уменьшения своей внутренней энергии.
1.3 Уравнение состояния идеального газа.
Используя молярную газовую постоянную уравнение состояния идеального газа имеет следующий вид:
PV = mRT/M (1.4)
Где:
PV – произведение давления газа на объем.
m – масса вещества.
R – малярная газовая постоянная.
T – температура.
М – молярная масса.
-
Изопроцессы в газах.
Данное уравнение показывает, что возможно изменение 5 параметров характеризующих состояние идеального газа, но многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно реализовать приближенно как процессы, в которых изменяется лишь 2 параметра из 5. Особую роль в физике и технике играют 3 процесса : изотермический, изохорический, изобарный.
1.3.2. Изотермический процесс
Протекает при постоянной температуре. Из уравнения состояния идеального газа (1.4) следует, что при постоянной температуре и неизменном значении массы газа и его молярной массы произведение давления газа на объём должны оставаться постоянным PV= сonst. Изотермический процесс можно осуществлять, например, путём изменения объёма при постоянной температуре.
Г
Рис. 1.2 График изотермического процесса.
рафик изотермического процесса называется изотермой и имеет вид гиперболы.
Изотерма, изображенная в прямоугольной системе координат, по оси ординат которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс – его объем, является гиперболой (1.2).
1.3.3. Изохорный процесс
Это процесс, протекающий при постоянном объёме V и условии m = const и М = const. Уравнение изохорного процесса имеет вид:
P = P0
T (1.5)
Р0 - давление газа при t=0; Р - давление газа; а (альфа) - температурный коэффициент газа = 1/273 К (в степени -1)
График уравнения изохорного процесса называется изохорой. (Исследование зависимости давления от температуры провёл Шарль). Можно осуществить, например нагреванием воздуха при постоянном объеме.
Рис. 1.3 График изохорного процесса Рис. 1.4 График изобарного процесса.
1.3.4 Изобарный процесс
Это процесс, протекающий при неизменном давлении Р и условии m = const и М = const.
V = V0 T (1.6).
График зависимости называется изобарой. Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат, по оси ординат которой отсчитывается объем газа, а по оси абсцисс – его абсолютная температура, является прямой, проходящей через начало координат (Рис. 1.4).
2. ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.
2.1 Потребление энергии.
Основным источником энергии используемой различными машинами в промышленности, на транспорте и в быту являются различные виды химического горючего. Около 90% энергии человечество получает за счет сжигания угля, нефти и газа. Среднее потребление энергии на одного жителя земли составляет около 170 млн. Дж в сутки. Физически развитый человек может совершить за рабочий день полезную работу около 1 млн. Дж. Тепловые машины выполняют работу в сотни и тысячи раз больше. Основное назначение большинства применяемых машин – превращение энергии топлива в механическую работу, которая далее может превращаться в электрическую и другие виды энергии.
следующая страница>