2.3. Первый закон термодинамики
Закон сохранения и превращения энергии является наиболее общим универсальным законом природы, применяемым ко всем явлениям и процессам.
Этот закон формулируется так: «Энергия изолированной системы, при любых происходящих в ней процессах, не меняется; энергия не уничтожается и не создается».
В термодинамике первое начало обычно записывают так (применительно к 1кг массы):
q = Δu + l (2.6)
или в дифференциальной форме:
dq = du +dl. (2.7)
Таким образом, в общем случае тепло, подводимое к системе, расходуется как на изменение энергии, так и на совершение работы.
2.4. Свойства рv – и Тs – диаграмм
Если воспользоваться системой координат рv, то величину работы можно определить графически.
Нетрудно
видеть (рис. 2.1), что элементарная площадка
аbcd = рdv
= dl,
а площадь АВСD
=
=
l.
Таким
образом, в системе координат рv
работа, совершенная в ходе процесса,
численно равна площади, ограниченной
кривой процесса, осью абсцисс и крайними
ординатами.
Из-за этого свойства рv- диаграмму называют рабочей диаграммой.
Теплота, подведенная (отведенная) в ходе элементарного обратимого процесса, может быть вычислена при использовании уравнений (2.4) и (2.5):
dQ = TdS или dq = Tds. (2.8)
Для всего процесса:
Q
=
или
q
=
.
(2.9)
Взаимосвязь между Т и S в разных процессах различна. Поэтому количество теплоты (как и работы) зависит не только от начального и конечного состояний системы, но и от вида процесса.
Решение интегралов (2.9) можно осуществить графическим путем, если воспользоваться диаграммой ТS. Нетрудно видеть (рис. 2.2), что элементарная площадка аbcd = Tds = dq, a площадь АВСD = = q.
Таким образом, в системе координат ТS площадь, ограниченная кривой процесса, осью абсцисс и крайними ординатами, численно равна подведенной (отведенной) теплоте. Поэтому ТS- диаграмму иначе называют тепловой.
T
а
d
b
c
T
A
B
C
D
P
B
b
p
c
C
а
d
A
D
ds
S
dv
V
Рис. 2.1 Рис. 2.2
2.5. Термодинамические процессы идеальных газов
Ранее было введено понятие «термодинамический процесс», без которого невозможно вести речь о работе, теплоте, теплоемкости, первом законе термодинамики и т.д. Протекание термодинамических процессов обеспечивает функционирование тепловых двигателей, компрессоров, различных пневматических приспособлений и т.п.
В ходе термодинамического процесса осуществляется в общем случае энергетическое взаимодействие термодинамической системы и окружающей среды, сопровождающееся изменением параметров состояния системы. Классический аппарат технической термодинамики позволяет проводить анализ обратимых процессов. Поэтому последующее изложение будет относиться к указанным процессам. Анализ термодинамических процессов существенно упрощается, если принять, что при их протекании теплоемкость тела, образующего систему, величина постоянная.
Рассмотрение термодинамических процессов начнем с политропного процесса, которым пользуются для аппроксимации реальных процессов.