Работа в термодинамике, так же как и в механике, определяется произведением действующей на рабочее тело силы на путь ее действия. Рассмотрим газ массой М и объемом V , заключенный в эластичную оболочку с поверхностью F (рисунок 2.1). Если газу сообщить некоторое количество теплоты, то он будет расширяться, совершая при этом работу против внешнего давления р , оказываемого на него средой. Газ действует на каждый элемент оболочки dF с силой, равной pdF и, перемещая ее по нормали к поверхности на расстояние dn , совершает элементарную работу pdFdn .
Рис. 2.1 – К определению работы расширения
Общую работу, совершенную в течение бесконечно малого процесса, получим, интегрируя данное выражение по всей поверхности F оболочки:
.
Из рисунок 2.1 видно, что изменение объема dV
выражается в виде интеграла по поверхности: 
, следовательно
δL = pdV. (2.14)
При конечном изменении объема работа против сил внешнего давления, называемая работой расширения, равна
Из (2.14) следует, что δL и dV всегда имеют одинаковые знаки:
если dV > 0, то и δL > 0, т.е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;
если же dV < 0, то и δL< 0, т. е. при сжатии работа тела отрицательна: это означает, что не тело совершает работу, а на его сжатие затрачивается работа извне.
Единицей измерения работы в СИ является джоуль (Дж).
Отнеся работу расширения к 1 кг массы рабочего тела, получим
l = L/M; δl = δL/М = pdV/M = pd(V/M) = pdv. (2.16)
Величина l, представляющая собой удельную работу, совершаемую системой, содержащей 1 кг газа, равна
Поскольку в общем случае р – величина переменная, то интегрирование возможно лишь тогда, когда известен закон изменения давления p = p(v).
Формулы (2.14) – (2.16) справедливы только для равновесных процессов, при которых давление рабочего тела равно давлению окружающей среды.
В термодинамике для исследования равновесных процессов широко используют рv – диаграмму, в которой осью абсцисс служит удельный объем, а осью ординат – давление. Поскольку состояние термодинамической системы определяется двумя параметрами, то на рv – диаграмме оно изображается точкой. На рисунке 2.2 точка 1 соответствует начальному состоянию системы, точка 2 – конечному, а линия 12 – процессу расширения рабочего тела от v 1 до v 2 .
При бесконечно малом изменении объема dv площадь заштрихованной вертикальной полоски равна pdv = δl, следовательно, работа процесса 12 изображается площадью, ограниченной кривой процесса, осью абсцисс и крайними ординатами. Таким образом, работа изменения объема эквивалентна площади под кривой процесса в диаграмме рv .
Рис. 2.2 – Графическое изображение работы в рv – координтах
Каждому пути перехода системы из состояния 1 в состояние 2 (например, 12, 1а2 или 1b2) соответствует своя работа расширения: l 1 b 2 >l 1 a 2 >l 12 Следовательно, работа зависит от характера термодинамического процесса, а не является функцией только исходного и конечного состояний системы. С другой стороны, ∫pdv зависит от пути интегрирования и, следовательно, элементарная работа δl не является полным дифференциалом.
Работа всегда связана с перемещением макроскопических тел в пространстве, например перемещением поршня, деформацией оболочки, поэтому она характеризует упорядоченную (макрофизическую) форму передачи энергии от одного тела к другому и является мерой переданной энергии.
Поскольку величина δl пропорциональна увеличению объема, то в качестве рабочих тел, предназначенных для преобразования тепловой энергии в механическую, целесообразно выбирать такие, которые обладают способностью значительно увеличивать свой объем. Этим качеством обладают газы и пары жидкостей. Поэтому, например, на тепловых электрических станциях рабочим телом служат пары воды, а в двигателях внутреннего сгорания – газообразные продукты сгорания того или иного топлива.
2.4 Работа и теплота
Выше отмечалось, что при взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой происходит обмен энергией, причем один из способов ее передачи – работа, а другой – теплота.
Хотя работа L и количество теплоты Q имеют размерность энергии, они не являются видами энергии. В отличие от энергии, которая является параметром состояния системы, работа и теплота зависят от пути перехода системы от одного состояния в другое. Они представляют две формы передачи энергии от одной системы (или тела) к другой.
В первом случае имеет место макрофизическая форма обмена энергией, которая обусловлена механическим воздействием одной системы на другую, сопровождаемым видимым перемещением другого тела (например, поршня в цилиндре двигателя).
Во втором случае осуществлена микрофизическая (т.е. на молекулярном уровне) форма передачи энергии. Мера количества переданной энергии – количество теплоты. Таким образом, работа и теплота – энергетические характеристики процессов механического и теплового взаимодействия системы с окружающей средой. Эти два способа передачи энергии эквивалентны, что вытекает из закона сохранения энергии, но неравноценны. Работа может непосредственно преобразовываться в теплоту – одно тело передает при тепловом контакте энергию другому. Количество же теплоты Q непосредственно расходуется только на изменение внутренней, энергии системы. При превращении теплоты в работу от одного тела – источника теплоты (ИТ) теплота передается другому – рабочему телу (РТ), а от него энергия в виде работы передается третьему телу – объекту работы (ОР).
Следует подчеркнуть, что если мы записываем уравнение термодинамики, то входящие в уравнения L и Q означают энергию, полученную соответственно макро– или микрофизическим способом.
На рис 3.3 представлена фазовая диаграмма в P – V координатах, а на рис.3.4 - в T – S координатах.
Рис.3.3. Фазовая Р-V диаграмма Рис.3.4. Фазовая Т-S диаграмма
Обозначения :
т + ж – область равновесного сосуществования твердой и жидкой
т + п – область равновесного сосуществования твердой и паро-
ж + п – область равновесного сосуществования жидкой и паровой
Если на Р – Т диаграмме области двухфазных состояний изображались кривыми, то P – V и T – S диаграммах – это некоторые площади.
Линия AKF называется пограничной кривой. Она в свою очередь разделяется на нижнюю пограничную кривую (участок АК) и верхнюю пограничную кривую (участок KF).
На рис.3.3 и 3.4 линия BF, где смыкаются области трех двухфазных состояний, - это растянутая тройная точка Т с рис3.1 и 3.2.
При плавлении вещества, которое, как и парообразование, протекает при постоянной температуре, образуется равновесная двухфазная смесь твердой и жидкой фаз. Значения удельного объема жидкой фазы в составе двухфазной смеси снимаются на рис3.3 с кривой АN, а значения удельного объема твердой фазы – с кривой ВЕ.
Внутри области, ограниченной контуром AKF, вещество представляет собой смесь двух фаз: кипящей жидкости (Ж) и сухого насыщенного пара (П).
Вследствие аддитивности объема удельный объем такой двухфазной смеси определяется по формуле
удельная энтропия:
Особые точки фазовых диаграмм
Тройная точка
Тройная точка – это точка, в которой сходятся кривые равновесия трех фаз. На рис.3.1 и 3.2 – это точка Т.
Некоторые чистые вещества, например, сера, углерод и др., в твердом агрегатном состоянии имеют несколько фаз (модификаций).
В жидком и газообразном состояниях модификации отсутствуют.
В соответствии с уравнением (1.3) в однокомпонентной термодеформационной системе одновременно находиться в равновесии могут не более трех фаз.
Если у вещества в твердом состоянии существуют несколько модификаций, то общее количество фаз вещества в сумме превышает три и такое вещество должно иметь несколько тройных точек. В качестве примера на рис.3.5 приведена фазовая Р –Т диаграмма вещества, имеющего две модификации в твердом агрегатном состоянии.
Рис.3.5. Фазовая Р-Т диаграмма
вещества с двумя кристалличес-
кими фазами
Обозначения :
I – жидкая фаза;
II – газообразная фаза;
III 1 и III 2 – модификации в твердом агрегатном состоянии
(кристаллические фазы)
В тройной точке Т 1 в равновесии находятся: газообразная, жидкая и кристаллическая фаза III 2. Эта точка является основной тройной точкой.
В тройной точке Т 2 в равновесии находятся: жидкая и две кристаллические фазы.
В тройной точке Т 3 в равновесии находятся газообразная и две кристаллические фазы.
У воды известно пять кристаллических модификаций (фаз): III 1, III 2 , III 3 , III 5 , III 6 .
Обычный лед – это кристаллическая фаза III 1 , а остальные модификации образуются при очень больших давлениях, составляющих тысячи МПа.
Обычный лед существует до давления 204,7 МПа и температуры – 22 0 С.
Остальные модификации (фазы) – это лед плотнее воды. Один из этих льдов – « горячий лед » наблюдался при давлении 2000 МПа вплоть до температуры + 80 0 С.
Термодинамические параметры основнойтройной точки воды следующие:
Т тр = 273,16 К = 0,01 0 С;
Р тр = 610,8 Па;
V тр = 0,001 м 3 /кг.
Аномалия кривой плавления () существует только для обычного льда.
Критическая точка
Как следует из фазовой P – V диаграммы (рис.3.3) по мере роста давления различие между удельными объемами кипящей жидкости (V") и сухого насыщенного пара (V"") постепенно уменьшается и в точке К становится равным нулю. Такое состояние называется критическим, а точка К – критической точкой вещества.
P к, T к, V к,S к – критические термодинамические параметры вещества.
Например, для воды:
P к = 22,129 МПа;
T к = 374, 14 0 С;
V к = 0, 00326 м 3 /кг
В критической точке свойства жидкой и газообразной фаз одинаковы.
Как следует из фазовой Т – S диаграммы (рис 3.4) в критической точке теплота парообразования, изображаемая как площадь под горизонтальной линией фазового перехода (С" - С""), от кипящей жидкости к сухому насыщенному пару, равна нулю.
Точка К для изотермы Т к в фазовой P – V диаграмме (рис.3.3) является точкой перегиба.
Изотерма Т к, проходящая через точку К, является предельной изотермой двухфазной области, т.е. отделяет область жидкой фазы от области газообразной.
При температуре выше Т к изотермы уже не имеют ни прямолинейных участков, свидетельствующих о фазовых переходах, ни точки перегиба, характерной для изотермы Т к, а постепенно принимают вид плавных кривых, близких по форме к изотермам идеального газа.
Понятия «жидкость» и «газ» (пар) в известной степени условны, т.к. взаимодействия молекул в жидкости и газе имеют общие закономерности, отличаясь лишь количественно. Этот тезис можно проиллюстрировать рисунком3.6, где переход из точки Е газообразной фазы в точку L жидкой фазы произведен в обход критической точки К по траектории EFL.
Рис.3.6. Два варианта фазового перехода
из газообразной в жидкую фазу
При переходе по линии AD в точке С происходит разделение вещества на две фазы и затем вещество постепенно переходит из газообразной (парообразной) фазы в жидкую.
В точке С свойства вещества изменяются скачком (в фазовой P – V диаграмме точка С фазового перехода превращается в линию фазового перехода (С" - С"")).
При переходе по линии EFL превращение газа в жидкость происходит непрерывно, так как линия EFL нигде не пересекает кривую парообразования ТК, где вещество одновременно существует в виде двух фаз: жидкой и газообразной. Следовательно, при переходе по линии EFL вещество не будет распадаться на две фазы и останется однофазным.
Критическая температура Т к – это предельная температура равновесного сосуществования двух фаз.
Применительно к термодинамическим процессам в сложных системах это классическое лаконичное определение Т к может быть развернуто следующим образом:
Критическая температура Т к - это нижняя температурная граница области термодинамических процессов, в которых невозможно появление двухфазного состояния вещества «газ - жидкость» ни при каких изменениях давления и температуры. Это определение иллюстрируются рис.3.7 и 3.8. Из этих рисунков следует, что эта область ограниченная критической температурой, охватывает только газообразное состояние вещества (газовую фазу). Газообразное состояние вещества, именуемое паром в эту область не входит.
Рис. 3.7. К определению критической Рис.3.8.К определению критиче-
температуры ской температуры
Из этих рисунков следует, что эта заштрихованная область, ограниченная критической температурой, охватывает только газообразное состояние вещества (газовую фазу). Газообразное состояние вещества, именуемое паром в эту область не входит.
Используя понятие критической точки, можно из общего понятия «газообразное состояние вещества» выделить понятие «пар».
Пар – это газообразная фаза вещества в области температур ниже критической.
В термодинамических процессах, когда линия процесса пересекает или кривую парообразования ТК, или кривую сублимации 3, газообразная фаза всегда сначала является паром.
Критическое давление Р к – это давление, выше которого разделение вещества на две одновременно и равновесно сосуществующие фазы: жидкость и газ невозможно при любой температуре.
Это классическое определение Р к, применительно к термодинамическим процессам в сложных системах можно сформулировать более подробно:
Критическое давление Р к – это нижняя по давлению граница области термодинамических процессов, в которых невозможно появление двухфазного состояния вещества «газ - жидкость» ни при каких изменениях давления и температуры. Это определение критического давления иллюстрируется рис.3.9. и 3.10. Из этих рисунков следует, что эта область, ограниченная критическим давлением, охватывает не только часть газообразной фазы, расположенную выше изобары Р к, но и часть жидкой фазы, расположенную ниже изотермы Т к.
Для сверхкритической области за вероятную (условную) границу «жидкость-газ» условно принимают критическую изотерму.
Рис.3.9.К определению критичес - Рис.3.10. К определению критического
кого давления давления
Если давление перехода много больше давления в критической точке, то вещество из твердого (кристаллического) состояния будет переходить прямо в газообразное состояние, минуя жидкое состояние.
Из фазовых Р-Т диаграмм аномального вещества (рис 3.6, 3.7, 3.9) это не очевидно, т.к. на них не показана та часть диаграммы, где вещество, имеющее при больших давлениях несколько кристаллических модификаций (и, соответственно, несколько тройных точек), снова приобретает нормальные свойства.
На фазовой Р – Т диаграмме нормального вещества рис. 3.11 этот переход из твердой фазы сразу в газообразную показан в виде процесса А"D".
Рис. 3.11. Переход нормального
вещества из твердой фазы сразу в
газообразную при Р>Ртр
Переход вещества из твердой фазы в паровую, минуя жидкую, возложен лишь при Р<Р тр. Примером такого перехода, называемого сублимацией, является процесс АD на рис 3.11.
Критическая температура имеет весьма простое молекулярно – кинетическое истолкование.
Объединение свободно движущихся молекул в каплю жидкости при сжижении газа происходит исключительно под действием сил взаимного притяжения. При Т>Т к кинетическая энергия относительного движения двух молекул больше энергии притяжения этих молекул, поэтому образование капель жидкости (т.е. сосуществование двух фаз) невозможно.
Критические точки имеют только кривые парообразования, так как они соответствуют равновесному сосуществованию двух изотропных фаз: жидкой и газообразной. Линии плавления и сублимации не имеют критических точек, т.к. они соответствуют таким двухфазным состояниям вещества, когда одна из фаз (твердая) является анизотропной.
Закритическая область
В фазовой Р-Т диаграмме – это область, расположенная правее и выше критической точки, примерно там, куда можно было бы мысленно продолжить кривую насыщения.
В современных прямоточных паровых котлах парообразование осуществляется в закритической области.
Рис.3.12. Фазовый переход в Рис.3.13. Фазовый переход в докритической
докритической и закритической и закритической областях Р-V диаграммы
областях Р-Т диаграммы
Термодинамические процессы в закритической области протекают с рядом отличительных особенностей.
Рассмотрим изобарный процесс AS в докритической области, т.е. при . Точка А соответствует жидкой фазе вещества, которая при достижении температуры Т н начинает превращаться в пар. Этому фазовому переходу соответствует точка В на рис.3.12 и отрезок В"В"" на рис 3.13. При переходе через кривую насыщения ТК свойства вещества изменяются скачком. Точка S соответствует газообразной фазе вещества.
Рассмотрим изобарный процесс A"S" при давлении . В точке А" вещество находится в жидкой фазе, а в точке S"- в газообразной, т.е. в различных фазовых состояниях. Но при переходе от точки A" к S" скачкообразного изменения свойств не происходит: свойства вещества меняются непрерывно и постепенно. Скорость этого изменения свойств вещества на линии A"S" различна: мала вблизи точек А" и S" и резко возрастает при входе в закритическую область. На любой изобаре в закритической области можно указать точки максимальной скорости изменения: температурного коэффициента объемного расширения вещества , энтальпии, внутренней энергии, вязкости, теплопроводности и т.д.
Таким образом, в закритической области развиваются явления, похожие на фазовые переходы, но двухфазное состояние вещества «жидкость - газ» при этом не наблюдается. Кроме этого, границы закритической области размыты.
При Р<Р к, т.е. в докритической области, на фазовое превращение «жидкость - пар» требуется затратить скрытую теплоту парообразования, которая является как бы «тепловым барьером» между жидкой и паровой фазами.
Нечто подобное наблюдается в закритической области. На рис3.14 представлена типичная картина изменения удельной изобарной теплоемкости при Р>Р к.
Рис.3.14. Удельная изобарная
теплоемкости при закритическом
давлении.
Так как Q р = С р dТ, то площадь под кривой Ср(Т) – это теплота, необходимая для превращения жидкости (точка А’) в газ (точка S’) при закритическом давлении. Пунктирной линией А’М S’ показана типичная зависимость Ср от температуры вдокритической области.
Таким образом, максимумы на кривой С р (Т) в закритической области, означающие дополнительные затраты теплоты на нагревание вещества, также выполняют схожие функции «теплового барьера» между жидкостью и газом в этой области.
Как показали исследования, положения максимумов 
не совпадают, что свидетельствует об отсутствии единой линии раздела жидкости и пара в закритической области. В ней существует лишь широкая и размытая зона, где превращение жидкости в пар происходит наиболее интенсивно.
Наиболее интенсивно эти превращения происходят при давлениях, не слишком превышающих критическое (Р к). По мере повышения давления явления превращение жидкости в пар сглаживаются и при больших давлениях проявляются очень слабо.
Таким образом, при Р>Р к существуют, но не могут сосуществовать одновременно и равновесно жидкая фаза, газообразная фаза и некоторая промежуточная фаза. Эту промежуточную фазу иногда называют метафазой , она сочетает в себе свойства жидкости и газа.
Из-за резкого изменения термодинамических параметров, теплофизических характеристик и характеристических функций в закритической области погрешности их экспериментального определения в этой области в десять с лишним раз больше, чем при докритических давлениях.
Читайте также:
|
Водяной пар получают в паровых котлах, различных по конструкции и производительности. Процесс парообразования в котлах обычно происходит при постоянном давлении, т.е. при p = const.
Pv-диаграмма.
Рассмотрим особенности процесса парообразования. Предположим, что 1 кг воды при температуре 0°С находится в цилиндрическом сосуде с поршнем, на который действует груз, обусловливающий давление p 1 (рис.1.)
. При температуре 0°С принятое количество воды занимает объем v 0 . На диаграмме р-v (рис.2) 
это состояние воды отобразится точкой а 1 . Начнем постепенно, сохраняя неизменным давление р 1 , нагревать воду, не снимая с нее поршня и груза. Температура ее при этом будет повышаться, а объем незначительно возрастать. При некоторой температуре t н1 (температура кипения) вода закипит.
Дальнейшее сообщение тепла не повышает температуру кипящей воды, однако оно вызывает постепенное превращение воды в пар до тех пор, пока вся вода не испарится и в сосуде не останется один пар. Начало процесса кипения – объем v’ 1 ; состояние пара – v 1 ’’. Процесс нагрева воды от 0 до t н1 будет отображаться на диаграмме изобарой а 1 - v’ 1 .
Обе фазы - жидкая и газообразная - в каждый данный момент находятся во взаимном равновесии. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, из которой он образуется, называют насыщенным паром ; если он не содержит жидкой фазы, его называют сухим насыщенным ; если же он содержит в себе и жидкую фазу в виде мелкодисперсных частиц, то его называют влажным насыщенным и просто насыщенным паром.
Чтобы судить о содержании во влажном паре воды и сухого насыщенного пара, в термодинамике применяют понятие о степени сухости или просто сухости пара. Под степенью сухости (сухостью) пара понимают массу сухого пара, содержащегося в единице массы влажного пара, т. е пароводяной смеси. Степень сухости пара обозначают буквой х и она выражает долю сухого насыщенного пара во влажном паре. Очевидно, величина (1-х) представляет собой массу воды в единице массы пароводяной смеси. Эту величину называют влажностью пара . По мере парообразования величина степени сухости пара возрастет от 0 до 1, а влажность пара уменьшается от 1 до 0.
Продолжим рассмотрение процесса. Если сухому насыщенному пару, занимающему в сосуде объем v 1 ", продолжать сообщать тепло, то при неизменном давлении температура его и объем будут возрастать. Повышение температуры пара сверх температуры насыщения называют перегревом пара . Перегрев пара определяется разностью температур перегретого и насыщенного пара, т.е. величиной ∆t = t - t н1 . На рис. 1, г показано положение поршня, при котором пар перегрет до температуры, которой соответствует удельный объем v 1 . На р-v диаграмме процесс перегрева пара отображается отрезком v 1 "- v 1 .
T-s диаграмма.
Рассмотрим, как отображаются процессы нагрева воды, парообразования и перегрева пара в системе координат T-s, называемой T-s диаграммой.
Для давления р 1 (рис.3) 
кривая нагрева воды от 0 ºС ограничивается отрезком а-b 1 , на котором точка b 1 соответствует температуре кипения t н1 . По достижении этой температуры процесс парообразования из изобарного переходит в изобарно-изотермический, который на T-s диаграмме отображается горизонтальной линией.
Очевидно, для давлений p 2 < p 3 < p 4 и т.д., превышающих p 1 , точки b 2 , b 3 , b 4 и т.д., располагающиеся на нижней пограничной кривой а-Ки соответствующие температурам кипения t н2 , t н3 , t н4 (на рисунке показаны соответствующие абсолютные температуры), будут помещаться выше точки b 1 и притом тем выше, чем больше давление, при котором происходит процесс нагрева воды.
Длины отрезков b 1 -с 1 , b 2 -с 2 , b 3 -с 3 и т.д., характеризующие изменения энтропии в процессе парообразования, определяются величиной r/T н.
Точки с 2 , с 3 , с 4 и т. д., отображающие окончание процесса парообразования, в совокупности образуют верхнюю пограничную кривую с 1 -К.Обе пограничные кривые сходятся в критической точке К.
Область диаграммы, заключенная между изобарой а-с и пограничными кривыми, соответствует различным состояниям влажного пара.
Линия а-а 2 отображает процесс парообразования при давлении, превышающем критическое. Точки d 1 , d 2 и т.д. на кривых перегрева пара определяются температурами перегрева (Т 1 , Т 2 и т.д.).
Площади, расположенные под соответствующими участками этих линий, выражают количество тепла, сообщенного воде (или пару) в этих процессах. Сообразно с этим, если пренебречь величиной pv 0 , то применительно к 1 кг рабочего тела площадь а-b 1 -1-0соответствует величине h", площадь b 1 -с 1 -2-1– величине rи площадь с 1 -d 1 -3-2 величине q = c рт (t 1 – t н). Суммарная площадь а-b 1 -с 1 -d 1 -3-0 соответствует сумме h" + r + c рт (t 1 – t н) = h, т. е. энтальпии пара, перегретого до температуры t 1 .
Диаграмма h-S водяного пара.
Для практических расчетов обычно пользуются h-S диаграммой водяного пара. Диаграмма (рис.4) 
представляет собой график, построенный в системе координат h-S,
на котором нанесен ряд изобар, изохор, изотерм, пограничные кривые и линии постоянной степени сухости пара.
Эта диаграмма строится следующим образом. Задаваясь для данного давления различными значениями энтропии, по таблицам находят соответствующие значения энтальпии и по ним в системе координат h-Sв масштабе строят по точкам соответствующую кривую давления - изобару. Поступая далее таким же образом, строят изобары для других давлений.
Пограничные кривые строят по точкам, находя для различных давлений по таблицам значения s" и s" и соответствующие им значения h"и h".
Чтобы построить изотерму для какой-либо температуры, нужно найти по таблицам ряд значений h и Sдля различных давлений при выбранной температуре.
Изохоры на диаграммах T-s и h-S наносят, пользуясь таблицами пара, находя по ним для одних и тех же удельных объемов пара соответствующие значения s и Т. На рис. 3. показана схематически и без изохор диаграмма h-S, построенная от начала координат. Поскольку диаграммой h-S пользуются при тепловых расчетах, в которых пользоваться частью диаграммы, охватывающей область сильно влажного пара (х < 0,5) не приходится, для практических целей обычно левую нижнюю часть при построении диаграммы отбрасывают.
Изображенная на рис. 4. изобара О-С, соответствующая давлению в тройной точке, проходит через начало координат под наименьшим наклоном и снизу ограничивает область влажного пара. Область диаграммы, расположенная под этой изобарой, соответствует различным состояниям смеси пара и льда; область, расположенная между изобарой О-С и пограничными кривыми, - различным состояниям влажного насыщенного пара; область над верхней пограничной кривой – состояниям перегретого пара и область над нижней пограничной кривой состояниям воды.
T-S-, P-v- и h-s-диаграммы состояния водяного пара применяются в инженерных расчетах паросиловых установок, паровых турбин.
Паросиловая установка (ПСУ) предназначена для выработки пара и эл.энергии. ПСУ представляют циклом Ренкина. На диаграмме p-v и T-S этот цикл представлен на (рис.5и6) 
соответственно.
1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине до давления в конденсаторе p 2 ;
2-2 " – конденсация пара в конденсаторе, отвод тепла при p 2 = const.
Т.к. при давлениях, применяемых обычно в теплотехнике, изменением объема воды при её сжатии можно пренебречь, то процесс адиабатического сжатия воды в насосе происходит практически при постоянном объеме воды и может быть представлен изохорой 2 " -3.
3-4 – процесс нагревания воды в котле при p 1 = const до температуры кипения;
4-5 – парообразование;5-1 – перегрев пара в пароперегревателе.
Процессы нагревания воды до кипения и парообразование происходят при постоянном давлении (P = const, T = const) .Поскольку процессы подвода и отвода теплоты в рассмотренном цикле осуществляется по изобарам, а в изобарном процессе количество подведенной (отведенной) теплоты = разности энтальпий раб.тела в начале и конце процесса:
h 1 – энтальпия перегретого пара на выходе из котла; h 4 – энтальпия воды на входе в котел;
h 2 – энтальпия влажного пара на выходе из турбины; h 3 – энтальпия конденсата на выходе из конденсатора.
Процесс расширения пара турбинной установки удобно рассматривать в h-S диаграмме.
Каждое из этих уравнений содержит два множителя. Один характеризует качество или напряженность энергии (ω2 − квадрат скорости, H – высота подъема груза, T – температура, p −давление), а второй – выражает количество или ёмкость тела по отношению к данной энергии (m – масса тела, V − удельный объем, S – энтропия). Первый множитель является интенсивным фактором, а второй – экстенсивным. То есть энтропия представляет собой емкость термодинамической системы по отношению к тепловой напряженности.
Клаузиус дал формулировки первого и второго законов термодинамики.
Энергия Вселенной постоянна.
Энтропия Вселенной стремится к максимуму.
Таким образом, это должно привести к тепловой смерти Вселенной, когда температура выровняется. Но это противоречит, тому, что закон возрастания энтропии получен для изолированной системы.
TS – диаграмма.
На этой диаграмме по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс – энтропия.
Равновесное состояние в TS − диаграмме изображаются точками с координатами, соответствующими значениям температуры и энтропии.
Обратимый термодинамический процесс изменения состояния рабочего тела от начального состояния 1 до конечного состояния 2 изображается на TS − диаграмме непрерывной кривой, проходящей между этими точками.
Площадь abdc равна TdS = dq , т.е. выражает элементарное количество теплоты, получаемой или отдаваемой системой в обратимом процессе.
Площадь под кривой 1-2 равна
То есть площадь под кривой в TS − диаграмме, представляет собой теплоту, подведенную к системе или отведенную от нее.
Поэтому TS − диаграмму называют тепловой.
Проведем в произвольной точке M на кривой 1-2 касательную к этой кривой
Величина представляет собой истинную теплоемкость процесса.
Газовые процессы в TS − диаграмме.
Изотермический процесс .
При изотермическом процессе T = const . Поэтому TS − диаграмме он изображается прямой линией, параллельной оси абсцисс.
С учетом того, что dT =0 , зависимости изменения энтропии идеального газа в изотермическом процессе примут вид
(уходит слагаемое в правой части)
Процесс 1-2 – это процесс, в котором энтропия увеличивается, а следовательно, к газу подводится теплота и газ совершает работу расширения, эквивалентную этой теплоте.
Процесс2-1− это процесс сжатия, в котором теплота, эквивалентная работе сжатия, отводится от газа и энтропия уменьшается
Площадь фигуры S 1 12 S 2 соответствует количеству теплоты q , сообщаемому газу, и одновременно работе l (изотермический процесс)
Адиабатный процесс
В адиабатном процессе q =0 и dq =0, а следовательно dS =0.
Следовательно, в адиабатном процессе S = const и в TS − диаграмме адиабатный процесс изображается прямой линией, параллельной оси T .
Поскольку в адиабатном процессе S = const ,то адиабатные обратимые процессы называют также изоэнтропными.
При адиабатном сжатии температура рабочего тела повышается, а при расширении понижается. Поэтому процесс1-2 – это процесс сжатия, а процесс 2-1 – это расширение.
Из уравнения
(3)
При k = const получим
Для обратимого адиабатного процесса S 1 = S 2 = const , тогда из (*)
− уравнение адиабаты в координатах p и V .
Изохорный процесс
Для изохорного процесса V = const , dV =0.
При постоянной теплоемкости (из ур. (1))
−вид на TS – диаграмме
Подкасательная к кривой процесса в любой её точке определяет значение истинной теплоёмкости C V .
Подкасательная будет положительной только в том случае, если кривая будет обращена выпуклостью вниз.
Площадь под кривой процесса 1-2 на TS – диаграмме дает в масштабе количество подведенной (или отведенной в процессе 2-1) теплоты q , равное изменению внутренней энергии U 2 - U 1 .
Изобарный процесс
В изобарном процессе давление постоянное p = const
В этом случае
из
(2)
Следовательно, при p = const как и при V = const изобара является логарифмической кривой, поднимается следа направо и обращена выпуклостью вниз.
Подкасательная к кривой 1-2 в любой её точке дает значения истинной теплоёмкости C p .
Площадь под кривой дает кол-во теплоты q , которая сообщается газу при p = const , равное изменению энтальпии i 2 - i 1 .
Политропный процесс
В политропном процессе.Теплоёмкость в этом процессе
Отсюда, для конечного изменения состояния газа
Политропный процесс на TS – диаграмме изображается кривой, расположение которой зависит от показателя n .
Круговой процесс. Цикл Карно.
Изобразим в TS – диаграмме произвольный обратимый цикл 1 a 2 b 1 .
В процессе 1 a 2 рабочее тело получает кол-во теплоты q 1 , численно равное площади под кривой 1 a 2, а в процессе 2-b -1 отдает кол-во теплоты q 2 , численно равное площади под кривой 2-b -1.
Часть теплоты
переходит в работу цикла l (∆ u =0 в цикле).
Работа цикла положительна, если цикл проходит по часовой стрелке и отрицательна, если против часовой стрелки (направление цикла в pV и TS − диаграммах одинакова).
Термический к.п.д. кругового процесса
Изменение энтропии в любом цикле равно нулю.
Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. В TS – диаграмме он будет изображаться в виде прямоугольника (горизонтальные линии – изотермы, вертикальные – адиабаты)
Количество теплоты, подведенное к рабочему телу, числено равно площади прямоугольника 12S 2 S 1 :
Количество теплоты, отведенное к холодильнику, соответствует площади прямоугольника 34S 1 S 2 :
Теплота, эквивалентная работе цикла, равная площади цикла
Термический к.п.д. цикла
Для обратного цикла (рис. справа)
Холодильный коэффициент обратного цикла
Среднеинтегральная температура
В произвольном обратимом цикле подвод и отвод теплоты происходит при переменных температурах. Для упрощения термодинамических исследований вводится понятие среднеинтегральной температуры.
Рассмотрим произвольный политропный процесс в TS – диаграмме, в котором к рабочему телу подводится теплота q (процесс 1-2).
Под среднеинтегральной температурой рабочего тела в процессе 1-2 понимается температура, которая равна высоте прямоугольника abdc равновеликого площади a 12 b под кривой процесса 1-2, т.е
Поскольку
а отрезок
Таким образом, среднеинтегральная температура газа для любого процесса равна отношению кол-ва, теплоты, сообщаемого газу или отбираемого от него, к изменению энтропии.
Для любого политропного процесса
и среднеинтегральная температура (из (*))
Отсюда видно, что среднеинтегральная температура в любом политропном процессе зависит только от начальной T 1 и конечной T 2 температур и не зависит от характера процесса.
В произвольном цикле, в котором сжатие и расширение газа являются адиабатными (участки 1-2, 3-4), кол-во теплоты подводимой на участок 2-3
и отводимой на участке 4-1
Тогда термический к.п.д. цикла
,
то есть термический к.п.д. произвольного цикла равен термическому к.п.д. цикла Карно, осуществляемому между среднеинтегральными температурами процессов подводя T 1 Cp и отводя T 2 Cp теплоты.
Обобщенный цикл Карно
Цикл Карно имеет наивысший термический к.п.д. однако возможны и другие циклы, которые при некоторых дополнительных условиях могут иметь термический к.п.д., равный к.п.д. цикла Карно.
Рассмотрим пример такого цикла на рис. показан цикл Карно 1-2-3-4, состоящий, из двух адиабат 2-3, 4-1 и двух изотерм 1-2, 3-4.
Проведём из точки 1 и 2 две эквидистантные кривые 1-6 и 2-5 до пересечения с изотермой T 2 = const и рассмотрим обратный цикл 1-2-5-6, состоящий из двух изотерм и двух эквидистантных кривых 6-1(политропы) и 2-5.
В процессе 1-2 к рабочему телу при температуре T 1 = const подводится кол-во теплоты
В процессе 2-5 от рабочего тела отводится кол-во теплоты, равное площади фигуры 9-5-2-10.
В процессе 5-6 от рабочего тела при T 2 = const отводится кол-во теплоты
В процессе 6-1 к рабочему телу подводится кол-во теплоты q 6-1 , равное площади 7-6-1-8.
Поскольку кривые 1-6, 2-5 эквидистантны, то пл. 7618 = пл. 952-10 следовательно, кол-во теплоты также одинаково.
Это показывает, что промежуточные теплоприемники и теплопередатчики являются только регенераторами теплоты, которые в процессе 2-5 от рабочего тела отбирают теплоту, а в процессе 6-1 отдают её в том же количестве рабочему телу. Таким образом, 1-2-5-6 действительными внешними источниками являются теплопередатчик с температурой T 1 и теплоприёмник с температурой T 2 .
Теплота, превращаемая в цикле в работу
Термический к.п.д. определяется по формуле
То есть, термический к.п.д. рассматриваемого цикла равен к.п.д. цикла Карно.
Термодинамический цикл, в котором отвод теплоты от рабочего тела осуществляется в одном или нескольких процессах цикла для подвода в одном или нескольких процессах называется регенеративным циклом.
В отличие от цикла Карно, для регенеративного цикла необходим промежуточный источник, аккумулирующий теплоту.
Термодинамическая шкала температур
При использовании различных термодинамических тел шкала получается неравномерной из-за особенностей теплового расширения этих веществ.
Второй закон термодинамики позволяет построить шкалу температур, не зависящую от свойств термометрического тела (предложена Кельвином)
В цикле Карно термический к.п.д. не зависит от свойств рабочего тела, а является функцией температур горячего и холодного источника.
Термический к.п.д.
Таким образом, отношение температур рабочего тела может быть определено отношением теплоты. Отсюда следует, что если циклы Карно (рис.) образованы с помощью эквидистантных изотерм, то в этих циклах в работу превращается одинаковое кол-во теплоты.
Пусть изотермы температур T 0 и T k соответствуют температурам таяния льда (0 °С) и кипение воды (100 °С).
В цикле Карно 1234 в работу превращается теплота q равная площади фигуры 1234 . Если разбить эту площадь сеткой равностоящих изотерм на 100 равных частей, в каждом из полученных циклов Карно в работу будет превращаться кол-во теплоты 0,01 q . Температурный интервал между изотермами составит 1 °С.
Аналогично можно построить шкалу, лежащую ниже изотермы с температурой T 0 (0 °С).
За нижнюю точку термодинамической шкалы принята температура, при которой термический к.п.д. цикла Карно =1. Согласно
при T 2 =0 . Более низкой температуры существовать не может, поскольку в этом случае , что противоречит второму закону термодинамики.
Следовательно T =0 (-273.15 ) – это наименьшая возможная температура и она может быть принята за начальную постоянную естественную точку температурной шкалы. Таким образом, абсолютная температура не может иметь отрицательных значений.
Термодинамическая шкала температур получена для идеального газа.
Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.
1. Изохорический процесс . Закон Шарля. V = const.
Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V . Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля :
При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const.
График изохорического процесса на РV -диаграмме называется изохорой . Полезно знать график изохорического процесса на РТ - и VT -диаграммах (рис. 1.6). Уравнение изохоры:
Где Р 0 – давление при 0 °С, α - температурный коэффициент давления газа равный 1/273 град -1 . График такой зависимости на Рt -диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.7.
Рис. 1.7
2. Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.
Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р . Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака :
При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.
График изобарического процесса на VT -диаграмме называется изобарой . Полезно знать графики изобарического процесса на РV - и РT -диаграммах (рис. 1.8).
Рис. 1.8
Уравнение изобары:
Где α =1/273 град -1 - температурный коэффициент объёмного расширения . График такой зависимости на Vt диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.9.
Рис. 1.9
3. Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const.
Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.
Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта:
При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.
График изотермического процесса на РV -диаграмме называется изотермой . Полезно знать графики изотермического процесса на VT - и РT -диаграммах (рис. 1.10).
Рис. 1.10
Уравнение изотермы:
| (1.4.5) |
4. Адиабатический процесс (изоэнтропийный):
Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.
5. Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов.
6. Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится N A =6,02·10 23 молекул (число Авогадро).
7. Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений Р, входящих в неё газов:
 |
(1.4.6) |
Парциальное давление Pn – давление, которое оказывал бы данный газ, если бы он один занимал весь объем.
При 
, давление смеси газов.