Политропный процесс

Политропным процессом называется любой произвольный процесс изменения состояния рабочего тела, происходящий при постоянной теплоёмкости с_п.

В политропном процессе dq=c_п·dT.

Для получения графика политропного процесса в p-v координатах будем придерживаться тех же рассуждений, что и при получении графика адиабатного процесса. Заменим в соотношениях, полученных при изучении адиабатного процесса, обозначение теплоёмкости с на с_п и обнаружим, что p·vⁿ=const, а . В дальнейшем всё, что написано об адиабатном процессе, можно распространить на описание политропного процесса, заменяя в выражениях k на n.

Покажем, что адиабатный процесс делит все процессы на две группы: на процессы, в которых теплоёмкость больше нуля, и на процессы, в которых теплоёмкость меньше нуля.

Так как , то можно записать

; ; ; .

Из последнего выражения видно, что при n>k c_п>0, а при k>n>1 c_п<0.

В заключение отметим, что все рассмотренные ранее процессы – это частные случаи политропного процесса.

При n=k имеем адиабатный процесс.

При n=0 имеем р₁·v₁⁰=р₂·v₂⁰, то есть изобарный процесс (p₁=p₂).

При n=1 имеем р₁·v₁= р₂·v₂, то есть изотермический процесс.

При n=∞; имеем или , что равносильно или , то есть изохорный процесс.

 

 

9 вопрос

 

Одно из основных – это первое начало термодинамики. Впервые было сформулировано еще в 19 веке. Фактически представляет собой закон сохранения энергии применительно к происходящим в макросистемах термодинамическим процессам. Кстати, часто именно при помощи этого постулата отрицается возможность существования вечного двигателя, так как для совершения работы необходимо извне сообщать системе дополнительную энергию. Согласно ему, в замкнутой изолированной системе значение энергии всегда остается неизменным.- Читайте подробнее на FB.ru: http://fb.ru/article/46441/pervoe-i-vtoroe-nachalo-termodinamiki

Второе начало термодинамики знакомо каждому с детства. Согласно ему, тепловая энергия может естественным образом передаваться только в одном направлении – от более нагретого тела к менее нагретому. К примеру, именно поэтому зимой на улице кажется холодно, так как температура окружающей среды ниже, чем у тела человека, что и вызывает теплоотдачу. Второе начало термодинамики является одним из самых известных. Одно из его следствий говорит о том, что вся внутренняя энергия системы не может быть полностью преобразована в полезную работу. Что интересно, второе начало термодинамики математически недоказуемо. Путем постановки множества опытов была выведена данная закономерность, впоследствии принятая за аксиому.- Читайте подробнее на FB.ru: http://fb.ru/article/46441/pervoe-i-vtoroe-nachalo-termodinamiki

10 вопрос

11 вопрос

Энтальпия
Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия — это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии — британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.
Количество энтальпии
Количество энтальпии вещества основано на его данной температуре. Данная температура — это значение, которая выбрано учеными и инженерами, как основание для вычислений. Это температура, при которой энтальпия вещества равна нулю Дж. Другими словами, у вещества нет доступной энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Данная температура у различных веществ разная. Например, данная температура воды — это тройная точка (О °С), азота −150°С, а хладагентов на основе метана и этана −40°С.

12 вопрос

Энтропия - процесс вырождения энергии, переход одного вида энегрии в другой. Например электрическая - в тепловую!

13 вопрос

Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия), совпадают.

Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла вмеханическую работу.

Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна

,

где — контур цикла.

C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать

.

Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно

.

Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния рабочего тела в термодинамическом цикле служат температура и энтропия.

 

14 вопрос

В термодинамике цикл Карно́; или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатическихи двух изотермических процессов^[1]. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником^[2].

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году^[3][4].

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно^[5].

15 вопрос

Обратный цикл Карно[править | править вики-текст]

В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно, состоящий из следующих стадий^[6][7]: адиабатического сжатия за счёт совершения работы (на рис. 1 — процесс В→Б); изотермического сжатия с передачей теплоты более нагретому тепловому резервуару (на рис. 1 — процесс Б→А); адиабатического расширения (на рис. 1 — процесс А→Г); изотермического расширения с отводом теплоты от более холодного теплового резервуара (на рис. 1 — процесс Г→В).

16 вопрос

Первая и вторая теоремы Карно[править | править вики-текст]

Основная статья: Теорема Карно (термодинамика)

Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно ^[8]. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно^[5]. Оно даёт верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности тепловых процессов.

17 вопрос

УРАВНЕНИЕ ОБРАЩЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЙ. СОПЛА И ДИФФУЗОРЫ

Изменения условий течения газа, вызывающие соответствующие изменения параметров состояния потока, называются воздействиями. Существует пять видов воздействий:
1. Геометрическое воздействие изменение величины проходного сечения канала вдоль потока.
2. Расходное воздействие — изменение массового расхода газа в канале путем вдува (отсоса) дополнительной массы через боковую поверхность.
3. Механическое воздействие — обмен механической энергией в форме технической работы между потоком газа и окружающей средой.
4. Тепловое воздействие — подвод (отвод) тепла в поток.
5. Воздействие трением — учет влияния реально существующих сил вязкого трения в рамках модели идеального газа.

Течение газа описывается следующими уравнениями:
1. уравнение непрерывности G = rсF;
2. уравнение энергии (уравнение 1-го закона термодинамики):
;
3. уравнение движения (Бернулли):
;
4. уравнение состояния идеального газа p=rRT;
5. число Маха М=с/а.
Проведя термодинамический анализ влияния перечисленных факторов на характеристики газового потока, Л.А. Вулис получил уравнение, которое получило название уравнение обращения воздействия.

.

Особенность этого выражения заключается в том, что знак его левой части изменяется при переходе значения скорости через критическое (M=1), поэтому характер влияния отдельных физических воздействий на газовое течение противоположен при дозвуковом и сверхзвуковом режимах. Воздействия, вызывающие ускорение (dc > 0 в дозвуковом по токе (M < 1) — сужение капала dF<0, подвод дополнительной массы газа dG > 0, совершение газом работы dlтехн > 0, трение dqтр>0 приводят к замедлению сверхзвукового потока; воздействия обратного знака (dF > 0; dG < 0; dlтехн < 0; dlтр; dq < 0), приводят к замедлению дозвукового потока и ускорению сверхзвукового. Отсюда следует важный вывод: под влиянием одностороннего воздействия величину скорости газового потока можно довести до критической, но нельзя перевести через нее.

18 вопрос

Процесс истечения газа из сопел можно рассматривать как адиабатический, т. е. происходящим без обмена теплотой с окружающей средой. Иногда это истечение газа совершается без производства внешней полезной работы (простое истечение газа), иногда же (в пульверизаторах, форсунках, пылеугольных горелках) истекающий газ производит работу раздробления жидкости на мелкие частички и сообщает уносимым частичкам скорость, равную скорости истечения газа.

19 вопрос

20 вопрос

21 вопрос

еальный (действительный) компрессор Реальные процессы, протекающие в компрессоре, отличаются от теоретических, в результате чего, как правило, снижается производительность и возрастают удельные энергозатраты. Отличия состоят в следующем. В цилиндрах реального компрессора имеется мертвый объем (мертвое пространство), образованный зазором между поршнем в ВМТ и доской клапанов, а также полостями в клапанах, соединенными с цилиндром. В ВМТ пар в мертвом пространстве имеет давление нагнетания; при движении поршня пар расширяется до давления всасывания, занимая объем части цилиндра, после чего только открывается всасывающий клапан. Объем, всасываемого из всасывающего трубопровода пара поэтому оказывается меньшим объема цилиндра ТПК, т. е.объемная производительность реального компрессора ниже, чем теоретического. В начале сжатия пар из-за теплообмена со стенками компрессора имеет температуру более высокую, чем во всасывающем патрубке. В ПК со встроенным электродвигателем этот вредный теплообмен относительно усиливается по причинам, указанным ниже (см. коэффициент подогрева). Процессы сжатия и обратного расширения пара из мертвого пространства протекают при переменных по ходу процессов показателях политроп вследствие сложных процессов теплообмена между паром в цилиндре и ограждающими его стенками. Наличие зазоров поршень — цилиндр и неплотностей в клапанах вызывает перетечки пара. Снижение производительности вызывается также выделением пара из масла, попадающего с паром в цилиндр, при нагреве на горячих стенках и особенно в случаях попадания в компрессор капелек жидкого хладагента (влажный «ОД). В паровом тракте, в основном в клапанах, из-за больших скоростей имеются существенные гидравлические сопротивления. Во всасывающих и особенно нагнетательных полостях наблюдаются колебания давления. В механизме движения компрессора и приводе масляного насоса расходуется дополнительная энергия. При расчете и анализе результатов испытаний реального компрессора влияние указанных факторов на отклонение от теоретических характеристик оценивается специальными коэффициентами — коэффициентом подачи и его составляющими, КПД и др.

22 вопрос

Циклы двигателей внутреннего сгорания

В качестве первого примера рассмотрим цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, к которому довольно близок действительный цикл работы, бензинового двигателя. Этот цикл представлен на рис. 1, где показано изменение давления p в цилиндре в зависимости от объема газа V. Для наглядности в нижней части рисунка схематически изображен цилиндр с поршнем. Диаметр цилиндра D, ход поршня Z. Пунктиром показано верхнее (ВМТ) и нижнее (НМТ) положения поршня. Объем камеры сгорания — V₂, а степень сжатия

ε = V₁/V₂.

Рис. 1. p—V- и T—S-диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Для определения теплового баланса необходимо знать количество подводимой Q_p и отводимой Q₀ теплоты. Так называемый термический коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле

η = (Q_p – Q₀)/Q_p.

Начнем наблюдать за ходом цикла на рис. 1 от точки 1, соответствующей нижнему положению (НМТ) поршня. При его движении вверх происходит адиабатическое сжатие вплоть до точки 2, соответствующей верхнему положению (ВМТ) поршня. От точки 2 до точки 3 при неподвижном поршне к газу подводится теплота Q_pV и давление газа растет. От точки 3 поршень передвигается к точке 4 (НМТ) и происходит адиабатическое расширение. На участке от точки 4 до точки 1 при неподвижном поршне теплота Q_0V от газа отводится к стенкам цилиндра. Заштрихованная площадь индикаторной диаграммы обозначает выполненную работу A_t.

Кроме описанной p—V-диаграммы на рис. 1 изображен тот же цикл в координатах температура Т — энтропия S.

Для нашего анализа достаточно определить, что понимается под величинами энтропии S. Энтропию невозможно измерить прямым путем, поэтому условимся, что если к веществу подводится теплота, энтропия растет, а при отводе от него теплоты — уменьшается. Диаграммы в координатах Т—S будут служить лишь для сравнения с циклом Карно, представляющим максимально достижимый по эффективности цикл.

Другой термодинамический цикл, у которого теплота подводится при постоянном давлении, изображен на рис. 2. Этот цикл наиболее близок к действительному циклу работы дизельного двигателя, прежде всего, при низких частотах вращения. Создав определенный закон подачи топлива, можно поддерживать максимальное давление в цилиндре при сгорании почти постоянным.

Рис. 2. p—V- и T—S-диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

По сравнению с предыдущим рисунком диаграмма на рис. 2 отличается тем, что после завершения хода сжатия в точке 2 впрыск топлива происходит при уже начавшемся ходе расширения таким образом, чтобы давление газов при сгорании оставалось постоянным вплоть до точки 3, после которой начинается адиабатическое расширение.

В действительности подвод теплоты не протекает лишь при постоянном объеме или только при постоянном давлении. К реальным условиям ближе всего цикл со смешанным подводом теплоты, изображенный на рис. 3. В этом случае подвод теплоты начинается в точке 2 после завершения сжатия, и количество теплоты QpV подводится при постоянном объеме до точки 2, 3, а дальнейшее ее поступление в количестве Q_pp происходит при постоянном давлений вплоть до точки 3. После этого от точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение.

Рис. 3. p—V- и T—S-диаграммы цикла со смешенным подводом теплоты

 

Рис. 4. p—V- и T—S-диаграммы цикла Карно

Описанные выше термодинамические циклы в действительности не выдерживаются. Для сравнения приведем еще цикл Карно (рис. 4), обеспечивающий максимальное использование подводимой теплоты. Этот цикл начинается, как и другие, с адиабатического сжатия от точки 1 до точки 2. На диаграмме T—S это адиабатическое сжатие изображено вертикальной прямой, так как энтропия при этом не изменяется, а повышается только температура от T₂ до T₁. В точке 2 начинается изотермический подвод теплоты, продолжающийся до точки 3. Так как температура не изменяется, то, следовательно, должен увеличиваться объем. На диаграмме T—S этот процесс изображен горизонтальной прямой при постоянной температуре T₁. Энтропия газа на этом участке увеличивается.

От точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение, изображенное на диаграмме T—S вертикальным отрезком 3—4. Затем следует отвод теплоты при постоянной температуре до точки 1. Работа, выполненная в этом цикле, на T—S-диаграмме показана прямоугольником 1—2—3—4 и представляет собой максимально возможное использование теплоты в диапазоне температур от T₁ до T₂. Однако реализовать на практике такой цикл невозможно.

В двигателе внутреннего сгорания после расширения газов из цилиндра вместе с ними отводится и содержащаяся в них теплота. В цилиндр затем поступает холодный воздух из окружающей атмосферы. У четырехтактного двигателя это достигается прибавлением такта выпуска и такта впуска, а у двухтактного — продувкой цилиндра при положении поршня в НМТ.

У газотурбинного двигателя сжатие и расширение газа протекает во вращающихся компрессоре и турбине. Давление газа в камере сгорания, если пренебречь потерями от завихрений, почти не меняется, так что давление на выходе компрессора практически равно давлению на входе турбины. Подробнее об этом рассказано в статье «Газотурбинный двигатель».

23 вопрос

Двигатели внешнего сгорания

Двигатель Стирлинга относится к двигателям с внешним сгоранием. Рабочее тело (воздух) получает теплоту не за счет прямого сгорания топлива в рабочем цилиндре, а путем ее подвода извне через стенки. Подробнее это рассмотрено в статье «Двигатель Стирлинга». Цикл со смешанным подводом теплоты (см. рис. 3) может служить и для оценки двигателя Стирлинга с тем исключением, что часть отводимой теплоты Q₀ при использовании регенератора снова возвращается в общее количество подводимой теплоты Q_p. Изменение давления в цилиндре реального двигателя существенно отличается от изменения давлений в термодинамическом цикле. Это вызвано тем, что сгорание топлива не происходит только в момент нахождения поршня в ВМТ или при постоянном давлении в начале хода расширения. Выпускные каналы открываются раньше, чем поршень достигает НМТ, и поэтому давление перед ней уже ниже того, которое было бы в НМТ поршня при закрытом канале. Сжатие также начинается лишь после закрытия впускного клапана, т. е. после НМТ. Однако для четырехтактных двигателей в представленных выше диаграммах термодинамических циклов не изображены процессы изменения давления при тактах впуска и выпуска, из-за наличия которых углы термодинамических циклов в действительных рабочих циклах значительно скруглены вблизи ВМТ и НМТ.

Поскольку здесь рассматривается только один практический вопрос — снижение расхода топлива при условии обеспечения эффективного и экономичного функционирования автомобиля, выше были изложены лишь основные принципы, необходимые для понимания циклов работы двигателей.

Для привода автомобиля ранее применялся паровой двигатель, о котором конструкторы не забывают и сегодня. Поэтому кратко поясним принципы работы паросиловой установки по циклу Ранкина.

Рис. 5. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина:

1 — паровой котел; 2 — перегреватель; 3 — паровой двигатель; 4 — конденсатор; 5 — питающий насос.

Схема такой установки изображена на рис. 5. В паровом котле 1 вода нагревается до точки кипения, а насыщенный пар поступает к пароперегревателю 2, в котором температура пара увеличивается. Перегретый пар далее поступает в паровой двигатель 3, цилиндр которого снабжен тепловой изоляцией, где происходит адиабатическое расширение пара и за счет этого совершается работа.

Отработанный пар из двигателя поступает в конденсатор 4, где конденсируется в воду. Вода из конденсатора при помощи питающего насоса 5 снова возвращается в паровой котел.

Полезная работа парового двигателя определяется разницей работ, совершаемых собственно паровой машиной и питающим насосом. Так как объем воды, подаваемой насосом в котел, незначителен по сравнению с объемом пара, выходящего из котла при постоянном давлении, то при низких значениях давления работа этого насоса весьма мала и ее можно не учитывать. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, где процесс сгорания топлива происходит непосредственно в рабочем цилиндре, паровой двигатель не имеет камеры сжатия (сгорания). Это явный выигрыш, поскольку камера сжатия — вредное пространство, которое должно быть минимальным.

Отрицательное свойство парового двигателя состоит в том, что теплота к рабочему телу подводится через металлическую стенку, которая должна иметь высокую термостойкость и прочность. Несмотря на то, что в настоящее время паровые котлы работают под давлением выше 10 МПа и при температуре пара 470 °C, величина температуры рабочего тела остается почти на 2000 °C меньше, чем в двигателе внутреннего сгорания. Минимальная температура T₂ может быть у сравниваемых циклов одинаковой, так как это практически температура окружающего воздуха. У парового двигателя с конденсатором легко достижимо значение T₂= 40 °C.

У хорошей паровой турбины КПД составляет примерно 34 % в сравнении с 40 % у двигателя внутреннего сгорания. Однако при использовании паровой турбины необходимо учитывать, что КПД котла составляет примерно 85 %, так что общий КПД паровой турбины в целом падает до 28,9 %. Топливо для котла дешевле нефтяных моторных топлив, так как в качестве него может использоваться уголь. Теплотворная способность угля, правда, меньше, чем нефти, однако если в качестве котельного топлива используют природный газ или мазут, то разница в затратах по сравнению с углем невелика.

 

24 вопрос

егенеративный цикл — цикл паротурбинной установки, в котором питательная вода до её поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагревупаром, отбираемым из промежуточной ступени паровой турбины. Подогрев реализуется посредством специального теплообменника - регенеративного подогревателя.

Значение цикла[править | править вики-текст]

Увеличение КПД при применении регенерации составляет 10-15 %. При этом экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления p₁ пара. Это связано с тем что с повышением p₁ увеличивается температура кипения воды, а следовательно повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве её отработанным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

 

25 вопрос

Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона — Менделеева.

Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе взаимодействуют между собой и занимают определенный объём. Состояние реального газа часто на практике описывается обобщённым уравнением Менделеева — Клапейрона:

где p — давление; V — объем; T — температура; Z_r = Z_r (p,T) — коэффициент сжимаемости газа; m — масса; М — молярная масса; R — газовая постоянная.

Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона — Менделеева.

Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе взаимодействуют между собой и занимают определенный объём. Состояние реального газа часто на практике описывается обобщённым уравнением Менделеева — Клапейрона:

где p — давление; V — объем; T — температура; Z_r = Z_r (p,T) — коэффициент сжимаемости газа; m — масса; М — молярная масса; R — газовая постоянная.

 

26 вопрос

Водяной пар — газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере.

Образуется молекулами воды при её испарении. При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление, называемоепарциальным.^[1] Оно выражается в единицах давления — паскалях. Водяной пар может переходить непосредственно в твёрдую фазу — в кристаллы льда. Количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 кубическом метре, называют абсолютной влажностью воздуха.

 

27 вопрос

Влажный воздух представляет собой механическую смесь сухого воздуха и водяного пара.

Влажный воздух называют ненасыщенным, если водяной пар находится в нем в перегретом состоянии, и насыщенным, если водяной пар в воздухе сухой насыщенный. Бывает пересыщенный влажный воздух, когда в нем кроме водяного пара присутствует капельная влага.

Состояние влажного воздуха характеризуется абсолютной влажностью, относительной влажностью и влагосодержанием.

 

28 вопрос

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

рассматривает взаимосвязи между работой и энергией применительно к химическим превращениям.Поскольку химическое превращение обычно сопровождается высвобождением или поглощениемопределенного количества теплоты, оно, как и другие явления природы (в том числе электрические имагнитные), сопровождающиеся тепловыми эффектами, подчиняется фундаментальным принципам(началам) термодинамики. Химическая термодинамика определяет, в первую очередь, условия (такие, кактемпература и давление) протекания химических реакций и равновесных состояний, которых они достигают.Анализ тепловых явлений базируется на трех фундаментальных принципах, подтвержденных даннымимногочисленных наблюдений.
См. также ТЕРМОДИНАМИКА. Первое начало термодинамики. Первое начало термодинамики по существувыражает закон сохранения энергии. Для системы, окруженной замкнутой границей, через которую непроисходит переноса вещества, справедливо соотношение

<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
где U1 и U2 - энергии системы в состояниях 1 и 2; Q - теплота, полученная от внешних источников; W -работа, совершенная системой над внешними телами в процессе, посредством которого система переходитиз состояния 1 в состояние 2. Если процесс - химическая реакция, то обычно ее проводят в таких условиях,чтобы можно было отделить энергию химического превращения от энергии, связанной с одновременнымиизменениями температуры или давления. Поэтому энергию (теплоту) химической реакции обычноопределяют в условиях, в которых продукты находятся при тех же температуре и давлении, что и реагенты.Энергия химической реакции тогда определяется теплотой Q, полученной от окружающей cреды илипереданной ей. Измерение Q может быть проведено с помощью калориметра подходящего типа. Реакциюможно было бы провести, например, в металлическом сосуде, погруженном в теплоизолированный объемводы, изменение температуры которой (обычно на несколько градусов) соответствует теплоте реакции. Дляколичественных измерений калориметр обычно градуируют с помощью независимого электронагревателяили проведения в сосуде химической реакции, теплота которой известна. Медленные реакции особеннотрудны для калориметрических измерений, поскольку нужны сложные меры предосторожности для защитыкалориметра от теплообмена с окружающей средой. Так называемый адиабатический калориметр целикомпогружается в изотермическую оболочку с независимым нагревом, температура которой во время опытаподдерживается как можно более близкой к температуре внутри калориметра. Реакции, высвобождающиетеплоту (отрицательная Q в уравнении (1)), называются экзотермическими, а реакции, в процессе которыхтеплота поглощается, - эндотермическими. Как показывает уравнение (1), внутренняя энергия реагирующейсистемы определяется не только количеством высвобожденной или поглощенной теплоты. Она такжезависит от того, сколько энергии система затрачивает или приобретает посредством произведенной работы.При постоянном давлении p полная работа, совершенная системой, описывается выражением p (V2 - V1) +We, где первый член - работа расширения, связанная с изменением объема от V1 до V2, а We -дополнительная, или т.н. "полезная", работа, совершенная системой помимо работы расширения. Еслиработа совершается над системой, то оба члена имеют отрицательный знак. Поэтому уравнение (1) можнопреобразовать к виду

<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
Вводят вспомогательную меру энергии системы Н, определяемую общим соотношением

<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
Если давление постоянно (обычно в качестве стандартного берется давление 1 атм), то изменение функцииН, называемой энтальпией системы, отличается от изменения ее внутренней энергии на величину работырасширения:

<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
За исключением газофазных систем, это отличие пренебрежимо мало по сравнению с типичными тепловымиэффектами реакций. Однако для общего случая из формулы (2) следует, что теплота Q, измеренная припостоянном давлении и We = 0 (обычное условие протекания химической реакции, если она не происходит,например, в аккумуляторе или гальваническом элементе), равна изменению энтальпии системы:

<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
В любом случае, поскольку разность H2 - H1, как и U2 - U1, определяется, согласно первому началутермодинамики, исключительно начальным и конечным состояниями системы и не зависит от способаперехода из начального состояния в конечное, суммарное количество теплоты, поглощенное в процессехимического превращения при постоянных температуре и давлении (при We = 0), зависит только отисходных реагентов и конечных продуктов и не зависит от того, через какие промежуточные стадии протекаетреакция. Этот вывод был сделан Г. И. Гессом в 1840 на основе экспериментальных фактов еще доклассических опытов Джоуля, продемонстрировавших эквивалентность теплоты и других форм энергии. Гесспоказал, что теплота реакции, протекающей через несколько последовательных стадий, равнаалгебраической сумме теплот отдельных промежуточных реакций. Закон Гесса, как отметил Г.Гельмгольц в1847, служит прямым экспериментальным подтверждением применимости закона сохранения энергии кэнергетике химических реакций. В пределах ограничений, налагаемых уравнением (5), этот закон былмногократно подтвержден многочисленными дальнейшими исследованиями.
Термохимические уравнения. Теплота, высвобождаемая или поглощаемая конкретной химическойреакцией, пропорциональна степени превращения реагентов, определяемой по количеству любого израсходуемых либо образующихся продуктов. Изменение внутренней энергии или энтальпии реагирующейсистемы определяют по химическому уравнению реакции. Например, сгорание смеси газообразных метанаи кислорода описывается термохимическим уравнением

<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
Здесь буквы в скобках обозначают агрегатные состояния веществ (газ или жидкость). Символом DH°обозначается изменение энтальпии в химическом превращении при стандартных давлении 1 атм итемпературе 298 K (25° С) (знак градуса в верхнем индексе H указывает, что данная величина относится квеществам в стандартных состояниях (при p = 1 атм и T = 298 K)). Химическая формула каждого вещества втаком уравнении обозначает вполне определенное количество вещества, а именно его молекулярную массу,выраженную в граммах. Молекулярная масса получается сложением атомных масс всех элементов,входящих в формулу, с коэффициентами, равными числу атомов данного элемента в молекуле.Молекулярная масса метана равна 16,042, и, согласно предыдущему уравнению, при сгорании 16,042 г (1моля) метана получаются продукты, энтальпия которых на 212,798 ккал меньше энтальпии реагентов. Всоответствии с уравнением (5) такое количество теплоты высвобождается, когда 1 моль метана сгорает вкислороде при постоянном давлении 1 атм. Соответствующее уменьшение внутренней энергии системы входе реакции составляет 211,615 ккал. Разница между DH° и DU° равна -1,183 ккал и представляет работуp(V2 - V1), совершаемую, когда 3 моля газообразных реагентов сжимаются при давлении 1 атм до 1 молягазообразного диоксида углерода и 2 молей жидкой воды.
Стандартная теплота образования. Из закона сохранения энергии следует, что, когда вещество образуетсяиз атомов и (или) более простых веществ, внутренняя энергия или энтальпия системы меняется наопределенную величину, называемую теплотой образования данного вещества. Теплота образования можетбыть определена различными способами, в том числе прямыми калориметрическими измерениями и путемкосвенного расчета (на основе закона Гесса) из теплоты реакции, в которой участвует данное вещество. Припроведении расчетов пользуются стандартными (при p = 1 атм и T = 298 K) теплотами образования веществ,входящих в уравнение реакции. Например, стандартную теплоту (энтальпию) образования метана можновычислить с помощью термохимического уравнения

<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: n