Теоретические основы теплотехники - 10 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

расположенный в окружающей среде, расширительный элемент (например, цилиндр с поршнем, турби-
ну и др.), механическое устройство, приемник тепла в окружающей среде (см. рис. 1.5). Вещество, за-
полняющее систему, называют рабочим телом. Обычно в качестве рабочего тела используются воздух,
газовые смеси в идеальногазовом состоянии, водяной пар, пары различных органических соединений и
т.п. Обладая хорошей сжимаемостью и большим тепловым расширением, они являются термодинами-
чески благоприятными по сравнению с другими жидкими или твердыми веществами.
Источник и приемник тепла могут работать непрерывно или периодически, и это позволяет с помощью
термомеханической системы реализовать различные виды машин. Пусть, например, рабочее тело получает
от источника Q
1
тепла, а отдает приемнику Q
2
, несколько меньшее, чем Q
1
. Тогда разница Q
1
– Q
2
пойдет на
нагрев рабочего тела. В результате теплового расширения рабочего тела давление в цилиндре будет возрас-
тать, создавая силу, которая переместит поршень несколько вправо. При этом система совершит работу, ко-
торая с помощью механического устройства передается в окружающую среду. Таким образом, мы смодели-
ровали работу теплового двигателя, с помощью которого тепло трансформируется в работу.
Термомеханическая система позволяет реализовать и обратную трансформацию. Представьте, что
источник и приемник тепла первоначально были отключены (Q
1
= Q
2
= 0). Если с помощью механиче-
ского устройства подвести к системе работу, так, чтобы поршень переместился влево, сжимая рабочее
тело, то в результате взаимодействия внутренняя энергия и температура рабочего тела возрастут. Вклю-
чим теперь приемник тепла и позволим рабочему телу охлаждаться до первоначальной температуры.
Тогда рабочее тело отдаст приемнику Q
2
тепла, а его внутренняя энергия получит прежнее значение.
Значит, нам удалось преобразовать подведенную работу в тепло.
Таким образом, термомеханическая система позволяет трансформировать тепло в работу (и наобо-
рот).
Потенциалами такой системы являются -р и Т, а координатами, соответственно V и S. Первый закон
термодинамики (формула (1.4)) в этом случае запишется так
.pdVTdSdU
−
=
(1.5)
Или в сокращенной форме
,dLdQdU
−
=
(1.6)
где dQ и dL – обозначения тепла и работы за элементарный процесс взаимодействия.
Последняя формула позволяет легко понять и ту, известную из школьного курса физики, формули-
ровку, которая утверждает невозможность вечного двигателя. Действительно, чтобы двигатель работал
вечно, внутренняя энергия его рабочего тела не должна изменяться (т.е. у вечного двигателя dU =
0). Тогда видно, что не подводя тепла (dQ = 0), мы не получим и работы (dL = 0 – 0 = 0). Ту часть тер-
модинамики, которая изучает процессы в термомеханических системах, называют технической термо-
динамикой, подчеркивая тем самым значение полученных в ней выводов и расчетных методик для
очень многих технических устройств.
1.1.4 Внутренняя энергия газа
Э
нергию, заключенную в системе, ранее мы назвали внутренней и представляем ее как сумму всех видов
энергии, которой обладают все частицы, заполняющие систему. Говоря о газах, хотя в определенной
мере это приемлемо и для жидкостей, и для твердых тел, отметим, что величина U определяется кине-
тической энергией молекул E
кин
при их поступательном, вращательном и колебательном движениях, а
также энергией межмолекулярного силового взаимодействия – потенциальной энергией молекул Е
пот
:
поткин
EEU
+
=
.
Кинетическая энергия молекул зависит от средней скорости движения и массы молекул, которые
пропорциональны, соответственно, макропараметрам Т и р (температура и плотность) газа. Величина
Е
пот
зависит от среднего расстояния между молекулами и их массы; межмолекулярное расстояние при
прочих равных условиях определяется давлением газа р. Поэтому можно записать
),(
кин
ρ
=
TfE
1
и ),(
пот
ρ
=
pfЕ
2
,

Страницы