ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Изотермический процесс из "Техническая термодинамика " Исследование состояний устойчивого равновесия тел, каждое из которых определяется экстремумом соответствующей данным условиям характеристической функции, указывает на существование следующего совершенно общего правила под воздействием внешних сил, выводящих термодинамическую систему из равновесия, в ней развиваются такие процессы, которые всегда стремятся ослабить результаты внешнего воздействия. Это правило носит название п р и н ц и п а смещения равновесия Ле-Шателье — Брауна. [c.150] Принцип смещения равновесия имеет более ограниченное значение, чем второе начало термодинамики, поскольку он указывает лишь направление изменения в равновесной системе под воздействием внешних сил, тогда как на основе второго начала термодинамики можно определить не только направление, но и саму величину изменения. Принцип смещения равновесия основывается на устойчивости исходного состояния равновесия и поэтому применим не к любым системам и не ко всем возможным внешним воздействиям, а только к тем случаям, когда налицо определенная степень устойчивости начального состояния. Тем не менее принцип смещения равновесия представляет самостоятельный интерес, поскольку с его помощью без каких-либо дополнительных данных, как это требуется для применения второго начала термодинамики, удается сразу качественно указать направление изменения состояния системы. [c.150] Проиллюстрируем применение принципа смещения равновесия на примере соотношения теплоемкостей ср и . Если тело нагревается при ПОСТОЯННОМ давлении и ему сообщается количество тепла, которого было бы достаточно для повышения температуры тела на 1 град при постоянном объеме, то при возможности изменения объема тело согласно принципу смещения равновесия будет расширяться при нагре-каиии так, чтобы уменьшилась степень нагрева, в результате чего его температура повысится не на 1 град, а меньше. Из этого следует, что теплоемкость Ср всегда больше теплоемкости с . Таким образом, превышение величины Ср над v будет наблюдаться как для тел, у которых объем с повышением температуры при постоянном давлении увеличивается, так и для тел с уменьшением объема при повышении температуры в тех же условиях. [c.150] Пользуясь принципом смещения равновесия, можно определить, как должна изменяться температура тела при адиабатическом сжатии его. Согласно принципу смещения равновесия при адиабатическом сжатии тела температура будет изменяться таким образом, чтобы препятствовать сжатию его. Но у большинства тел объем прп нагревании увеличивается, поэтому ослабление адиабатического сжатия будет достигаться в том случае, если температура возрастет. Таким образом, все тела, которые при нагревании расширяются, в случае адиабатического сжатия нагреваются, а у тел, которые при нагревании сжимаются (например, вода при О и 4°С), адиабатическое сжатие будет сопровождаться их охлаждением. [c.151] Из принципа смещения равновесия непосредственно вытекает положительный знак теплоты испарения г (и плавления) и производной dpsldTs от давления насыщенного-пара над жидкостью по температуре. [c.151] В самом деле, согласно принципу смещения равновесия при нагревании тела с ним всегда происходит такой процесс, который стремится уменьшить это нагревание. Поэтому если фазовый переход происходит при нагревании, как это имеет место при испарении и плавлении, то развиваются процессы, стремящиеся уменьшить нагревание, т. е. поглотить тепло, откуда и следует, что теплота испарения и плавления будет иметь положительный знак. [c.151] Чтобы показать, что величина dpJdTs всегда положительна, предположим, что произошло повышение давления паровой фазы. Тогда согласно принципу смещения равновесия должны возникнуть процессы, способствующие уменьшению объема, занимаемого жидкостью и паро-М. Так как объем жидкости меньше объема пара, то уменьшение объема всей двухфазной системы будет происходить за счет конденсации пара в жидкость. Таким образом, повышение давления вызывает переход паровой фазы в жидкую, в результате чего за счет выделяющейся при конденсации пара теплоты г температура жидкости и пара увеличится, т. е. dT Q и, следовательно, aps/dTa будет иметь положительный знак. Температура кипения жидкости, таким образом, всегда возрастает с давлением. [c.151] Основная задача термодинамического исследования состоит в анализе СВОЙСТВ тел в состоянии равновесия, а также тех процессов, которые происходят с телами вследствие внешнего энергетического воздействия. Подлежащими определению величинами являются конечное состояние тела, достигаемое в результате процесса, произведенная работа и количество переданного в процессе тепла. [c.151] Исходя из данных о действительном механизме процесса, всегда можно схематизировать каждый из реальных процессов так, чтобы сделать возможным его полный термодинамический анализ. Важно отметить, что для вычислений работы и количества тепла, составляющих главное приложение технической термодинамики, не обязательно знать все особенности кинетики реального процесса. Вполне достаточно, чтобы наряду с внешними условиями, в которых протекает процесс, были известны конечные и, само собой разумеется, начальные состояния всех участвующих в процессе тел. [c.152] Фуйкции состояния и, 1, S, F, Ф, Э, частные производные. которых, как было показано в 4-1, определяют физические свойства тел, позволяют проводить термодинамическое исследование любых как обратимых, так и необратимых процессов. Использование дифференциальных уравнений термодинамики, связывающих частные производные функций состояния с термическими параметрами и их производными, весьма упрощает это исследование. [c.152] Анализ обратимых процессов представляет собой сравнительно простую задачу. Заметим, что изменение состояния тела в любом обратимом процессе, а также производимые в результате процесса работа и количество переданного тепла вполне определяются, если известна одна из характеристических функций тела или, что эквивалентно, уравнение состояния и теплоемкость тела v (либо Ср). [c.152] В отличие от обратимых процессов при анализе необратимых процессов по известному аналитическому выражению одной из характеристических функций тела или уравнению состояния данного тела и зависимости для теплоемкости v или Ср могут быть определены не сама произведенная работа L или L и поглощенное тепло Q, а лишь разность L—или и— Q, равная согласно (2-8) и (2-9) убыли энтальпии или внутренней энергии тела. Только если Q или L равняются нулю, как это имеет место в адиабатическом и предельно необратимом процессах, отсюда может быть найдено также значение L или Q. В самом общем случае для раздельного определения Q и L или L нужно знать характеристические функции как самого тела, так и окружающей среды и их изменение в рассматриваемом необратимом процессе. [c.152] Применение термодинамических потенциалов U, 1, F, Ф, Э для анализа процессов изменения состояния тела и определения производимой при этом работы и количества полученного телом тепла представляет собой наиболее общий метод термодинамического анализа. Общность и эффективность этого метода связаны с тем, что знание хотя бы одного из термодинамических потенциалов позволяет определить как термическое, так и калорическое уравнения состояния тела, г следовательно, и все основные термодинамические свойства тела и характеристики происходящего с ним процесса. [c.152] С помощью этих соотношений сравнительно просто могут быть вычислены искомые характеристики и особенности исследуемого процесса или явления. [c.153] Для лучшего уяснения сущности термодинамического анализа, а также иллюстрации методов, в частности метода термодинамических потенциалов и метода циклов, ниже приводятся некоторые конкретн ш примеры термодинамического анализа различных физических явлений и процессов. [c.153] Во всех приводимых ниже расчетах предполагается, что состояние тела характеризуется двумя независимыми параметрами. [c.153] Термодинамический анализ различных физических явлений и процессов состоит в использовании обобщенных термодинамических соотношений, выраженных через обобщенные внешние параметры и силы. [c.153] Покажем на примере следующих, существенно различающихся по своей физической природе явлений деформации упругого твердого тела, процессов в гальваническом элементе, теплового излучения, как осуществляется термодинамический анализ. [c.153] Вернуться к основной статье