Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Теплота и работа как формы передачи энергии




Изменение состояния системы тел обусловлено передачей энергии от одного тела системы к другому. Передача энергии может проис­ходить либо в форме механической работы А, либо в форме теплоты Q, обусловленной тепловым молекулярным движением.

Как указывалось в гл. 1, работа есть мера изменения механической энергии, переданной от одного тела к другому. Совершение работы всегда сопровождается перемещением тела в целом или его макроско­пических частей.

Количество энергии, переданной от одного тела к другому в про­цессе теплопередачи, измеряется теплотой, отданной одним телом другому. Сообщение теплоты не связано с перемещением тел, а обус­ловлено тем, что отдельные молекулы более нагретого тела передают свою кинетическую энергию отдельным молекулам менее нагретого тела при соприкосновении этих тел.

Теплота и работа как две формы передачи энергии тесно связаны друг с другом.

Теплота может переходить в работу и, наоборот, работа — в теп­лоту. Эти преобразования энергии происходят в строго эквивалентных количествах.

В СИ работа и теплота измеряются в одинаковых единицах — джоулях.

Внесистемной единицей измерения теплоты является калория (кал). 1 кал равна теплоте, необходимой для нагревания 1 г воды от 19,5 до 20,5°С.

Подчеркнем еще раз, что макроскопическая работа и количество теплоты – это не просто формы энергии, а различные способы ее изменения и передачи от одного тела к другому. В то время как энергия характеризует состояние системы, теплота и работа характеризуют изменение состояния, то есть происходящие в системе процессы. Других способов передачи энергии при взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой, кроме работы и теплоты, не существует.

Работа и теплота, будучи эквивалентными, в качестве возможных способов передачи энергии оказываются не вполне эквивалентными с точки зрения их взаимных переходов друг в друга. Различие, или, как говорят, асимметрия перехода "работа–тепло" и "тепло–работа", станет предметом дальнейшего рассмотрения, а пока отметим, что работа предполагает перенос энергии с использованием упорядоченного движения частиц окружающей систему среды. Совершая над системой работу, мы вынуждаем ее частицы двигаться упорядоченно, и наоборот, если система совершает работу над окружающей средой, она вызывает в ней упорядоченное движение.

Теплота означает перенос энергии с использованием неупорядоченного движения частиц окружающей среды. При нагревании системы мы всегда вынуждаем ее частицы двигаться неупорядоченно, наоборот, когда теплота переходит от системы к окружающей среде, в ней возникает неупорядоченное движение. Именно отмеченное различие между теплотой и работой положено в основу микроскопического обоснования асимметрии при их взаимном преобразовании. Передачей энергии путем совершения работы и путем теплообмена обусловлены все процессы, происходящие с термодинамической системой. Такая передача энергии не должна сопровождаться переходом вещества от внешних тел к системе или от системы к внешним телам.

 

Теплота Q представляет собой количественную меру хаотического движения частиц данной системы или тела. Энергия более нагретого тела в форме теплоты передается менее нагретому телу. При этом не происходит переноса вещества.

Работа А является количественной мерой направленного движения частиц, мерой энергии, передаваемой от одной системы к другой за счет перемещения вещества от одной системы к другой под действием тех или иных сил, например гравитационных. Теплоту и работу измеряют в джоулях (Дж), килоджоулях (кДж) и мегаджоулях (МДж). Положительной считается работа, совершаемая системой против внешних сил (А > 0) и теплота, подводимая к системе (Q > 0). Теплота и работа зависят от способа проведения процесса, т.е. они являются функциями пути.

Количественное соотношение между изменением внутренней энергии, теплотой и работой устанавливает первый закон термодинамики:

Q = ΔU + А.

Если к системе подводится теплота Q, то она расходуется на изменение внутренней энергии системы ΔU и на совершение системой работы А над окружающей средой.

Теплоту и работу можно измерить, отсюда,

ΔU = Q – А.

Первый закон термодинамики является формой выражения закона сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может ни создаваться, ни исчезать, но может превращаться из одной формы в другую. Его справедливость доказана многовековым опытом человечества.

Если система осуществляет переход из одного состояния в другое при постоянном объеме ( реакция протекает в автоклаве), то работа расширения системы

А = рΔV = 0

и

Qv = ΔU = U2 – U1,

т.е. если реакция протекает при постоянном объеме, то выделение или поглощение теплоты Q связано с изменением внутренней энергии системы.

Если на систему не действуют ни какие другие силы, кроме постоянного давления, т.е. химический процесс осуществляется в изобарных условиях, и единственным видом работы является работа расширения, то первый закон термодинамики запишется:

Qp = ΔU + pΔV.

 

4. Параметры состояния рабочего тела

Тело, с по­мощью которого тепловая энергия превращается в механиче­скую, называется рабочим телом. Тела могут совершать работу только в том случае, когда они расширяются.

Для упрощения изучения свойств газообразных тел в техни­ческой термодинамике введено понятие о так называемом иде­альном газе, в котором отсутствуют силы сцепления между моле­кулами, а объем их принимается настолько малым, что им можно пренебречь.

Водяной пар в технической термодинамике рассматривается как реальный газ, на который не распространяются законы и за­висимости идеальных газов.

Основные параметры, характеризующие условия, в которых находится газообразное тело - давление, удельный объем, темпе­ратура.

Давление - результат ударов молекул газа о стенки сосуда, определяется силой, действующей по нормали на единицу по­верхности.

В Международной системе единиц измерения СИ за едини­цу давления принят 1Па = Н/м.

В технике используют и внесистемные единицы измерения давления: техническая атмосфера 1ат = 1кГс/см = 10 кГс/м = 1бар = 9,81·104Па = 104 мм вод. ст. = 735,6 мм рт. ст.

Давление в замкнутом пространстве называют абсолютным. Оно может быть больше или меньше атмосферного давления

рабс = рбар + ризб; (1.1)

рабс = рбар - рвак, (1.1а)

где рабс - абсолютное давление;

рбар - барометрическое (атмосферное) давление;

ризб - избыточное давление;

рвак - вакуумметрическое давление.

Избыточное давление измеряют манометрами, разрежение (вакуум) - вакуумметрами.

Удельный объем - объем единицы массы рабочего тела (м3/кг)

v (1.2)

где V - объем рабочего тела, м3; M - масса рабочего тела, кг.

Величина, обратная удельному объему - плотность (кг/м )

c =1/v

 

Если масса киломоля , а его объем ( ), тогда удельный объем и плотность одного киломоля

v=µ×v∕µ

ρ=µ∕µ×vПри нормальных условиях удельный объем и плотность од­ного киломоля (Ро = 760 мм рт. ст. = 101325 Па, t = 0°С, м3/кмоль)

Температура характеризует степень нагрева тела, то есть степень интенсивности движения молекул или меру средней ки­нетической энергии поступательного движения молекул.

Связь между основными параметрами состояния идеального газа устанавливается уравнением Б. Клайперона (1834 г.), кото­рое он вывел на основе законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Это уравнение называется характеристическим уравнением или уравнением состояния газа

p×v=R×T(1.10) ,где R - газовая постоянная данного газа, Дж/(кгК).

Для М кг газа уравнение (1.10) имеет вид

pV = MRT. (1.11)

Применив это уравнение к одному киломолю газа, Д. И. Менделеев получил следующее уравнение:

p×µ×v=µ×R×T где μ*R- универсальная газовая постоянная любого газа, кДж/(кмоль-К).

Эта величина представляет собой работу, совершаемую од­ним киломолем идеального газа при изменении его температуры на один градус при р = const.

По закону Авогадро при одинаковых значениях давления (р = const) и температуры (Т = const) один киломоль любого газа занимает одинаковый объем, поэтому величина универсальной газовой постоянной (μ*R) не зависит от вида газа. Ее значение при нормальных условиях

m×R=p×m×v∕T

 

Тогда газовая постоянная для любого газа R =







Дата добавления: 2015-10-15; просмотров: 8732. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2020 год . (0.004 сек.) русская версия | украинская версия