Изобарный процесс в pv координатах. Изобарный процесс

Основными процессами в термодинамике являются:

• изохорный , протекающий при постоянном объеме;
• изобарный , протекающий при постоянном давлении;
• изотермический , происходящий при постоянной температуре;
• адиабатный , при котором теплообмен с окружающей средой отсутствует;
• политропный , удовлетворяющий уравнению pv n = const.

Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса.

При исследовании термодинамических процессов определяют:

• уравнение процесса в p — v иT — s координатах;
• связь между параметрами состояния газа;
• изменение внутренней энергии;
• величину внешней работы;
• количество подведенной теплоты на осуществление процесса или количество отведенной теплоты.

Изохорный процесс

Изохорный процесс в p , v — , T , s — и i , s -координатах (диаграммах)

При изохорном процессе выполняется условие v = const.

Из уравнения состояния идеального газа (pv = RT ) следует:

p/T = R/v = const,

т. е. давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

p 2 /p 1 = T 2 /T 1 .

Работа расширения в изохорном процессе равна нулю (l = 0), так как объем рабочего тела не меняется (Δv = const).

Количество теплоты, подведенной к рабочему телу в процессе 1-2 при c v

q = c v (T 2 — T 1 ).

Т. к.l = 0, то на основании первого закона термодинамики Δu = q , а значит изменение внутренней энергии можно определить по формуле:

Δu = c v (T 2 — T 1) .

Изменение энтропии в изохорном процессе определяется по формуле:

s 2 – s 1 = Δs = c v ln(p 2 /p 1 ) = c v ln(T 2 /T 1 ).

Изобарный процесс

Изобарный процесс в p , v — , T , s — и i , s -координатах (диаграммах)

Изобарным называется процесс, протекающий при постоянном давлении p = const. Из уравнения состояния идеального газа слуедует:

v/T = R/p = const

v 2 /v 1 = T 2 /T 1 ,

т. е. в изобарном процессе объем газа пропорционален его абсолютной температуре.

Работа будет равна:

l = p (v 2 – v 1 ).

Т. к. pv 1 = RT 1 и pv 2 = RT 2 , то

l = R (T 2 – T 1 ).

Количество теплоты при c p = const определяется по формуле:

q = c p (T 2 – T 1 ).

Изменение энтропии будет равно:

s 2 – s 1 = Δs = c p ln(T 2 /T 1 ).

Изотермический процесс

Изотермический процесс в p , v — , T , s — и i , s -координатах (диаграммах)

При изотермическом процессе температура рабочего тела остается постоянной T = const, следовательно:

pv = RT = const

p 2 /p 1 = v 1 /v 2 ,

т. е. давление и объем обратно пропорциональны друг другу, так что при изотермическом сжатии давление газа возрастает, а при расширении – снижается.

Работа процесса будет равна:

l = RT ln (v 2 – v 1 ) = RT ln (p 1 – p 2 ).

Так как температура остается неизменной, то и внутренняя энергия идеального газа в изотермическом процессе остается постоянной (Δu = 0) и вся подводимая к рабочему телу теплота полностью превращается в работу расширения:

q = l .

При изотермическом сжатии от рабочего тела отводится теплота в количестве, равном затраченной на сжатие работе.

Изменение энтропии равно:

s 2 – s 1 = Δs = R ln(p 1 /p 2 ) = R ln(v 2 /v 1 ).

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс в p , v — , T , s — и i , s -координатах (диаграммах)

Адиабатным называется процесс изменения состояния газа, который происзодит без теплообмена с окружающей средой. Так как dq = 0, то уравнение первого закона термодинамики для адиабатного процесса будет иметь вид:

du + p dv = 0

Δu + l = 0,

следовательно

Δu = —l .

В адиабатном процессе работа расширения совершается только за счет расходования внутренней энергии газа, а при сжатии, происходящем за счет действия внешних сил, вся совершаемая ими работа идет на увеличение внутренней энергии газа.

Обозначим теплоемкость в адиабатном процессе через c ад, и условие dq = 0 выразим следующим образом:

dq = c ад dT = 0.

Это условие говорит о том, что теплоемкость в адиабатном процессе равна нулю (c ад = 0).

Известно, что

с p /c v = k

и уравнение кривой адиабатного процесса (адиабаты) в p , v -диаграмме имеет вид:

pv k = const.

В этом выражении k носит название показателя адиабаты (так же ее называют коэффициентом Пуассона).

Значения показателя адиабаты k для некоторых газов:

k воздуха = 1,4

k перегретого пара = 1,3

k выхлопных газов ДВС = 1,33

k насыщенного влажного пара = 1,135

Из предыдущих формул следует:

l = — Δu = c v (T 1 – T 2 );

i 1 – i 2 = c p (T 1 – T 2 ).

Техническая работа адиабатного процесса (l техн) равна разности энтальпий начала и конца процесса (i 1 – i 2 ).

Адиабатный процесс, происходящий без внутреннего трения в рабочем теле, называется изоэнтропийным . В T , s -диаграмме он изображается вертикальной линией.

Обычно реальные адиабатные процессы протекают при наличии внутреннего трения в рабочем теле, в результате чего всегда выделяется теплота, которая сообщается самому рабочему телу. В таком случае ds > 0, и процесс называется реальным адиабатным процессом .

Политропный процесс

Политропным называется процесс, который описывается уравнением:

pv n = const.

Показатель политропы n может принимать любые значения в пределах от -∞ до +∞, но для данного процесса он является постоянной величиной.

Из уравнения политропного процесса и уравнения Клайперона можно получить выражение, устанавливающее связь между p , v и T в любых двух точках на политропе:

p 2 /p 1 = (v 1 /v 2 ) n ; T 2 /T 1 = (v 1 /v 2 ) n-1 ; T 2 /T 1 = (p 2 /p 1 ) (n-1)/n .

Работа расширения газа в политропном процессе равна:

В случае идеального газа эту формулу можно преобразовать:

Количество подведенной или отведенной в процессе теплоты определяется с помощью первого закона термодинамики:

q = (u 2 – u 1 ) + l .

Поскольку

представляет собой теплоемкость идеального газа в политропном процессе.

При c v , k и n = const c n = const, поэтому политропный процесс иногда определят как процесс с постоянной теплоемкостью.

Политропный процесс имеет обобщающее значение, ибо охватывает всю совокупность основных термодинамических процессов.

Графическое представление политропа в p , v координатах в зависимости от показателя политропа n .

pv 0 = const (n = 0) – изобара;

pv = const (n = 1) – изотерма;

p 0 v = const, p 1/∞ v = const, pv ∞ = const – изохора;

pv k = const (n = k ) – адиабата.

n > 0 – гиперболические кривые,

n < 0 – параболы.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. - М. :КНОРУС, 2011. - 352 с.

Темы кодификатора ЕГЭ : изопроцессы - изотермический, изохорный, изобарный процессы.

На протяжении этого листка мы будем придерживаться следующего предположения: масса и химический состав газа остаются неизменными . Иными словами, мы считаем, что:

То есть нет утечки газа из сосуда или, наоборот, притока газа в сосуд;

То есть частицы газа не испытывают каких-либо изменений (скажем, отсутствует диссоциация - распад молекул на атомы).

Эти два условия выполняются в очень многих физически интересных ситуациях (например, в простых моделях тепловых двигателей) и потому вполне заслуживают отдельного рассмотрения.

Если масса газа и его молярная масса фиксированы, то состояние газа определяется тремя макроскопическими параметрами: давлением, объёмом и температурой . Эти параметры связаны друг с другом уравнением состояния (уравнением Менделеева - Клапейрона).

Термодинамический процесс (или просто процесс ) - это изменение состояния газа с течением времени. В ходе термодинамического процесса меняются значения макроскопических параметров - давления, объёма и температуры.

Особый интерес представляют изопроцессы - термодинамические процессы, в которых значение одного из макроскопических параметров остаётся неизменным. Поочерёдно фиксируя каждый из трёх параметров, мы получим три вида изопроцессов.

1. Изотермический процесс идёт при постоянной температуре газа: .
2. Изобарный процесс идёт при постоянном давлении газа: .
3. Изохорный процесс идёт при постоянном объёме газа: .

Изопроцессы описываются очень простыми законами Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля. Давайте перейдём к их изучению.

Изотермический процесс

Пусть идеальный газ совершает изотермический процесс при температуре . В ходе процесса меняются только давление газа и его объём.

Рассмотрим два произвольных состояния газа: в одном из них значения макроскопических параметров равны , а во втором - . Эти значения связаны уравнением Менделеева-Клапейрона:

Как мы сказали с самого начала,масса и молярная масса предполагаются неизменными.

Поэтому правые части выписанных уравнений равны. Следовательно, равны и левые части:

(1)

Поскольку два состояния газа были выбраны произвольно, мы можем заключить, что в ходе изотермического процесса произведение давления газа на его объём остаётся постоянным :

(2)

Данное утверждение называется законом Бойля - Мариотта .

Записав закон Бойля - Мариотта в виде

(3)

можно дать и такую формулировку: в изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объёму . Если, например, при изотермическом расширении газа его объём увеличивается в три раза, то давление газа при этом в три раза уменьшается.

Как объяснить обратную зависимость давления от объёма с физической точки зрения? При постоянной температуре остаётся неизменной средняя кинетическая энергия молекул газа, то есть, попросту говоря, не меняется сила ударов молекул о стенки сосуда. При увеличении объёма концентрация молекул уменьшается, и соответственно уменьшается число ударов молекул в единицу времени на единицу площади стенки - давление газа падает. Наоборот, при уменьшении объёма концентрация молекул возрастает, их удары сыпятся чаще и давление газа увеличивается.

Графики изотермического процесса

Вообще, графики термодинамических процессов принято изображать в следующих системах координат:

-диаграмма: ось абсцисс , ось ординат ;
-диаграмма: ось абсцисс , ось ординат .

График изотермического процесса называется изотермой .

Изотерма на -диаграмме - это график обратно пропорциональной зависимости .

Такой график является гиперболой (вспомните алгебру - график функции ). Изотерма-гипербола изображена на рис. 1 .

Рис. 1. Изотерма на -диаграмме

Каждая изотерма отвечает определённому фиксированному значению температуры. Оказывается, что чем выше температура, тем выше лежит соответствующая изотерма на -диаграмме .

В самом деле, рассмотрим два изотермических процесса, совершаемых одним и тем же газом (рис. 2 ). Первый процесс идёт при температуре , второй - при температуре .

Рис. 2. Чем выше температура, тем выше изотерма

Фиксируем некоторое значение объёма . На первой изотерме ему отвечает давление , на второй - class="tex" alt="p_2 > p_1"> . Но при фиксированном объёме давление тем больше, чем выше температура (молекулы начинают сильнее бить по стенкам). Значит, class="tex" alt="T_2 > T_1"> .

В оставшихся двух системах координат изотерма выглядит очень просто: это прямая, перпендикулярная оси (рис. 3 ):

Рис. 3. Изотермы на и -диаграммах

Изобарный процесс

Напомним ещё раз, что изобарный процесс - это процесс, проходящий при постоянном давлении. В ходе изобарного процесса меняются лишь объём газа и его температура.

Типичный пример изобарного процесса: газ находится под массивным поршнем, который может свободно перемещаться. Если масса поршня и поперечное сечение поршня , то давление газа всё время постоянно и равно

где - атмосферное давление.

Пусть идеальный газ совершает изобарный процесс при давлении . Снова рассмотрим два произвольных состояния газа; на этот раз значения макроскопических параметров будут равны и .

Выпишем уравнения состояния:

Поделив их друг на друга, получим:

В принципе, уже и этого могло бы быть достаточно, но мы пойдём немного дальше. Перепишем полученное соотношение так, чтобы в одной части фигурировали только параметры первого состояния, а в другой части - только параметры второго состояния (иными словами, «разнесём индексы» по разным частям):

(4)

А отсюда теперь - ввиду произвольности выбора состояний! - получаем закон Гей-Люссака :

(5)

Иными словами, при постоянном давлении газа его объём прямо пропорционален температуре :

(6)

Почему объём растёт с ростом температуры? При повышении температуры молекулы начинают бить сильнее и приподнимают поршень. При этом концентрация молекул падает, удары становятся реже, так что в итоге давление сохраняет прежнее значение.

Графики изобарного процесса

График изобарного процесса называется изобарой . На -диаграмме изобара является прямой линией (рис. 4 ):

Рис. 4. Изобара на -диаграмме

Пунктирный участок графика означает, что в случае реального газа при достаточно низких температурах модель идеального газа (а вместе с ней и закон Гей-Люссака) перестаёт работать. В самом деле, при снижении температуры частицы газа двигаются всё медленнее, и силы межмолекулярного взаимодействия оказывают всё более существенное влияние на их движение (аналогия: медленный мяч легче поймать, чем быстрый). Ну а при совсем уж низких температурах газы и вовсе превращаются в жидкости.

Разберёмся теперь, как меняется положение изобары при изменении давления. Оказывается, что чем больше давление, тем ниже идёт изобара на -диаграмме .
Чтобы убедиться в этом, рассмотрим две изобары с давлениями и (рис. 5 ):

Рис. 5. Чем ниже изобара, тем больше давление

Зафиксируем некоторое значение температуры . Мы видим, что . Но при фиксированной температуре объём тем меньше, чем больше давление (закон Бойля - Мариотта!).

Стало быть, class="tex" alt="p_2 > p_1"> .

В оставшихся двух системах координат изобара является прямой линией, перпендикулярной оси (рис. 6 ):

Рис. 6. Изобары на и -диаграммах

Изохорный процесс

Изохорный процесс, напомним, - это процесс, проходящий при постоянном объёме. При изохорном процессе меняются только давление газа и его температура.

Изохорный процесс представить себе очень просто: это процесс, идущий в жёстком сосуде фиксированного объёма (или в цилиндре под поршнем, когда поршень закреплён).

Пусть идеальный газ совершает изохорный процесс в сосуде объёмом . Опять-таки рассмотрим два произвольных состояния газа с параметрами и . Имеем:

Делим эти уравнения друг на друга:

Как и при выводе закона Гей-Люссака, «разносим» индексы в разные части:

(7)

Ввиду произвольности выбора состояний мы приходим к закону Шарля :

(8)

Иными словами, при постоянном объёме газа его давление прямо пропорционально температуре :

(9)

Увеличение давления газа фиксированного объёма при его нагревании - вещь совершенно очевидная с физической точки зрения. Вы сами легко это объясните.

Графики изохорного процесса

График изохорного процесса называется изохорой . На -диаграмме изохора является прямой линией (рис. 7 ):

Рис. 7. Изохора на -диаграмме

Смысл пунктирного участка тот же: неадекватность модели идеального газа при низких температурах.

Рис. 8. Чем ниже изохора, тем больше объём

Доказательство аналогично предыдущему. Фиксируем температуру и видим, что . Но при фиксированной температуре давление тем меньше, чем больше объём (снова закон Бойля - Мариотта). Стало быть, class="tex" alt="V_2 > V_1"> .

В оставшихся двух системах координат изохора является прямой линией, перпендикулярной оси (рис. 9 ):

Рис. 9. Изохоры на и -диаграммах

Законы Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля называются также газовыми законами .

Мы вывели газовые законы из уравнения Менделеева - Клапейрона. Но исторически всё было наоборот: газовые законы были установлены экспериментально, и намного раньше. Уравнение состояния появилось впоследствии как их обобщение.

, термодинамическим процессом называют изменение состояния системы , в результате которого хотя бы один из ее параметров (температура, объем или давление) изменяет свое значение. Впрочем, если учесть, что все параметры термодинамической системы неразрывно взаимосвязаны, то изменение любого из них неизбежно влечет изменение хотя бы одного (в идеале) или нескольких (в реальности) параметров. В общем случае можно сказать, что термодинамический процесс связан с нарушением равновесия системы, и если система находится в равновесном состоянии, то никаких термодинамических процессов в ней протекать не может.

Равновесное состояние системы - понятие абстрактное, поскольку невозможно изолировать что-либо материальное от окружающего мира, поэтому в любой реальной системе неизбежно протекают разнообразные термодинамические процессы. При этом в некоторых системах могут иметь место настолько медленные, почти незаметные изменения, что связанные с ними процессы можно условно считать состоящими из последовательности равновесных состояний системы. Такие процессы называют равновесными или квазистатическими .
Еще один возможный сценарий последовательных изменений в системе, после которых она возвращается к исходному состоянию, называют круговым процессом или циклом . Понятия равновесного и кругового процесса лежат в основе многих теоретических выводов и прикладных приемов термодинамики.

Изучение термодинамического процесса заключается в определении работы, совершенной в данном процессе, изменения внутренней энергии, количества теплоты, а также в установлении связи между отдельными величинами, характеризующими состояние газа.

Из всех возможных термодинамических процессов наибольший интерес представляют изохорный , изобарный , изотермический , адиабатный и политропный процессы.

Изохорный процесс

Изохорным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме. Такой процесс может совершаться при нагревании газа, помещенного в закрытый сосуд. Газ в результате подвода теплоты нагревается, и его давление возрастает.
Изменение параметров газа в изохорном процессе описывает закон Шарля : p 1 /T 1 = p 2 /T 2 , или в общем случае:

p/T = const .

Давление газа на стенки сосуда прямо пропорционально абсолютной температуре газа.

Так как в изохорном процессе изменение объема dV равно нулю, то можно сделать вывод, что вся подведенная к газу теплота расходуется на изменение внутренней энергии газа (никакая работа не совершается) .

Изобарный процесс

Изобарным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении. Такой процесс можно осуществить, поместив газ в плотный цилиндр с подвижным поршнем, на который действует постоянная внешняя сила при отводе и подводе теплоты.
При изменении температуры газа поршень перемещается в ту или иную сторону; при этом объем газа изменяется в соответствии с законом Гей-Люссака :

V/T = const .

Это означает, что в изобарном процессе объем занимаемый газом, прямо пропорционален температуре.
Можно сделать вывод, что изменение температуры в этом процессе неизбежно приведет к изменению внутренней энергии газа, а изменение объема связано с выполнением работы, т. е. при изобарном процессе часть тепловой энергии тратится на изменение внутренней энергии газа, а другая часть – на выполнение газом работы по преодолению действия внешних сил. При этом соотношение между затратами теплоты на увеличение внутренней энергии и на выполнение работы зависит от теплоемкости газа.

Изотермический процесс

Изотермическим называют термодинамический процесс, протекающий при неизменной температуре.
Практически осуществить изотермический процесс с газом очень трудно. Ведь необходимо соблюсти условие, чтобы в процессе сжатия или расширения газ успевал обмениваться температурой с окружающей средой, поддерживая собственную температуру постоянной.
Изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта : pV = const , т. е. при постоянной температуре величина давления газа обратно пропорциональна его объему.

Очевидно, что при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не изменяется, поскольку его температура постоянна.
Чтобы выполнялось условие постоянства температуры газа, от него необходимо отводить теплоту, эквивалентную работе, затраченной на сжатие:

dq = dA = pdv .

Используя уравнение состояния газа, проделав ряд преобразований и подстановок, можно сделать вывод, что работа газа при изотермическом процессе определяется выражением:

A = RT ln(p 1 /p 2).



Адиабатный процесс

Адиабатным называют термодинамический процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой. Подобно изотермическому, осуществить на практике адиабатный процесс очень сложно. Такой процесс может протекать с рабочим телом, помещенным в сосуд, например, цилиндр с поршнем, окруженный высококачественным теплоизолирующим материалом.
Но какой бы качественный теплоизолятор мы не применяли в данном случае, некоторым, пусть даже ничтожно малым, количеством теплоты рабочее тело и окружающая среда неизбежно будут обмениваться.
Поэтому на практике можно создать лишь приближенную модель адиабатного процесса. Тем не менее, многие термодинамические процессы, осуществляемые в теплотехнике, протекают настолько быстро, что рабочее тело и среда не успевают обмениваться теплотой, поэтому с некоторой степенью погрешности такие процессы можно рассматривать как адиабатные.

Для вывода уравнения, связывающего давление и объем 1 кг газа в адиабатном процессе, запишем уравнение первого закона термодинамики:

dq = du + pdv .

Поскольку для адиабатного процесса теплопередача dq равна нулю, а изменение внутренней энергии есть функция теплопроводности от температуры: du = c v dT , то можно записать:

c v dT + pdv = 0 (3) .

Продифференцировав уравнение Клапейрона pv = RT , получим:

pdv + vdp = RdT .

Выразим отсюда dT и подставим в уравнение (3) . После перегруппировки и преобразований получим:

pdvc v /(R + 1) + c v vdp/R = 0 .

С учетом уравнения Майера R = c p – c v последнее выражение можно переписать в виде:

pdv(c v + c p - c v)/(c p – c v) + c v vdp/(c p – c v) = 0 ,

c p pdv + c v vdp = 0 (4) .

Разделив полученное выражение на c v и обозначив отношение c p /c v буквой k , после интегрирования уравнения (4) получим (при k = const) :

ln vk + ln p = const или ln pvk = const или pvk = const .

Полученное уравнение является уравнением адиабатного процесса, в котором k – показатель адиабаты.
Если предположить, что объемная теплоемкость c v является величиной постоянной, т. е. c v = const , то работу адиабатного процесса можно представить в виде формулы (приводится без вывода) :

l = c v (T 1 – T 2) или l = (p 1 v 1 – p 2 v 2)/(k-1) .

Политропный процесс

В отличие от рассмотренных выше термодинамических процессов, когда какой-либо из параметров газа оставался неизменным, политропный процесс характеризуется возможностью изменения любого из основных параметров газа. Все рассмотренные выше термодинамические процессы являются частными случаями политропных процессов.
Общее уравнение политропного процесса имеет вид pv n = const , где n – показатель политропы - постоянная для данного процесса величина, которая может принимать значения от - ∞ до + ∞ .

Очевидно, что придавая показателю политропы определенные значения, можно получить тот или иной термодинамический процесс – изохорный, изобарный, изотермический или адиабатный.
Так, если принять n = 0 , получим p = const – изобарный процесс, если принять n = 1 , получим изотермический процесс, описываемый зависимостью pv = const ; при n = k процесс является адиабатным, а при n равном - ∞ или + ∞ . мы получим изохорный процесс.

Изобарный процесс (также называемый изобарическим процессом) является одним из термодинамических процессов, которые происходят при постоянном показателе давления. Масса газа системы при этом также остается постоянной. Наглядное представление о графике, демонстрирующем изобарный процесс, дает термодинамическая диаграмма в соответствующей системе координат.

Примеры

Наиболее простым примером изобарического процесса можно назвать нагревание некоторого объема воды в открытом сосуде. В качестве еще одного примера можно привести расширение идеального газа в цилиндрическом объеме, где поршень имеет свободный ход. В каждом из этих случаев давление будет постоянным. Оно равно обыкновенному атмосферному давлению, что вполне очевидно.

Обратимость

Изобарный процесс можно считать обратимым в том случае, если давление в системе совпадает с внешним давлением и равно во все моменты времени процесса (то есть оно постоянно по своему значению), а температура изменяется очень медленно. Таким образом, термодинамическое равновесие в системе сохраняется в каждый момент времени. Именно совокупность вышеперечисленных факторов дает нам возможность считать изобарный процесс обратимым.

Чтобы осуществить в системе изобарический процесс, теплоту к ней нужно или подводить, или отводить. При этом теплота должна расходоваться на работу расширения идеального газа и на изменение его внутренней энергии. Формулу, демонстрирующую зависимость величин друг от друга при изобарном процессе, называют законом Гей-Люссака. Она показывает, что объем пропорционален температуре. Давайте выведем эту формулу на основании поверхностных знаний.

Вывод закона Гей-Люссака (первичное понимание)

Человек, хотя бы немного разбирающийся в молекулярной физике, знает, что многие задачи связаны с определенными параметрами. Имя им – давление газа, объем газа и температура газа. В тех или иных случаях в ход идут молекулярная и молярная масса, количество вещества, универсальная газовая постоянная и другие показатели. И здесь есть определенная связь. Давайте поговорим об универсальной газовой постоянной подробнее. На тот случай, если кто-то не знает, каким образом ее получили.

Получение универсальной газовой постоянной

Эту константу (постоянное число с определенной размерностью) принято также называть постоянной Менделеева. Она присутствует также в уравнении Менделеева-Клапейрона для идеального газа. Как же получил наш знаменитый физик эту константу?

Как мы знаем, уравнение идеального газа имеет следующую форму: PV/T (что озвучивается так: “произведение давления на объем, деленное на температуру”). По отношению к универсальной газовой постоянной применим так называемый закон Авогадро. Он гласит о том, что если мы возьмем любой газ, то одинаковое его количество молей при одинаковой температуре и одинаковом давлении займет одинаковый объем.

По сути дела, это есть словесная формулировка уравнения состояния идеального газа, которое было записано в виде формулы немного ранее. Если мы возьмем нормальные условия (а это когда температура газа равна 273,15 Кельвинов, давление равно 1 атмосфере, соответственно, 101325 Паскалей, а объем моля газа равен 22,4 литра) и подставим их в уравнение, все перемножим и разделим, то получим, что совокупность подобных действий дает нам численный показатель, равный 8,31. Размерность дается в Джоулях, деленных на произведение моля на Кельвин (Дж/моль*К).

Уравнение Менделеева-Клапейрона

Давайте возьмем уравнение состояния идеального газа и перепишем его в новом виде. Изначальное уравнение, напомним, имеет вид PV/T=R. А теперь умножим обе части на температурный показатель. Получим формулу PV(м)=RT. То есть произведение давления на объем равно произведению универсальной газовой постоянной на температуру.

Теперь умножим обе части уравнения на то или иное количество молей. Обозначим их количество буквой, скажем, X. Таким образом, получим следующую формулу: PV(м)X=XRT. Но ведь мы знаем, что произведение V с индексом “м” дает нам в результате просто объем V, а число молей X раскрывается в виде деления частной массы на молярную массу, то есть имеет вид m/M.

Таким образом, конечная формула будет выглядеть следующим образом: PV=MRT/m. Это и есть то самое уравнение Менделеева-Клапейрона, к которому пришли оба физика практически одновременно. Мы можем умножить правую часть уравнения (и в то же время разделить) на число Авогадро. Тогда получим: PV = XN(a)RT/N(a). Но ведь произведение количества молей на число Авогадро, то есть XN(a), дает нам не что иное, как общее число молекул газа, обозначаемое буквой N.

В то же время частное от универсальной газовой постоянной и числа Авогадро – R/N(a) даст постоянную Больцмана (обозначается k). В итоге мы получим еще одну формулу, но уже в несколько другом виде. Вот она: PV=NkT. Можно раскрыть эту формулу и получить следующий результат: NkT/V=P.

Работа газа при изобарном процессе

Как мы выяснили ранее, изобарным процессом называется термодинамический процесс, при котором давление остается величиной постоянной. А чтобы выяснить, как будет определяться работа при изобарном процессе, нам придется обратиться к первому началу термодинамики. Общая формула выглядит следующим образом: dQ = dU + dA, где dQ - это количество теплоты, dU – изменение внутренней энергии, а dA – работа, совершаемая в ходе выполнения термодинамического процесса.

Теперь рассмотрим конкретно изобарный процесс. Примем во внимание тот фактор, что давление остается постоянным. Теперь попытаемся переписать первое начало термодинамики для изобарного процесса: dQ = dU + pdV. Чтобы получить наглядное представление о процессе и работе, нужно изобразить его в системе координат. Ось абсцисс обозначим p, ось ординат V. Пускай объем будет увеличиваться. В двух отличных друг от друга точках с соответствующим значением p (конечно же, фиксированным) отметим состояния, представляющие собой V1 (первоначальный объем) и V2 (конечный объем). В этом случае график будет представлять собой прямую линию, параллельную оси абсцисс.

Найти работы в таком случае проще простого. Это будет просто площадь фигуры, ограниченная с двух сторон проекциями на ось абсцисс, а с третьей стороны – прямой линией, соединяющей точки, лежащие, соответственно, в начале и конце изобарной прямой. Попробуем вычислить значение работы при помощи интеграла.

Он будет вычисляться следующим образом: A = p (интеграл в пределах от V1 до V2) dV. Раскроем интеграл. Получим, что работа будет равна произведению давления на разность объемов. То есть выглядеть формула будет следующим образом: A = p (V2 – V1). Если мы раскроем некоторые величины, то получим еще одну формулу. Она выглядит так: A = xR (T2 – T2), где x – количество вещества.

Универсальная газовая постоянная и ее смысл

Можно сказать, что последнее выражение будет определять физический смысл R – универсальной газовой постоянной. Чтобы было понятнее, давайте обратимся к конкретным числам. Возьмем для проверки один моль какого-либо вещества. В то же время пускай температурная разница будет составлять 1 Кельвин. В этом случае легко заметить, что работа газа будет равна универсальной газовой постоянной (или же наоборот).

Заключение

Этот факт можно подать немного в другом свете, перефразировав формулировку. Например, универсальная газовая постоянная будет численно равна работе, совершаемой при изобарном расширении одним молем идеального газа, если он нагревается на один Кельвин. Вычислить работу при других изопроцессах будет несколько сложнее, но главное - при этом применять логику. Тогда все быстро встанет на свои места, и вывод формулы окажется проще, чем вы думаете.

Изохорический процесс

Изохорический процесс происходит при постоянном объеме. Зависимость давления от температуры описывается уравнением:

- закон Шарля, (2)

который читается: для данной массы газа при постоянном объеме давление газа линейно возрастает с увеличением температуры .

Изобарический процесс

Изобарический процесс. Это процесс, происходящий при постоянном давлении, Р = const .

Зависимость объема от температуры описывается законом:

- закон Гей-Люсака, (3)

который читается: для данной массы газа при постоянном давлении объем газа линейно возрастает с ростом температуры .

Адиабатический процесс

Адиабатическим процессом называется процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (dQ = 0). Он описывается уравнением Пуассона:

, (4)

где  -постоянная адиабатического процесса. Постоянная адиабатического процесса равна:

. (5)

При адиабатическом процессе изменяются все параметры газа: давление, объем и температура.

2. Теплоемкость газа

Количество теплоты dQ , сообщенное телу при нагревании, равно

,

где с - удельная теплоемкость вещества , равная количеству теплоты, сообщаемой единице массы вещества для нагревания ее на один градус.

Помимо удельной теплоемкости вводится понятие мольной теплоемкости. Мольная теплоемкость С - равная количеству теплоты, сообщаемой одному молю вещества для нагревания его на один градус.

Мольная и удельная теплоемкости связаны между собой соотношением:

С =  с, (6)

где С - мольная теплоемкость, - молярная масса.

Газ можно нагревать при постоянном давлении и при постоянном объеме, поэтому для газа вводятся две теплоемкости: изобарическая и изохорическая. Мольная изобарическая и мольная изохорическая теплоемкости газа связаны с соответственными соотношениями:

;

.

Отсюда видно, что отношение мольных теплоемкостей газа равно отношению удельных

.

Количество теплоты, сообщенное 1 молю газа при изохорическом процессе, равно:

а при изобарическом процессе

3Первое начало термодинамики

Количество теплоты dQ , сообщенное термодинамической системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии dU и на работу dA системы против внешних сил.

dQ = dU + dA . (9)

Внутренняя энергия U - суммарная энергия всех молекул в газе для идеального газа – кинетическая энергия вращательного и поступательного движения. Для одного моля газа определяется выражением

. (10)

Работа совершаемая газом равна

dA = pdV . (11)

где dV - изменение его объема.

Применение первого начало термодинамики Изотермический процесс

При этом процессе температура остается постоянной (Т =const) В этом случае dT =0 и внутренняя энергия не изменяется dU =0 dQ = dA , т.е. вся подводимая теплота расходуется газом на совершение работы против внешних сил.

Изохорический процесс

При изохорическом процессе V=const, dV=0 и dA=0. Т.е. при этом процессе работа не совершается, т.к. объем не изменяется. Тогда 1 началозапишется:

dQ = dU .

Т.е. количество теплоты расходуется на изменение внутренней энергии. Но по определению

(для 1 моля). Следовательно,

.

Из этой формулы видно, что изменение внутренней энергии газа определяется только изменением его температуры. Теплоемкость при постоянном объеме (изохорная теплоемкость) равна:

Изобарный процесс

Термодинамический процесс, в котором давление не изменяется, называют изобарным.

В изобарном процессе с n = c p .. Для этого процесса показатель политропыn = 0.

Изохорный процесс

Термодинамический процесс, в котором удельный объем не изменяется, называют изохорным.

В изохорном процессе с n = c v . Этот процесс протекает при n = .

Изотермический процесс

Термодинамический процесс, в котором температура не изменяется, называют изотермическим.

В изотермическом процессе с n = c T = . В изотермическом процессепоказатель политропыn = 1.

Адиабатный процесс

Термодинамический процесс, который протекает без теплообмена с окружающей средой, называют адиабатным.

В адиабатном процессе с n = c q = , тогдапоказатель политропыn = к. Здесь через к обозначено отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме, то есть к = . Это отношение в термодинамике называют показателем адиабаты.

Уравнение адиабаты имеет вид:

p v к = const .

Влажный воздух

Смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом.

Абсолютная влажность

Под абсолютной влажностью понимают массу водяного пара находящуюся в одном метре кубическом влажного воздуха.

Из определения следует, что абсолютная влажность – это плотность пара во влажном воздухе, т.е. = Единица измерения абсолютной влажности килограмм на метр кубический (кг/м3).

Относительная влажность

Отношение действительного значения абсолютной влажности к максимально возможному ее значению при той же температуре называется

относительной влажностью.

Обозначают относительную влажность : или = .

Влагосодержание

Массу водяного пара, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха, называют

Обозначают влагосодержание через d , измеряют в г/кг. Из определе-

ния следует: d =

Степень сухости

Массовая доля сухого пара во влажном называется степенью сухости .

Обозначают степень сухости через x и вычисляют как x = m c / m ,

где m c – масса сухого пара; m – масса влажного пара.

Дросселирование

Дросселированием называют процесс понижения давления в газовом

потоке при преодолении местного сопротивления (примеры местных сопротивлений: кран, клапан, задвижка, капиллярная трубка).

Дроссельный эффект

Отношение бесконечно малого изменения температуры к бесконечно малому изменению давления при дросселировании называется дроссельным

эффектом.

Это отношение обозначают , тогда =

Опыты Джоуля и Томсона показали, что для реального газа может менять знак: быть меньше нуля, равным нулю либо больше нулю.

Температура инверсии

Изменение знака дроссельного эффекта именуют инверсией, а температура, при которой = 0 , называется температурой инверсии. Ее обозначают T инв .

Тепловая машина Карно

Экзотическая тепловая машина, имеющая максимально возможное значение термического КПД за счет того, что в ней подвод и отвод теплоты осуществляется при изотермическом процессе, а сжатие и расширение рабочего тела происходит в адиабатном процессе.

Тепловой двигатель

Тепловой двигатель – это машина, в которой для получения механической работы используется теплота.

Двигатель внутреннего сгорания

Тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в теплоту внутри расширительной машины, называют двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Изохорный ДВС

Изохорным называют тот ДВС, в котором сгорание топлива происходит при постоянном объеме, а для совершения работы используется поршневая машина.

Изобарный ДВС

Изобарным называют тот ДВС, в котором сгорание топлива происходит при постоянном давлении, а для совершения работы используется поршневая машина.

Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель относится к ДВС, в котором сгорание топлива осуществляется, в большинстве случаев, в изобарном процессе, а в качестве расширительной машины используется газовая турбина.

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель относится к ДВС, в котором сгорание

топлива осуществляется в изобарном процессе, а в качестве расширительной машины используется газовая турбина и реактивное сопло.

Степень сжатия

Под степенью сжатия в поршневых ДВС понимают отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Обозначают степень сжатия .

Степень повышения давления

Отношение давления конечного к начальному в процессе сжатия отдельно в ступени (либо в компрессоре целом) называют степенью повышения давления, обозначают ст ,то есть ст = р кон. /р нач .

Объемная подача компрессора

Под объемной подачей понимают количество кубических метров газа, выходящего из компрессора в единицу времени и приведенного к давлению и температуре на входе в компрессор. Обозначают подачу компрессора, и выражают в м 3 /с.

Холодильная машина

Машина, осуществляющая искусственное охлаждение с помощью под-

водимой энергии, называется холодильной машиной.

Хладагент

Хладагент – рабочее тело холодильной машины.

Холодильный эффект

Холодильный эффект – это количество теплоты (q 2 ), отводимое от

охлаждаемого объекта одним килограммом хладагента.

Холодильная мощность

Количество теплоты, отводимое от охлаждаемого объекта в единицу времени, называют холодильной мощностью. Обозначают холодильную мощность N x , выражают в ваттах (Вт).

Для определения N x используют выражение:

N x = q 2 ,

где q 2 – холодильный эффект;

–секундный массовый расход хладагента.

Холодильный коэффициент

Холодильный коэффициент устанавливает энергетическую эффективность холодильных установок и численно равен отношению количества теплоты, отведенного от охлаждаемого тела, к количеству затраченной на охлаждение энергии.

Обозначают холодильный коэффициент , из определения = .

2. Теория теплообмена

Теплообмен

Теплообмен – это самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры .

Температурное поле

Температурным полем называют совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в некоторый фиксированный момент времени.

Температурный градиент

Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры и численно равный частотной производной от температуры по нормали к поверх-

ности:

Тепловой поток

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотерми-

ческую поверхность, называют тепловым потоком.

Тепловой поток обозначают, единица измерения ватт (Вт).

Плотность теплового потока

Тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности, называют плотностью теплового потока.

Обозначают плотность теплового потока , выражают в ваттах на метр квадратный (Вт/м2).Из определения:

Теплопроводность

Теплообмен посредством теплового движения микроструктурных частиц вещества (молекул, атомов, электронов, ионов) в той или иной среде называют теплопроводностью.

Закон теплопроводности

Тепловой поток, проходящий через элемент изотермической поверх-

ности dF , пропорционален grad T :

= qrad T dF .

Так как направления теплового потока и градиента температуры противоположны, в выражении за знаком равенства проставлен минус. Величина коэффициента пропорциональности , названа коэффициентом теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности – величина, характеризующая теплопроводящие свойства материала. Обозначение , c единицей измерения ватт на метр-кельвин (Вт/(м  К)).

Числовое значение коэффициента теплопроводности определяет коли-

чество теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени, при условии, что grad T = 1.

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Дифференциальным уравнением теплопроводности для трехмер-

ного нестационарного температурного поля называют уравнение вида:

где Т – температура;

–время;

а – коэффициент температуропроводности;

x , y , z – координаты.

Данное уравнение в общем виде устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке тела.

Коэффициент температуропроводности

Коэффициент температуропроводности – величина, характеризующая скорость распространения изотермических поверхностей в нестационарных тепловых процессах.

Обозначают коэффициент температуропроводности a и выражают в метрах квадратных в секунду (м2/с).

Для вычисления величины коэффициента температуропроводности используется выражение а =

Конвекция

Под конвекцией (от лат. conviction – перемещение, доставка) понимают теплообмен, осуществляемый макроскопическими элементами жидкой или газообразной среды при их перемещении .

Конвективный теплообмен

Перенос теплоты в теплоносителе конвекцией и теплопроводностью именуют конвективным теплообменом.

Теплоотдача

Конвективный теплообмен между теплоносителем и поверхностью обтекаемого им тела называют теплоотдачей.

Основной закон теплоотдачи

Плотность теплового потока пропорциональна температурному напору:

где коэффициент пропорцианальности, именуемый коэффициентом

теплоотдачи;

температурный напор, равный разности температур теплоно- сителя и поверхности.

Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность конвективного теплообмена на границе теплоноситель – стенка.

Обозначают коэффициент теплоотдачи и выражают в ваттах на метр квадратный-кельвин (Вт/(м2·К)). Численно коэффициент теплоотдачи равен тепловому потоку, приходящемуся на единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре, равном единице.

Дифференциальное уравнение теплоотдачи

Дифференциальным уравнением теплоотдачи называют выражение

вида:

Теория теплового подобия

Теория теплового подобия – это система понятий и правил, обеспечивающих возможность переноса результатов экспериментов по определению коэффициентов теплоотдачи с одних объектов на другие .

Теория теплового подобия позволяет, не интегрируя описывающие теплоотдачу дифференциальные уравнения, получить из них критерии подобия и, используя экспериментальные данные, установить критериальные зависимости для определения во всех подобных эксперименту процессах теплоотдачи.

Критерии теплового подобия

Под критериями теплового подобия понимают безразмерные комплексы, составленных из определенных комбинаций величин, описывающих тот или иной процесс теплоотдачи.

В большинстве задач по определению коэффициента теплоотдачи используются следующие критерии теплового подобия:

Критерий Нуссельта, Nu = ,

где α – коэффициент теплоотдачи,

l

λ – коэффициент теплопроводности.

Критерий Нуссельта характеризует теплообмен на границе стенка – теплоноситель и устанавливает численное отношение между интенсивностью теплоотдачи и тепловой проводимостью (λ / l) теплоносителя.

Критерий Рейнольдса, Re = ,

гдеc – скорость теплоносителя;

l – характерный геометрический размер;

Что такое изотермический процесс

Определение

Изотермическим процессом называется процесс, происходящий в неизменной массе газа при постоянной температуре.

\ \

Закон Бойля-Мариотта

Разделим уравнение (2) на уравнение (1), получим уравнение изотермического процесса:

\[\frac{p_2V_2}{p_1V_1}=1\ (3)\]

Уравнение (4) называют законом Бойля-Мариотта.

Этот процесс происходит с подводом тепла, если объем увеличивается, или его отводом, чтобы уменьшать объем. Запишем первое начало термодинамики, последовательно получим выражения для работы, внутренней энергии и количества теплоты изотермического процесса:

\[\delta Q=dU+dA=\frac{i}{2}\nu RdT+pdV,\ \left(5\right).\]

Температура не изменяется, следовательно, изменение внутренней энергии равно нулю ($dU=0$). Получается, что в изотермическом процессе все подводимое тепло идет на совершение газом работы:

\[\triangle Q=\int\limits^{V_2}_{V_1}{dA}\left(6\right),\]

где $\delta Q\ $- элементарное тепло, подводимое к системе, $dA$- элементарная работа, которую совершает газ в процессе, i - число степеней свободы молекулы газа, R -- универсальная газовая постоянная, d -количество молей газа, $V_1$- начальный объем газа, $V_2$- конечный объем газа.

Используем уравнение состояния идеального газа, выразим из него давление:

Подставим уравнение (8) в подынтегральное выражение уравнения (7):

Уравнение (9) -- выражение для работы газа в изотермическом процессе. Уравнение (9) можно записать через отношение давлений, если использовать закон Бойля-Мариотта, в таком случае:

\ \[\triangle Q=A\ (11),\]

Уравнение (11) определяет количество теплоты, сообщаемое газу массы m в изотермическом процессе$.

Изопроцессы очень часто изображают на термодинамических диаграммах. Так, линия, изображающая на такой диаграмме изотермический процесс, называется изотермой (рис.1).

Пример 1

Задание: Идеальный одноатомный газ расширяется при постоянной температуре от объема $V_1=0,2\ м^3$ до $V_2=0,6\ м^3$. Давление в состоянии 2 равно $p_2=1\cdot {10}^5\ Па$. Определить:

1. Изменение внутренней энергии газа.
2. Работу, которую совершает газ в этом процессе.
3. Количество теплоты, получаемое газом.

Так как процесс изотермический, то внутренняя энергия газа не изменяется:

\[\triangle U=0.\]

Из первого начала термодинамики, следовательно:

\[\triangle Q=A\ \left(1.1\right).\] \

Запишем уравнение конечного состояния идеального газа:

Подставим выражение для температуры из (1.3) в (1.2), получим:

Так как все величины в данных находятся в СИ, проведем расчет:

Ответ: Изменение внутренней энергии газа в заданном процессе равно нулю. Работа, которую совершает газ в этом процессе $6,6{\cdot 10}^4Дж.$ Количество теплоты, получаемое газом в данном процессе, $6,6{\cdot 10}^4Дж$.

Пример 2

Задание: На рис 2. представлен график изменения состояния идеального газа массы m в осях p(V). Перенесите этот процесс в оси p(T).