Работа и теплота в равновесных процессах

РАБОТА И ТЕПЛОТА В РАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССАХ [c.37]

В предыдущих главах исследовались исключительно состояния термодинамического равновесия различных термодинамических систем там, где шла речь о процессах, последние предполагались равновесными, т. е. сводились в конечном счете к последовательности состояний равновесия, проходимых рассматриваемой термодинамической системой. Такой подход является достаточным для многих важных задач, так как позволяет, во-первых, выявить общие связи, существующие между различными свойствами тел, и, во-вторых, выяснить особенности разных равновесных обратимых процессов изменения состояния тел, в частности, определить работу и теплоту процесса. [c.331]

Подчеркнем, что при неравновесном процессе невозможно выразить количество работы и теплоты через параметры состояния системы не только потому, что параметры состояния становятся неопределенными при нарушении равновесного состояния в системе, но и потому, что часть энергии, переданной окружающей средой термодинамической системе в одном виде, воспринимается системой в ином виде. [c.47]

Термодинамическим процессом называется изменение состояния термодинамической системы, которое происходит в результате обмена энергией в виде работы и теплоты. Ранее было показано, что методами термодинамики могут быть рассчитаны только равновесные процессы, в ходе которых система изменяет свое состояние без нарушения внутреннего равновесия. При этом в каждый момент времени в течение процесса параметры состояния системы удовлетворяют уравнению состояния р р, V, Т). [c.71]

В гл. 3 мы отмечали, что второе начало термодинамики устанавливает, во-первых, общую закономерность превращения теплоты в работу и, во-вторых, выражает специфические закономерности как обычных, так и необычных систем. Общая закономерность превращения теплоты в работу в обоих случаях систем состоит в том, что при таком превращении в замкнутом круговом процессе часть теплоты непременно отдается рабочим телом другим телам. Этот (первый) элемент компенсации, который в случае обычных систем совпадает со вторым элементом компенсации (изменением термодинамического состояния других тел), приводит к существованию энтропии у равновесной системы (см. 13). Отсюда следует, что второе начало, сформулированное Каратеодори, не изменяется вблизи каждого состояния любой термически однородной системы существуют такие состояния, которые недостижимы из него адиабатным путем. Это означает, что у всякой равновесной системы в состоянии с отрицательной абсолютной температурой (как и в случае обычных систем) существует энтропия как функция ее состояния [c.142]

При переходе рабочего тела из неравновесного состояния в равновесное, максимум работы будет получен тогда, когда процесс изменения состояния рабочего тела обратим. Для определения максимальной работы рассмотрим расширенную изолированную систему, состоящую из рабочего тела (источника работы) и окружающей среды. Для того чтобы рабочее тело(система) пришло в равновесие со средой, необходимо изменить внутреннюю энергию за счет отвода или подвода теплоты или же за счет совершения работы, так как по первому закону термодинамики [c.184]

Цикл реального теплового двигателя, в котором процессы подвода теплоты к рабочему телу и отвода теплоты от него рассматриваются как внутренне равновесные, несмотря на необратимый характер теплообмена между рабочим телом и источником теплоты, а все остальные процессы считаются обратимыми, называют теоретическим циклом. В тепловых двигателях в работу превращается теплота. Поэтому в формуле (8.1) для КПД вместо JЕ И Js удобнее писать количество подводимой и отводимой за цикл теплоты (/j и отнесенные к единице массы рабочего тела. [c.509]

Для более детального выяснения смысла работы против давления окружающей среды и значимости этой работы в термодинамическом анализе рассмотрим три равновесных процесса расширения (рис. 2.4). На дне цилиндра (рис. 2.4,а) налито небольшое количество воды, объемом которой можно пренебречь по сравнению с объемом цилиндра. При подводе теплоты вода начинает превращаться в пар, объем которого намного больше объема воды , и поршень поднимается, совершая работу против давления окружающей среды ро- Эта работа соответствует площади прямоугольника высотой ро с основанием Va (конечный объем) на р—ц-диаграмме. Объем Vк можно принять сколь угодно большим, ибо после превращения всей воды в пар последний будет продолжать расширение при подводе теплоты. [c.24]

Таким образом, идеально равновесным и обратимым можно считать бесконечно медленный процесс. Если говорить о процессе расширения или сжатия без теплообмена (цилиндр с поршнем в адиабатной оболочке), когда работа производится за счет внутренней энергии, то при необратимом (быстром) изменении объема часть внутренней энергии уйдет на работу против сил трения в газе (завихрения) и внешняя работа поршня будет меньше при расширении и больше при сжатии. Этот эффект называют внутренней необратимостью или диссипацией (рассеянием) энергии. Он обладает четко выраженной направленностью та часть механической работы, которая совершается против сил трения, переходит в теплоту, обратный самопроизвольный процесс [c.47]

Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть [c.26]

Доказательство существования энтропии, построенное на постулате Томсона, также содержит в своей основе факт существования энтропии. Однако постулат Томсона утверждает невозможность получения работы без переноса теплоты откуда можно делать обратный вывод невозможен равновесный процесс передачи тепла между телами с различной температурой, без совершения работы. Однако последнее не вполне очевидно, и как известно, есть результат анализа цикла Карно. Исходное же положение Томсона — это безусловная опора на многолетний практический опыт, и по своему содержанию является более логичным в применении к циклу Карно, нежели постулат Клаузиуса. [c.44]

ФУНКЦИЯ СОСТОЯНИЯ в термодинамике—ф-ция независимых параметров, определяющих равновесное состояние термодинамической системы. Ф. с. не зависит от пути (характера процесса), приведшего систему в данное равновесное состояние (то есть Ф. с, не зависит от предыстории системы, см. Причинность). К Ф. с. относятся потенциалы термодинамические, энтропия и т. п. Работа и кол-во теплоты, значение к-рых определяется видом процесса, изменившего состояние системы, не являются Ф. с. [c.385]

Переход теплоты от одного тела к другому невозможен без перепада температур, точно так же как и передача энергии в виде работы от тела к телу не может быть осуществлена без действия давления одного тела на другое (на рис. 18, а эти давления передаются через поршень), поэтому при протекании равновесных процессов допускаются бесконечно малые перепады температур между рабочим телом и источником теплоты, а также бесконечно малые перепады усилий между рабочим телом и источником работы. Такой процесс должен протекать бесконечно медленно, т. е. в течение бесконечно большого промежутка времени. Неравновесные же процессы протекают в конечные промежутки времени, и их течение может быть охарактеризовано конечными скоростями. [c.56]

Возвращаясь теперь к понятию обратимости процессов, следует отметить, что мерой необратимости процесса в изолированной системе является изменение новой функции состояния — энтропии. При процессах, например с трением, работа непосредственно может быть превращена в теплоту но при обратном процессе переход теплоты в работу невозможен без изменения во внешних телах. Следовательно, процессы с трением необратимы. Такими же необратимыми процессами являются процессы теплопередачи (обратный процесс связан с отнятием части теплоты у холодного тела и некомпенсированного превращения его в работу, которую надо затратить на увеличение энергии нагретого тела), процессы диффузии и др. Поскольку любой равновесный процесс обратим, можно говорить, что любой необратимый процесс неравновесен. [c.266]

Часто равновесные процессы называют обратимы-м и. Этим хотят подчеркнуть, что если равновесный процесс провести в обратном направлении, то при этом система будет проходить через ту же цепь равновесных состояний, через которую она проходила в прямом процессе. Количества теплоты и работы в обратном процессе будут теми же, что и в прямом, но противоположного знака. После проведения равновесного процесса в пря- [c.50]

Обратимыми называются такие термодинамические процессы, которые могут быть проведены как в прямом направлении (например, расширение) так и в обратном (сжатие) через одну и ту же последовательность промежуточных состояний с возвращением в исходное состояние как самого рабочего тела, так и окружающей среды. Обратимый процесс должен быть равновесным и происходить без трения и вихреобразования, для того чтобы работа не превращалась необратимо в теплоту. Так как в природе все процессы неравновесны, то следовательно, они и необратимы. [c.12]

Подобные равновесные процессы изменения состояния газа, изучаемые в термодинамике, являются также обратимыми, т. е. такими, при которых рабочее тело проходит через одни и те же промежуточные равновесные состояния как в прямом, так и в обратном направлении, и никаких изменений в рассматриваемой изолированной системе, состоящей из источника теплоты, рабочего тела и приемника механической- энергии, после окончания процесса не происходит. Следовательно, в процессе сжатия газа затрачивается столько же работы, сколько ее получается при расширении, и от газа отводится столько же теплоты, [c.23]

Рассмотрим принципиальные отличия неравновесных процессов от равновесных на примере расширения газа в цилиндре под поршнем (рис. 3.8), получающего теплоту bq от источника с температурой Т"] и совершающего работу против внешней силы Р, действующей на поршень. [c.26]

В предшествующем изложении основное внимание уделялось функциям состояния в связи с возможностью описывать множество термодинамических свойств равновесной системы, опираясь на ограниченный набор независимых переменных. Не меньшим достоинством термодинамического метода является возможность связать между собой различные состояния интересующей системы с помощью характеристик процессов — функций процессов. Используемые в термодинамике функции процессов — это количество теплоты и работа. [c.38]

Это неравенство указывает на отдачу системой за цикл количества теплоты 8(2 за счет произведенной над ней работы. Такой круговой процесс не противоречит второму началу и, следовательно, возможен только при нестатическом адиабатном возвращении системы из состояния 2 в /. Действительно, если бы процесс 2—/ был равновесным, то весь цикл был бы обратимым проводя его в обратном порядке, получаем формулу (3.4), что противоречит второму началу (см. задачу 3.37). [c.56]

Второе. Подобно тому, как изменение удельного объема является обязательным условием совершения (или затраты) деформационной работы, изменение удельной энтропии является обязательным условием подвода (или отвЪда) теплоты. И наоборот, только вследствие подвода (или отвода) теплоты может происходить изменение удельной энтропии в равновесных процессах. [c.35]

Как и в случае прямых циклов, наиболее совершенным обратным циклом является цикл Карвю, т. е. цикл, состоящий из двух равновесных изотермных и двух равновесных адиабатных процессов (рис 146, б). В обратном цикле Карно рабочее тело термодинамической системы в процессе /-2 получает теплоту в количестве Q от источник теплоты, имеющего температуру Т. Количество полученной теплоты эквивалентно пл I 122. Затем в результате адиабатного сжатия i) процессе 2-3 температура тела повышается до температуры, на беско нечно малое значение, превышающее температуру Т" приемника теп лоты в окружающей среде. Это дает возможность произвести отво теплоты от рабочего тела к приемнику теплоты в равновесном изотерм ном процессе 3-4. Количество теплоты Q", передаваемое при этом ок ружающей среде, эквивалентно пл. 432. В последующем процессе равновесного адиабатного расширения рабочего тела 4-1 его темпера тура вновь понижается до температуры низшего источника теплоты Т, после чего цикл повторяется. В процессах 4-1 и 1-2 рабочее тело совершает некоторую работу, а в процессах 2-3 и 3-4 требуется подвод работы для сжатия рабочего тела. Итоговое количество энергии, под- [c.339]

Работу ракетного двигателя можно представить в виде последовательности квазиравновесных процессов, таких как нагревание топлива, его горение, расширение продуктов сгорания до давления истечения из сопла. Особенность их состоит в зависимости химического состава продуктов сгорания от условий проведения процесса. Термодинамика позволяет рассчитать равновесный молекулярный состав газов на каждом из этапов работы двигателя, если известны необходимые свойства исходных веществ и продуктов сгорания. В итоге удается отделить термодинамические задачи от газодинамических и оценить удельную тягу двигателя при заданном топливе или, не прибегая к прямому эксперименту, подобрать горючее и окислитель, обеспечивающие необходимые характеристики двигателя. Другой пример — расчет электропроводности низкотемпературной газовой плазмы, являющейся рабочим телом в устройствах для магнитно-гидродинамического преобразования теплоты в работу. Электропроводность относится к числу важнейших характеристик плазмы она пропорциональна концентрации заряженных частиц, в основном электронов, и их подвижности. Концентрация частиц может сложным образом зависеть от ис- ходного элементного состава газа, температуры, давления и свойств компонентов, но для равновесной плазмы она строго рассчитывается методами термодинамики. Что касается подвижности частиц, то для ее нахождения надо использовать другие, нетермодипамические методы. Сочетание обоих подходов позволяет теоретически определить, какие легкоионизирующиеся вещества и в каких количествах следует добавить в плазму, чтобы обеспечить ее требуемую электропроводность. [c.167]

Несмотря на то чю между понятиями работы и количества теплоты существует глубокое качественное различие, они являются родственными и то и другое выражают энергию, переда1Н1ую системе или с изменением, Hjm без изменения внешних параметров. Благодаря этому родству теплоту часто называют термической работой. Элементарное количество теплоты 8g, получаемое системой при равновесных процессах, может быть записано, подобно элементарной работе, в виде произведения обобщенной силы Т (температуры) на изменение обобщенной координаты S (энтропии) [c.29]

Первое положение второго начала указывает на невозможность с помощью замкнутого кругового процесса превратить теплоту в работу без компенсации. Понятие компенсации, как видно из его определения, содержит отдачу части теплоты рабочим телом другим телам и изменение термодинамического состояния этих других тел при превращении теплоты в работу в замкнутом круговом процессе. В случае обычных, наиболее распространенных систем О ба эти элемента компенсации совпадают, так как отдача части теплоты рабочим телом другим телам при. круговом процессе в этом случае безвозвратна и автоматически влечет изменение термодинамического состояния этих других тел. В случае спиновых систем эти элементы компенсации не совпадают, вследствие чего с помощью спиновых систем теплоту какого-либо тела можно цели.ком превратить в работу с помощью кругового процесса без изменения термодинамического состояния других. тел. Однако такое превращение, как и в случае 0 быч1ных систем, обязательно сопровождается отдачей части теплоты рабочим телом другим телам. Эта общая закономерность (общий элемент компенсации) превращения теплоты в работу лриводит к существованию энтропии как у обычных, так и необычных равновесных систем. [c.43]

Рассмотрим круговой процесс изменения состояния термодинамической системы (рис. 1.9), заключающийся в переходе от начального состояния к некоторому состоянию 2 по пути ]—а—2 и возвращении от состояния 2 к исходному состоянию 1 по другому пути 2—Ь—1 состояния / и 2 предполагаются равновесными. Каждый из указанных переходов обратим (в общем случае переходы могут быть и необратимыми). Допустим, что термодинамическая система является закрытой и двухпараметрической, вследствие чего равновесное состояние ее определяется двумя независимыми параметрами. При обратимом процессе, определяемом условием X = onst, элементарная работа dL и элементарное количество теплоты dQ согласно (1.16) и 1.21) [c.30]

Определим максимальную работу. При этом необходимо учесть, что не вся работа изменения объема может быть использована, так как часть ее совершается против давления окружающей среды. Необходимо подсчитать, следовательно, полезную работу которая для элементарного обратимого процесса равна с11 = = йр—Шг (см. 5) или с учетом выражения (3.55) (Ип = Т(15—с11г. Обратимый переход системы из произвольного начального состояния в состояние равновесия с окружающей средой можно совершить двумя процессами обратимым адиабатным расширением (сжатием) до температуры Го и последующим изотермическим отводом (подводом) теплоты при бесконечно малой разности температур Г—Го-> 0 равновесность второго процесса очевидна, в первом же процессе имеет место конечная разность давлений р—ро- Для снятия этого ограничения необходимо соединить с расширяющейся системой устройство, воспринимающее полезную работу, например груз переменной массы (рис. 3.10). В началь- [c.78]

При равновесных процессах оказывается нозможмым выразить элементарщяе количества теплоты и работы через параметры состояния термодинамической системы в виде произведений (24) и (35). [c.33]

Если известна функциональная зависимость обобш,енных сил и теплоемкостей от внешних параметров и температуры, то совершенная системой работа и полученная теплота в ходе равновесного процесса могут быть вычислены по формулам (9.7) и (9.8). В частности, для идеального газа зависимость давления от объема и температуры выражается уравнением Менделеева — Клапейрона, а изохорическая и изобарическая теплоемкости являются постоянными величинами. Отсюда следуют известные формулы для теплоты и работы при различных процессах. [c.66]

Неравноценность теплоты и работы как различных процессов изменения энергии системы подчеркивается в выводе о направленности перехода теплоты от нагретого тела к холодному и о неполном превращении теплоты в работу. Отсюда следует вывод об особом положении внутренней энергии тел во-первых, нельзя всю энергию перевести в другР1е виды во-вторых, в конечном счете все виды энергии переходят во внутреннюю, в известной мере обесцениваясь, так как замкнутая система стремится к равновесному состоянию (а для превращения внутренней энергии в другие виды необходимо неравновесное состояние). [c.79]

Следовательно, количества теплоты и работы должны определяться через параметры состояяня окружающей среды (Г и ). Таким образом, возникает очевидное затруднение необходимо исследовать процессы в термодинамической системе, применяя параметры, которые относятся к окружающей среде. Эта трудность преодолевается термодинамикой введением представления о равновесном процессе. При равновесном процессе, когда разница в температурах и давлениях между системой и окружающей средой бесконечно мала, нарушения равновесного состояния в системе не возникают. [c.48]

В этом уравнении Л о представляет собой работу, совершаемую единицей рабочего тела при прохождении его через систему. Как указывалось, эта работа достигает максимального значения е в том случае, если процесс в системе протекает термодинамически обратимо и доходит до равновесного состояния с окружающей средой. Для случая, когда имеется лишь один внешний источник теплоты и им является сама окружающая среда, обратимое протекание процесса может быть следующим. Сначала рабочее тело расширяется обратимо по адиабате и его температура понижается до температуры окружающей среды Го. После этого процесс обратимого расширения продолжается по изотерме при температуре Гд с поглощением из окружающей среды теплоты и падением давления до р - При таком протекании процесса левая часть уравнения (11.16) должна быть равна нулю, так как на адиабатном участке йд = О, а на 1ыотермическом участке Г = Го. Поэтому максимальное значение Л о может быть представлено равенством [c.180]

Нри непрерывной работе всех агрегатов в камере сгорания обеспечивается сжигание топлива при р = onst и такие установки называют проточными. Отдав в турбине больщую часть своей энергии, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу, унося с собой теплоту qj. Так что и здесь в действительности нет замкнутого циюга. Идеализируя картину, это отвод тепла заменяют равновесным изобарным процессом, замыкая тем самым цикл. [c.45]

Для образования начального очага воспламенения необходим мая тепловая энергия обеспечивается запальными приспособлениями, а при развитии процесса сгорания свежие порции топлива получают необходимую тецлоту от образующихся продуктов сгорания. Для этого в камере сгорания должна быть зона обратных токов, наличие которой приводит к подсасыванйю раскаленных продуктов сгорания к движущейся топливовоздушной струе. Подсосанный горячий газ способствует непрерывному поджиганию свежих порций топливовоздушной смеси. Высокая степень циркуляции в зоне обратных токов (она захватывает зоны смесеобразования и сгорания) создает условия, приближающиеся к условиям работы гомогенного реактора. В этом случае выход токсичных компонентов — несгоревших углеводородов СссНу и окиси углерода СО сохраняется на постоянно низком равновесном уровне до тех пор, пока коэффициент избытка воздуха а не достигнет предела обеднения смеси. В этом случае выделяющейся при сгорании теплоты недостаточно для интенсивного подогрева обедненной топливовоздушной смеси, что приводит к снижению температуры реакции окисления, скорость которой замедляется, и вследствие ограниченного времени пребывания топлива в Камере процесс сгорания вообще может не закончиться в ее пределах. Это привходит к химическому недожогу в виде СО и механическому В- виде СжН, . [c.108]

ФУНКЦИЯ состояния в термодинамике, функция независимых параметров, определяющих равновесное состояние термодинамич. системы. Ф. с. не зависит от пути (хар-ра процесса), следуя к-рому система пришла в рассматриваемое равновесное состояние (т. е. не зависит от предыстории системы). К Ф. с. относятся, в частности, характеристические функции системы (внутр. энергия, энтальпия, энтропия и др.). Работа и кол-во теплоты не явл. Ф. с., т. к. их значение определяется видом процесса, в результате к-рого система изменила своё состояние. [c.835]

В процессах равновесного теплообмена энтропия выполняет, следовательно, роль обобш,енной координаты, а температура — обобщенной силы для элемента количества теплоты. Надо заметить, что расшифровка отдельных составляющих (6.3) основана на возможности использовать для работы то или иное конкретное выражение, которое получается из физических, но не одних термодинамических законов и представлений о системе. Усложнение системы, т. е. повышение ее вариантности, не меняет выражений для частных производных, полученных для более простых систем, поскольку эти частные производные находятся при условии постоянства всех переменных, кроме той, по которой ведется дифференцирование. Так, если выделить из суммы в (6.23) слагаемое, описывающее изменение энтропии [c.54]

Неравенство (3.54) уже использовалось в частном случае работы при равновесном и неравновесном расширении газа (см. 5 здесь оно установлено на основании второго начала в общем случае для любых неравновесных процессов. Из формулы (3.54) видно, что если система равновесно перешла из состояния 7 в 2 без совершения работы (8И =0), то осуществить переход системы из / в 2 неравновесно без совершения работы (8И нр = 0) невозможно. Поэтому при процессах перехода системы равновесно и неравновесно из одного состояния в другое без совершения работы затрачиваемые при этом соответствующие количества теплот 52 и 52нр нельзя сравнивать, так как конечные состояния при таких переходах будут разные. Забвение этого следствия второго начала может привести к ошибкам (см. задачу 3.39). [c.76]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...