Термодинамика. Основные понятия и определения. Теплота и работа, как форма передачи энергии

Июль 23, 2022

Главная
Физика
Термодинамика. Основные понятия и определения. Теплота и работа, как форма передачи энергии

Содержание

2. Термодинамика – раздел физики, представляет собой науку о превращениях различных видов энергии друг в друга. Общая
3. Техническая термодинамика Изучает закономерности взаимного превращения теплоты и работы, происходящие в макроскопических системах; Изучает свойства тел,
4. Теплота и работа Теплота и работа представляют две формы передачи энергии от одного тела к другому:
5. Рабочее тело В процессах превращения тепла в механическую работу всегда участвует некоторое промежуточное вещество (например, продукты
6. Состояния рабочего тела Стационарное – не изменяется во времени. Равновесное – одноименные интенсивные макропараметры имеют одно
7. Термодинамическая система (ТДС) Совокупность рабочих тел, обменивающихся энергией и веществом между собой и окружающей средой, –
8. Классификация ТДС Изолированные (замкнутые) – отсутствует обмен веществом и энергией с окружающей средой; Термодинамически изолированные –
9. Классификация ТДС Закрытые – отсутствует обмен веществом с внешней средой. Рабочее тело не пересекает границу системы
10. Основные термодинамические параметры При взаимодействии с окружающей средой рабочее тело переходит из одного состояния в другое.
11. Интенсивные – не зависят от количества вещества в системе; Удельные – отнесенные к единице количества вещества
12. Термодинамические параметры Макроскопические физические величины, характеризующие систему в состоянии равновесия, - термодинамические параметры состояния системы. T,
13. Основные параметры Абсолютное давление – Рабс, Па; давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления (абсолютного вакуума). Paбс=Ратм+Ризб,
14. Основные параметры Абсолютная температура – T, K; Т К=273,15+t°С. Удельный объем – ν = V/M, м3/кг.
15. Температура – это мера средней кинетической энергии молекул. Чем выше движение молекул, тем выше температура тела.
16. Термическое уравнение состояния рабочего тела Характеризует термодинамическое состояние вещества, находящегося в состоянии равновесия (во всей массе
17. Термодинамические процессы Равновесный – рабочее тело проходит непрерывный ряд равновесных состояний. Обратимый – процесс, допускающий возвращение
18. Теплоемкость Теплоемкость с - количество теплоты, необходимой для изменения на 1 градус единичной массы рабочего тела
20. Теплоемкость смеси газов Тогда соответственно массовая, объемная и мольная теплоемкости смеси: ; ; . Два последних
21. Теплоемкость газов зависит от протекания процесса: изохорная -массовая изохорная теплоемкость - объемная изохорная теплоемкость - мольная
22. Внутренняя энергия Совокупность всех видов энергии тела или системы в данном состоянии, не связанных с движением
23. Внутренняя энергия Идеальные газы – энергия взаимодействия равна нулю, энергия их теплового движения зависит от температуры:
24. Энтальпия Тепловая функция: Удельная энтальпия: где u – внутренняя энергия газа; pv – потенциальная энергия давления
25. Энтропия Энтропия – параметр, изменяющийся от количества переданной теплоты. При обмене энергией в форме теплоты: обобщенная
26. Тепловая теорема Нернста (ТРЕТИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ) При температуре, стремящейся к абсолютному нулю, энтропия вещества, находящегося в
27. T-S диаграмма имеют одинаковые знаки: при подводе теплоты энтропия возрастает и наоборот
28. Идеальный и реальный газ Идеальный газ – отсутствуют силы сцепления между молекулами, молекулы материальные точки, не
29. Идеальный газ PV=RT - уравнение Клайперона где R - газовая постоянная, которая зависит от природы газа,
30. Термическое уравнение состояния идеальных газов где – газовая постоянная, Дж/(кг ·К); - универсальна газовая постоянная, 8314
31. Законы идеальных газов Закон Дальтона – давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси: pi
32. Состав смеси, концентрации Мольная доля: Относительная мольная доля: Массовая доля: Относительная массовая доля:
33. Концентрации Объемная (мольная) доля: ri = Vi/V Vi - парциальный (приведенный) объем каждого газа V -
34. Реальные газы Для реальных газов необходимо учитывать взаимодействие между молекулами, т.к. обычно это достаточно плотные газы.
35. Реальные газы 2 способ. Уравнения с вириальными коэффициентами. А,В,С - вириальные коэффициенты. Уравнение считается наиболее точным
36. Уравнение состояния реальных газов 3 способ. Уравнение Ван-Дер-Ваальса Межмолекулярные силы отталкивания позволяют молекулам сближаться до некоторого
37. Уравнение состояния реальных газов Сила притяжения по направлению совпадает с внешним давлением и приводит к возникновению
39. Скачать презентацию

Слайд 2

Термодинамика – раздел физики, представляет собой науку о превращениях различных видов

энергии друг в друга.
Общая (физическая) термодинамика изучает превращения энергии в жидких, твердых и газообразных телах, магнитные и электрические явления, устанавливает математические зависимости между термодинамическими величинами.
Химическая термодинамика, которая на основе общей термодинамики изучает химические, тепловые, физико-химические процессы, равновесие и влияние на равновесие внешних условий

Слайд 3

Техническая термодинамика
Изучает закономерности взаимного превращения теплоты и работы, происходящие в макроскопических

системах;
Изучает свойства тел, участвующих в этих превращениях;
Свойства процессов, протекающих в тепловом оборудовании;

Слайд 4

Теплота и работа
Теплота и работа представляют две формы передачи энергии от

одного тела к другому:
Передача энергии в форме теплоты. Осуществляется при непосредственном контакте тел путем обмена кинетической энергии между молекулами соприкасающихся тел или лучистым переносом внутренней энергии путем электромагнитных волн.
Передача энергии в форме работы. При этом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием давления.

Слайд 5

Рабочее тело
В процессах превращения тепла в механическую работу всегда участвует

некоторое промежуточное вещество (например, продукты сгорания в ДВС; пар в паровой турбине; воздух в компрессорах). Это вещество и называют рабочим телом.
Рабочее тело может состоять из одного или нескольких веществ, быть гомогенным или гетерогенным.
Рабочие тела в термодинамике – газы и пары.

Слайд 6

Состояния рабочего тела
Стационарное – не изменяется во времени.
Равновесное – одноименные интенсивные

макропараметры имеют одно и тоже значение во всех точках занимаемого пространства.
Неравновесное – между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров (быстрое расширение (сжатие) газа в цилиндре

Слайд 7

Термодинамическая система (ТДС)
Совокупность рабочих тел, обменивающихся энергией и веществом между собой

и окружающей средой, – ТДС.
Окружающая среда – все, что не включено в систему, но может с ней взаимодействовать.
ТДС отделяется от окружающей среды реальной или мысленной границей

Слайд 8

Классификация ТДС
Изолированные (замкнутые) – отсутствует обмен веществом и энергией с окружающей

средой;
Термодинамически изолированные – отсутствует обмен теплотой (адиабатные).
Гомогенные – однородные, в которых нет поверхностей раздела (раздельно лед, вода, газ)
Гетерогенные – состоят из нескольких частей (фаз) разделенные видимыми поверхностями раздела (вместе лед, вода, пар)

Слайд 9

Классификация ТДС
Закрытые – отсутствует обмен веществом с внешней средой. Рабочее тело

не пересекает границу системы (ДВС);
Открытые – Рабочее тело, совершая работу, постоянно пересекает границу системы (поток пара или газа в турбинах);
Проточные – рабочее тело не совершает работу, постянно пересекая границу системы (теплообменник непрерывного действия).

Слайд 10

Основные термодинамические параметры
При взаимодействии с окружающей средой рабочее тело переходит из

одного состояния в другое.
Физическое состояние тела определяется параметрами состояния: Удельный объем, давление, – температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация и др.
Физические величины, свойственные конкретному состоянию рабочего тела, подразделяются на интенсивные, экстенсивные и удельные.

Слайд 11

Интенсивные – не зависят от количества вещества в системе;
Удельные – отнесенные

к единице количества вещества (относятся к интенсивным)
Экстенсивные – изменяются пропорционально величине системы;

t, p
Удельный объем (V/M);
Удельная теплота (Q/M, A/M)

V, энергия, масса, энтальпия

Слайд 12

Термодинамические параметры
Макроскопические физические величины, характеризующие систему в состоянии равновесия, - термодинамические

параметры состояния системы.
T, p, v, внутренняя энергия (u), энтальпия (I), энтропия (S), теплоемкость (с).

Слайд 13

Основные параметры
Абсолютное давление – Рабс, Па; давление, отсчитываемое от абсолютного нуля

давления (абсолютного вакуума).

Paбс=Ратм+Ризб, Рабс=Ратм-Рвак
Ризб – избыточное давление, превышающее атмосферное;
Ратм – атмосферное давление;
Рвак – давление вакууммирования

Слайд 14

Основные параметры
Абсолютная температура – T, K;
Т К=273,15+t°С.
Удельный объем – ν =

V/M, м3/кг.
Плотность – ρ=m/V= 1/ν, кг/м3
Давление – Р, Па(Н/м2); 1бар= Па ≈ 1 атм;
1мм.рт.ст.=133,32Па;
1атм=1,0132бар= 1,0132* Па

Слайд 15

Температура – это мера средней кинетической энергии молекул. Чем выше движение

молекул, тем выше температура тела. Температура характеризует степень нагретости тел.

Если t1 > t2, то происходит теплообмен между телами, обмен кинетической энергией, до тех пор, пока температура тел не станет одинаковой, т.е. t1= t2
При t1= t2 – равновесное состояние – тепловое равновесие.

Связь кинетической энергии молекул с абсолютной температурой идеального газа:
m – масса молекул
ω – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул.
T–абсолютная температура
k – постоянная Больцмана, k = 1,38*10-23 Дж/K.

Слайд 16

Термическое уравнение состояния рабочего тела
Характеризует термодинамическое состояние вещества, находящегося в состоянии

равновесия (во всей массе устанавливается постоянство термодинамических параметров), в равновесном состоянии не происходит никаких превращений энергии.
f(p,v,T)=0

Слайд 17

Термодинамические процессы
Равновесный – рабочее тело проходит непрерывный ряд равновесных состояний.
Обратимый –

процесс, допускающий возвращение рабочего тела в первоначальное состояние без изменений в окружающей среде.

Слайд 18

Теплоемкость
Теплоемкость с - количество теплоты, необходимой для изменения на 1 градус

единичной массы рабочего тела (вещества):c=Q/(mΔT)
Удельная теплоемкость - Отношение количества
теплоты, необходимого для изменения
температуры в веществе на бесконечно
малую величину - истинная теплоемкость
Различают:
Удельную массовую теплоемкость – ;
Удельную мольную теплоемкость - ;
Удельную объемную теплоемкость - ;

Слайд 19

Слайд 20

Теплоемкость смеси газов
Тогда соответственно массовая, объемная и мольная теплоемкости смеси:
;

; .
Два последних выражения похожи, так как мольная и объемная теплоемкости равнозначны.

Слайд 21

Теплоемкость газов зависит от протекания процесса:
изохорная
-массовая изохорная теплоемкость
- объемная

изохорная теплоемкость
- мольная (молярная) изохорная теплоемкость
Уравнение Майера:
R- удельная газовая
постоянная, (Дж/(кг*К).

изобарная

- массовая изобарная теплоемкость
- объемная изобарная теплоемкость
- мольная (молярная) изобарная теплоемкость
M – молярная масса, кг/моль
срМ – сvM=RM=8,314 (Дж/(моль*К).
RМ – унивесальная (молярная) газовая постоянная.
для 1 моля Rm=8,314 (Дж/(моль*К).

Слайд 22

Внутренняя энергия
Совокупность всех видов энергии тела или системы в данном состоянии,

не связанных с движением системы как единого целого или с наличием внешнего силового поля.
Включает энергию теплового движения молекул и потенциальную энергию их взаимодействия.

Слайд 23

Внутренняя энергия
Идеальные газы – энергия взаимодействия равна нулю, энергия их теплового

движения зависит от температуры:

Слайд 24

Энтальпия
Тепловая функция:
Удельная энтальпия:
где u – внутренняя энергия газа;
pv – потенциальная

энергия давления газа
При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе. Поэтому энтальпию наз. теплосодержанием.
Изменение энтальпии определяется только начальным и конечным состоянием газа и не зависит от характера процесса
Физ. смысл – Энтальпия равна энергии расширенной системы вн. Энергии тела и энергии внешних сил.

Слайд 25

Энтропия
Энтропия – параметр, изменяющийся от количества переданной теплоты.
При обмене энергией в

форме теплоты: обобщенная сила – абсолютная температура; обобщенная координата – энтропия.
Энтропию нельзя измерить, только рассчитать.

Слайд 26

Тепловая теорема Нернста (ТРЕТИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ)
При температуре, стремящейся к абсолютному

нулю, энтропия вещества, находящегося в конденсированном состоянии с упорядоченной кристаллической структурой, стремится к нулю.
Закон позволяет рассчитать абсолютное значение энтропии, в отличии от внутренней энергии и энтальпии, которые отсчитываются от произвольного уровня.
Рассчитывают изменение энтропии в процессе:

Слайд 27

T-S диаграмма
имеют одинаковые знаки: при подводе теплоты энтропия возрастает и

наоборот

Слайд 28

Идеальный и реальный газ
Идеальный газ – отсутствуют силы сцепления между

молекулами, молекулы материальные точки, не имеющие объема.
Реальный газ – нельзя пренебречь силами сцепления между молекулами и объемом молекул.

Слайд 29

Идеальный газ
PV=RT - уравнение Клайперона
где R - газовая постоянная, которая

зависит от природы газа,
PV=mRT - уравнение для произвольной массы
PVµ=µRT - уравнение Менделеева-Клайперона,
где Vµ - объем одного моля;
μ - молекулярная масса, кг/кмоль
µR=8314 (Дж/кмоль*К) - универсальная газовая постоянная
Можно определить R для каждого конкретного газа:
R=8314/µ
Пример Определить массу воздуха в комнате.
Пусть Р = Па, t = 20°C, V = 200м3

Слайд 30

Термическое уравнение состояния идеальных газов

где – газовая постоянная, Дж/(кг ·К);

- универсальна газовая постоянная,
8314 Дж/(кмоль · К).
Для идеальной смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом:

Слайд 31

Законы идеальных газов
Закон Дальтона – давление смеси газов равно сумме

парциальных давлений компонентов смеси:
pi – парциальное давление каждого газа
Парциальное – давление, которое имел бы каждый газ смеси, если бы он находился один в том же кол-ве, объеме и температуре, что и в смеси
Закон Амаго – объем смеси равен сумме парциальных объемов компонентов. Парциальный объем – объем, который занимал бы компонент, если бы он один находился при параметрах смеси (T,p):

Слайд 32

Состав смеси, концентрации
Мольная доля:
Относительная мольная доля:
Массовая доля:
Относительная массовая доля:

Слайд 33

Концентрации
Объемная (мольная) доля: ri = Vi/V
Vi - парциальный (приведенный) объем каждого

газа
V - объем смеси газов.
По з-ну Бойля-Мариотта:
Vi = piV/p
Для идеальных газов мольные и объемные доли численно равны.

Слайд 34

Реальные газы Для реальных газов необходимо учитывать взаимодействие между молекулами, т.к. обычно

это достаточно плотные газы.

Известны различные способы задания уравнения состояния реальных газов.
1 способ. Уравнение состояния с коэффициентом сжимаемости:
Здесь z - коэффициент сжимаемости (иногда его называют сверхсжимаемостью газа).
Недостаток этого способа в том, что коэффициент z находится чисто экспериментально, притом он зависит не только от природы газа, но и от давления и температуры.

Слайд 35

Реальные газы
2 способ. Уравнения с вириальными коэффициентами.
А,В,С - вириальные коэффициенты.
Уравнение

считается наиболее точным для определения свойств реальных газов.

Слайд 36

Уравнение состояния реальных газов
3 способ. Уравнение Ван-Дер-Ваальса
Межмолекулярные силы отталкивания позволяют

молекулам сближаться до некоторого минимального расстояния.
Свободный для движения молекул объем - .
где В – наименьший объем, до которого можно сжать газ.
Длина свободного пробега молекул уменьшается и давление увеличивается:

Слайд 37

Уравнение состояния реальных газов
Сила притяжения по направлению совпадает с внешним давлением

и приводит к возникновению молекулярного (внутреннего) давления:
Уравнение Ван-дер-Ваальса

Термодинамика. Основные понятия и определения. Теплота и работа, как форма передачи энергии

Содержание

Термодинамика – раздел физики, представляет собой науку о превращениях различных видов

Техническая термодинамикаИзучает закономерности взаимного превращения теплоты и работы, происходящие в макроскопических

Теплота и работаТеплота и работа представляют две формы передачи энергии от

Рабочее тело В процессах превращения тепла в механическую работу всегда участвует

Состояния рабочего телаСтационарное – не изменяется во времени.Равновесное – одноименные интенсивные

Термодинамическая система (ТДС)Совокупность рабочих тел, обменивающихся энергией и веществом между собой

Классификация ТДСИзолированные (замкнутые) – отсутствует обмен веществом и энергией с окружающей

Классификация ТДСЗакрытые – отсутствует обмен веществом с внешней средой. Рабочее тело

Основные термодинамические параметрыПри взаимодействии с окружающей средой рабочее тело переходит из

Интенсивные – не зависят от количества вещества в системе;Удельные – отнесенные

Термодинамические параметрыМакроскопические физические величины, характеризующие систему в состоянии равновесия, - термодинамические

Основные параметрыАбсолютное давление – Рабс, Па; давление, отсчитываемое от абсолютного нуля

Основные параметрыАбсолютная температура – T, K;Т К=273,15+t°С.Удельный объем – ν =

Температура – это мера средней кинетической энергии молекул. Чем выше движение

Термическое уравнение состояния рабочего телаХарактеризует термодинамическое состояние вещества, находящегося в состоянии

Термодинамические процессыРавновесный – рабочее тело проходит непрерывный ряд равновесных состояний.Обратимый –

ТеплоемкостьТеплоемкость с - количество теплоты, необходимой для изменения на 1 градус

Теплоемкость смеси газов Тогда соответственно массовая, объемная и мольная теплоемкости смеси:;

Теплоемкость газов зависит от протекания процесса: изохорная -массовая изохорная теплоемкость - объемная

Внутренняя энергияСовокупность всех видов энергии тела или системы в данном состоянии,

Внутренняя энергияИдеальные газы – энергия взаимодействия равна нулю, энергия их теплового

ЭнтальпияТепловая функция:Удельная энтальпия:где u – внутренняя энергия газа; pv – потенциальная

ЭнтропияЭнтропия – параметр, изменяющийся от количества переданной теплоты.При обмене энергией в

Тепловая теорема Нернста (ТРЕТИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ) При температуре, стремящейся к абсолютному

T-S диаграмма имеют одинаковые знаки: при подводе теплоты энтропия возрастает и

Идеальный и реальный газ Идеальный газ – отсутствуют силы сцепления между

Идеальный газPV=RT - уравнение Клайперона где R - газовая постоянная, которая

Термическое уравнение состояния идеальных газов где – газовая постоянная, Дж/(кг ·К);

Законы идеальных газов Закон Дальтона – давление смеси газов равно сумме

Состав смеси, концентрацииМольная доля:Относительная мольная доля:Массовая доля:Относительная массовая доля:

КонцентрацииОбъемная (мольная) доля: ri = Vi/VVi - парциальный (приведенный) объем каждого