ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 1
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Если два параметра состояния тела заданы, то третий вычисля ется с помощью уравнения состояния. Значит, на графике, где по одной оси откладывается один параметр (скажем, давление), а по другой оси — второй параметр (скажем, объем), состояние тела совершенно однозначно характеризуется изображающей точкой. 2
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Необходимо, правда, добавить, что, прибегая к графическому изображению состояния, мы молчаливо подразумеваем, что состоя ние тела является равновесным. Только в этом случае значения параметров состояния во всем объеме системы будут оди наковы и можно будет говорить о температуре, давлении, плотности и т. д. всего тела (системы) как целого. 3
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Может возникнуть вопрос: о каких же процессах идет речь, если рассмотрению подлежат равновесные состояния? Ответ состоит в следующем: если процесс идет достаточно медленно, то значения па раметров состояния во всем объеме можно считать одинаковыми. Та кой процесс является как бы непрерывной последовательностью рав новесных состояний. Он является обратимым 4
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Это зна чит, что любой процесс, изображенный графически, можно мыслить проведенным в обе стороны. Процесс, состоящий из последователь ных равновесий, может быть проведен от состояния 1 к состоянию 2, а затем от состояния 2 к состоянию 1 через те же промежуточные состояния и при этом в окружающей среде никаких изменений не произойдет. 5 Обратимый процесс является процессом
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Лю бой еальный процесс в той или иной степени р необратим, в зависи мости от того, сколь далеки промежуточные состояния процесса от равновесных. Необратимость реальных процессов понятна даже и интуитивно. Примеры просты и знакомы каждому: остывание тела в более холодной среде, возвращение к покою сжатой и отпущенной пружины, самопроизвольное 6 переме шивание двух газов и т. д.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Обратные процессы не могут происходить сами по себе, не могут являться единственными процессами, проис ходящими в замкнутой системе. Любой реальный процесс не состоит из последовательных равно весий, в нем неизбежно имеют место явления, подобные перечис ленным. Значит, проводя этот процесс в обратную сторону, мы ни когда не сумеем провести его в точности через те же состояния. 7
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов При сжатии газа, если оно происходит с достаточной скоростью, давле ние газа в слоях, прилегающих к поршню, будет повышенным. При обратном процессе – расширении газа – давление около поршня будет, наоборот, пониженным. 8
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Несмотря на то, что обратимые процессы являются идеализиро ванными, их изучение представляет большой интерес, так как в очень многих случаях различия между реальными и обратимыми процессами незначительны. Все зависит от времени релаксации – так называется время, в течение которого устанавли вается равновесие. 9
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Это время меняется в очень широких пределах, начиная от времен выравнивания давления в однородном газе (~10 16 с) до времен порядка минут, часов и даже недель, когда речь идет о процессах перемешивания разнородных веществ. Предположим, что мы сжимаем газ и при этом весь процесс за нимает у нас одну секунду. Время релаксации – это ничтожные доли секунды. 10
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Поэтому мы вправе считать, что реальный процесс есть последовательность равновесных состояний, и поэтому имеем право изобразить его линией на графике р, v или ином аналогичном чертеже. То же относится и ко всем другим процессам, у которых время релаксации мало по сравнению с временем измерения. 11
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Ознакомимся с видом линий, изображающих простейшие про цессы. ы М будем пользоваться графиком с координатами давление – объем В технической термодинамике употребительны и другие координаты, однако нам нет нужды на них останавливаться. 12
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Вертикальная линия 1 на таком графике изображает процесс при постоянном объеме. Если изображающая точка движется снизу вверх, то давление растет, в обратном случае давление падает. Ясно, что в этом процессе происходит «не видное» на нашем чертеже изме нение температуры. 13
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Горизонтальная линия 2 есть процесс при по стоянном давлении (изобарический процесс). Слева направо – расширение. Обратное движение изображающей точки соответствует сжатию. Кривая, помеченная цифрой 3, соответствует расши рению, сопровождающемуся па дением давления. 14
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Кривая 4 — это расширение, несмотря на воз растающее давление. Изменение температуры в любом процессе может быть вычислено с помощью уравнения состояния. В большинстве термодинами ческих процессов одновременно меняются все параметры состояния. 15
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение процессов Тем не менее можно выде лить ряд простейших, но в то же время практически важных явлений. К ним относятся уже упомя нутые выше процессы при постоянном объеме (изохорический), при постоянном давлении (изобарический), а также процесс, проис ходящий без теплообмена (адиабатический), и процесс, идущий при постоянной температуре (изотермический). 16
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы В механике пользуются чаще всего работой, представленной как произведение силы на путь. В термодинамике нас обычно интересует работа изменения объема тела. На рисунке изображены контуры тела в двух состояниях. Объем тела изме нился от v 1 до v 2. 17
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы Полную работу изме нения объема можно рассматривать как сумму работ, затраченных на сме щения элементов площади d. S на путь dl. Если действующие силы 18
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы • 19
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы • 20
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы Мы приняли, что положительной является работа, отдаваемая телом во внешнюю среду, т. е. работа расширения. Соответственно работа сжатия будет отрицательной. Если в результате какого либо процесса тело переводится из состояния 1 в состояние 2, а затем по тому же пути переходит в начальное состояние, то полная работа такого процесса будет, ра зумеется, равняться нулю : 21
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы работа расширения, отдаваемая внешним телам, равна работе сжатия, отдаваемой внешними телами рассма триваемой системе. Однако совсем иначе будет обстоять дело тогда, когда пути «туда» и «обратно» будут различаться. Процессы, в кото рых тело возвращается в исходное состояние иным путем, называ ются циклическими. 22
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы На рисунке изображены два цикла и стрелками указано направление процессов. Один из них проходит по часовой стрелке, а другой – против. 23
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы Процесс, идущий слева направо, расширение, значит в цикле, проходящем по часовой стрелке, ра бота расширения больше работы сжатия. 24
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы В этом случае работа от дается во внешнюю среду. Очевидно, при цикле, протекающем про тив часовой стрелки, к рассматриваемой системе 25 поступает извест ное количество работы.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Работа. Циклы Работа, полученная или отданная за время цикла, выражается его площадью (заштрихована на рисунке). 26
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Мы рассмотрим закономерности четырех простейших процессов изменения состояния газов, при этом в большинстве случаев ограни чимся газами, удовлетворяющими уравнению газового состоя ния. Мы увидим сейчас, что, зная уравнение состояния вещества, можно с помощью первого начала термодинамики вывести ряд ценных следствий о поведении тела в различных условиях. 27
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 28
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Возможны два явления: 1) тело получает от среды тепло и увеличивает свою внутреннюю энергию; 2) тело отдает среде тепло, уменьшая свою внутреннюю энергию. Количество тепла, необходимое для увеличения температуры тела на один градус при неизменном объеме тела, называется теплоемкостью при постоянном объеме и обозначается буквой с с ин дексом : v 29
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 30
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 31
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 32
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Изобарический процесс. Все три слагаемые, фигурирующие в пер вом начале , в этом процессе отличны от нуля. Система обменивается со средой теплом и работой без изменения давления в системе. Наиболее распространенный вариант этого процесса заключается в том, что тело получает из среды тепло, но не обращает его целиком на увеличение своей внутренней энергии, а частично возвращает в среду уже в виде механической 33 работы.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 34
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 35
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 36
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Изотермический процесс. Прежде всего необходимо, во избежа ние путаницы, подчеркнуть, что неизменность температуры вовсе не означает отсутствия теплообмена между системой и средой. Система может получать тепло от среды, но обращать его не на повышение температуры. Как хорошо известно, внутренняя энергия тела может возрастать при неизменной температуре (вспомните плавление льда). 37
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Кроме того, имеется еще одна возможность для газовых процессов: получая тепло от внешней среды, система может отдавать его во внешнюю среду обратно, но в виде ме ханической работы. Оба способа расходования тепла при изотермическом процессе вполне возможны: получая тепло, газ рас ширяется без нагрева и, во первых, отдает работу внешней среде, а во вторых, использует тепло на изменение потенциальной энергии взаимодействия молекул. 38
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов В случае идеальных газов, у которых внутренняя энергия зависит только от температуры и, следовательно, в изотермическом процессу меняться не может, первое начало приобретает особенно простой вид Так как d. U = 0, то DQ = DА. Следовательно, либо система расширяется, получая тепло от внешней среды, либо, наоборот, система сжимается, отдавая внешней среде тепло, а от внешних тел по лучая энергию в виде еханической работы. м 39
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 40
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 41
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Практическое осуществление изотермического процесса может оказаться затруднительным. Для того, чтобы процесс был хотя бы приближенно изотермическим, стенки со суда, через которые вещество сообщается со средой, должны быть идеально теплопроводящими и вести процесс следует очень медленно, чтобы тепло (или работа) успевало возвращаться среде в виде работы (или тепла), не задерживаясь в системе. 42
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Адиабатический процесс. При отсутствии теплообмена со средой, что может быть достигнуто при помощи условий, в некотором роде обратных по сравнению с изотермическим процессом (идеальная теплоизоляция и быстрое проведение процесса, чтобы тепло не успело перейти из системы в среду или обратно), происходят явления адиабатического сжатия или расширения. 43
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов В первом случае в соответствии с первым началом термодинамики, которое теперь запишется в виде pdv = – d. U, d. U механическая работа переходит во внутреннюю энергию. Вo втором случае наоборот, работа производится за счет убыли внутренней энергии рассматриваемой системы. 44
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов В трех процессах, рассмотренных ранее, ход изменения давления, объема и температуры был довольно очевидным, а для газов сразу же вытекал из уравнения состояния. В адиабатическом процессе характер изменения параметров состояния не очевиден, так как все три параметра состояния изменяются. Совместное решение двух уравнений – уравнения состояния газов и первого начала тер модинамики – позволяет становить эти у 45 зависимости.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 46
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 47
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Из этого уравнения видно, что при адиабатическом сжатии темпе ратура возрастает, а при расширении – падает. Этим обстоятельством часто пользуются на практике. Быстрое расширение газов применяется тогда, когда хотят их охладить. Известно, что углекис лый газ, выпущенный из баллона, может при расширении обра щаться в сухой лед, настолько сильно падает температура. 48
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Напро тив , адиабатическим сжатием можно воспользоваться, например, для воспламенения какого либо вещества. Распространен демон страционный опыт: ватка, смоченная эфиром, помещается в сосуд с воздухом. Воздух может быть сжат поршнем. При быстром движе нии поршня ватка воспламеняется. 49
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 50
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Сравнивая это уравнение с законом Бойля – Мариотта, имеющим место в изотермическом процессе, мы видим существенные различия в характере изменения давления при сжатии или расширении. В изо термическом расширении или сжатии остается неизменным произве дение v а pv, p в адиабатическом процессе – произведение pvg. Так как g > 1, кривая, изображающая адиабатический процесс на графике (коротко – адиабата), идет круче, чем изотерма. 51
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов При изменении объема вдвое в изотермическом процессе давле ние возрастает вдвое; в адиабатическом процессе давление меняется более резко. Напри мер, для большинства вух д атомных газов, у которых g = 1, 4, при изменении объема вдвое давление изменится в 2, 63 раза. 52
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Мы уже подчеркнули, что оба процесса носят идеальный харак тер и что для создания идеальных условий этих процессов требования обратны. Поэтому ясно, что газовые процессы, происходящие в реальных условиях, дадут кривые, промежуточные между адиабатой и изотермой. Нетрудно дать наглядное объяснение различию в ходе адиабаты и изотермы. При адиабатическом сжатии газ нагревается. 53
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Поэтому при одном и том же сокращении объема давление возрастает в ади абатическом процессе больше – ведь нагревание при постоянном объеме ведет к повышению температуры. Как видно из графика, работа изотермического рас ширения больше работы адиабатического расширения. Напротив, работа изотермического сжатия меньше работы адиабатического сжатия. Это, разумеется, для тех случаев, когда начальные точки процессов совпадают. 54
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов • 55
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Измерение теплоемкостей газов. Казалось бы, проще всего опре делить теплоемкость газа, заполнив испытуемым газом сосуд и по грузив этот сосуд в калориметр. Однако точность и достоверность такого измерения будет чрезвычайно низкой, поскольку теплоемкость газа исключительно мала по сравнению с теплоемкостью сосуда, из какого бы твердого материала он ни был сделан. Поэтому измерения теплоемкости газа при постоянном объеме не 56 производятся.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Измеряют теплоемкость при постоянном давлении. Для этой цели через калориметр пропускается змеевик, в котором под постоянным давлением движется газ. При помощи термоэлемента измеряется температура газа при входе в калориметр и при выходе. Газ, входящий в калориметр после предварительного нагревания, передает часть своего тепла воде. 57
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Зная количество газа, протекшего через сосуд за какое то определенное время, и количест во тепла, полученное водой калориметра за тот же самый срок, мы без труда найдем теплоемкость газа при постоянном давлении ср, деля это количество тепла на массу протекшего газа и на разность температур газа при входе и выходе. Для определения теплоемкости при постоянном объеме пользу ются отношением теплоемкостей – коэффициентом Пуассона g = cp/cv. 58
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Для определения g предлагалось много способов, часть из них основана на измерении объемов и давлений газа в последовательных состояниях при адиабатическом процессе. Можно восполь зоваться и другими уравнениями, связывающими теплоемкости, на пример соотношением, определяющим разность теплоемкостей ср и cv. 59
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процесс Джоуля – Томсона Так называется процесс перетекания газа через маленькое отверстие из области большего давления p 1 в область меньшего давления р2. Сосуд, в котором происходит процесс, теплоизолирован от окружающей среды. По условию процесса давления р1 и р2 должны поддерживаться неизменными. 60
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процесс Джоуля – Томсона Для этого оба поршня должны передвигаться вправо по мере перехода газа. Масса газа М, перешедшая слева направо, не сохраняет своего объема, а изменяет его с v 1 до v 2, поскольку переходит в область с другим давлением. Переход совершается действием левого поршня и противодейст вии правого. 61
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процесс Джоуля – Томсона Левый поршень совершает работу при посто янном давлении она равна p 1 Dv где Dv – изменение объ ема газа слева от перегород ки. Но объем слева изменился как раз на v 1 значит, работа левого поршня равна р1 v 1. Правый поршень совершает отрицательную работу, также равную произведению давле ния 2 на р приращение объема, которое равно здесь v 2. 62
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процесс Джоуля – Томсона Итак, при переходе массы М газа слева направо совершается ра бота 1 v 1 – p 2 v 2. Закон p сохранения энергии требует, чтобы на такую же величину изменилась внутренняя энергия газа. Следова тельно, U 2 – U 1 = p 1 v 1 – p 2 v 2. 63
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процесс Джоуля – Томсона Т. е. в процессе перехода газа из одного сосуда в другой величина U + pv (ее называют тепловой функцией, или энтальпией) остается неизмен ной. У идеального газа как U, так и pv зависят только от температуры. Значит, в процессе Джоуля – Томсона температура идеального газа остается 64 неизменной.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Иначе обстоит дело для реальных газов. Они могут как нагреваться, так и охлаждаться в процессе Джоуля – Томсона, в зависимости от характера сил вза имодействия между молекулами. Интересно, что при разных температурах один и тот же газ может вести себя различно. При вы сокой температуре газы в процессе Джоуля – Томсона нагреваются, при низкой – охлаждаются. 65
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Процессы изменения состояния газов Для употребительных газов известны точки инверсии – температуры, при которых эффект меняет свой знак. Температура инверсии кислорода и азота лежит выше ком натной температуры. Поэтому мы наблюдаем охлаждение воздуха в процессе Джоуля – Томсона как при комнатной, так и при более низких температурах. Температура инверсии водорода лежит при весьма низких температурах. Эффектом Джоуля — Томсона ниже температуры инверсии пользуются в технике сжижения газов. 66
Скачать презентацию ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Графическое изображение
11 Термодинамические процессы.pptx