Теоретические основы теплотехники - 8 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

мендовать только учебные пособия [2] или [3], поскольку в большинстве учебников и пособий это изла-
гается несколько по-другому, на основе подхода, предложенного Р. Клаузиусом.
1.1.2 Первый закон термодинамики в общем виде
Отыщи всему начало, и ты многое поймешь
К. Прутков
ервый закон термодинамики устанавливает количественные соотношения при трансформации различ-
ных форм энергии друг в друга. Пусть некоторая термодинамическая система (см. рис. 1.1) обладает
способностью совершать одновременно несколько видов взаимодействий с окружающей средой, на-
пример, механическое, тепловое, химическое и др. В результате такого сложного взаимодействия, при
котором из среды в систему (или наоборот) передаются потоки энергии разных видов ∆Е
1
, ∆Е
i
, …, ∆Е
n.
.
Энергия системы, будем называть ее внутренней энергией, изме-
нится на величину ∆U. В соответствии с законом сохранения энер-
гии (энергия не исчезает и не возникает вновь, количество ее всегда
остается постоянным) сумма всех изменений энергии равняется ну-
лю. Поэтому
.0
0
=∆+∆
∑
=
n
i
i
EU (1.1)
К сожалению, формулу (1.1) нельзя использовать в инженерной
практике, ибо не поддаются измерениям входящие в нее величины.
Действительно, величину U невозможно измерить, потому что из-
вестно лишь философское определение энергии и нет ее инженер-
ного определения (определены лишь отдельные формы энергии).
Величины ∆Е
i
невозможно измерить потому, что не оговаривается однозначно окружающая среда (из-
вестна лишь одна ее граница – контрольная поверхность). Так что при попытке реализовать формулу
(1.1) мы попадаем в деликатную ситуацию, знакомую из детской сказки: "Пойди туда, не знаю куда, из-
мерь то, не знаю что".
Чтобы определиться, введем понятие о количестве воздействия данного рода
i
Q∆ , называя так ко-
личество энергии определенного вида, полученное (или отданное) системой при взаимодействии со
средой. Согласно такому определению
ii
EQ ∆−=∆ . Поскольку система описана однозначно, считается,
что любые измерения в ней возможны, включая и те, которые позволяют определять величины
i
Q∆ . Те-
перь формула (1) принимает вид
0)( =∆−+
∑
=
n
i
i
QdU
1
или
∑
=
∆=
n
i
i
QdU
1
. (1.2)
Обычно в термодинамике проводится анализ бесконечно малых взаимодействий, поэтому от конеч-
ных приращений U∆ и
i
Q∆ перейдем к бесконечно малым dU и
i
Q∆ . Тогда формулу (1.2) перепишем так
∑
=
=
n
i
i
QddU
1
(1.3)
и сделаем заключение: изменение внутренней энергии определяется суммой количеств воздействий, со-
вершенных при взаимодействии. На ряде простых примеров рассмотрим, как определяются количества
воздействия
i
Qd при различных видах взаимодействий.
Первый пример (см. рис. 1.2): пружина, нагруженная внешней силой F
н
. Здесь потенциалом является
сила F
н
, а координатой – величина линейной координаты х. Если внешний потенциал F
н
изменить на не-
которую величину dF, то произойдет механическое взаимодействие, при котором координата х изменится
на величину dx (см. рис. 1.2, б). При таком взаимодействии количество воздействия – это механическая
работа, совершаемая пружиной:
средняя сила путь
[
]
[
]
.,
)(,)(,
в
ввннмех
dFdxdxF
dxdFFFdxdFFFdLQd
50
5050
+=
=++=++−=−=
К
онтрольная поверхность
∆
U
1
Q∆
i
Q∆
n
Q∆
∆E
1
∆E
i
∆E
n
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
Окружающая среда
Термодинамическая
система
Рис. 1.1 Сложное взаимо-
действие межд
у
ок
ру
жаю-
П

Страницы