Работа и теплота процесса. Рабочая и тепловая диаграммы

Работа объемной деформации «L»– работа, совершаемая вследствие деформации контрольной поверхности термодинамической системы.

Элементарное количество работы объемной деформации

где – сила;

– перемещение.

В термодинамике широко используется метод представления процессов в системе координат , называемый рабочей диаграммой, так как любая площадка на ней численно равна работе. Площадь фигуры между кривой процесса и осью удельных объемов численно равна работе объемной деформации этого процесса – см. рис. 2.1.

В ходе конечного процесса изменение давления зависит от его характера, поэтому для всего процесса

знак определяется знаком

, , - работа объемного расширения;

, , - работа сжатия.

Работа как форма обмена энергией обладает следующими свойствами:

1) работа– это функция процесса, количество работы в процессе зависит от пути перехода из одного состояния в другое;

2) – не обладает свойствами полного дифференциала (это бесконечно малое количество работы);

3) так как – не полный дифференциал, то , следовательно при круговом процессе (цикле) система получает от ОС (или отдает ей) некоторое количество энергии.

При термодинамическом анализе термодинамической системы со многими степенями свободы необходимо учитывать и другие виды работы, например механическую работу на валу, электрическую работу переноса электрического заряда в цепи, магнитная работа намагничивания магнитика в магнитном поле и др.

Располагаемая (полезная) работа «L₀»– это работа, которая может быть получена за счет падения давления.

,

,

Располагаемая работа численно равна площади фигуры между кривой данного конечного процесса и осью давлений на рабочей (p-v) диаграмме. Можно сказать, сто располагаемая работа – это возможный максимум производимой работы в процессе расширения или как возможный минимум потребляемой работы в процессе сжатия.

Рисунок 2.1 – Рабочая диаграмма

Теплота процесса –это количество энергии, переданное в результате теплообмена при осуществлении данного процесса.

Опыт изучения процесса теплообмена показал, что абсолютная температура обладает всеми свойствами термодинамического потенциала взаимодействия:

1) это интенсивный параметр

2) разность температур между системой и ОС является необходимым и достаточным условием для возникновения теплообмена. Чем больше разность температур, тем с большей скоростью и интенсивностью протекает теплообмен.

В качестве координаты теплового взаимодействия Клаузиусом был предложен параметр энтропия S [Дж/К], которая обладает всеми свойствами координаты взаимодействия:

1) если энтропия изменяется, то теплообмен происходит,

2) количество тепла пропорционально изменению энтропии,

3) ее количество зависит от размеров системы (это экстенсивный параметр)

– характеризует организованность системы и является функцией её состояния.

Элементарное количество теплоты, передаваемое системе равно:

Представление процесса в системе координат , называется тепловой диаграммой, так как любая площадка численно равна количеству тепла, а площадь между кривой процесса и осью удельной энтропии численно равна, теплоте, участвующей в процессе – см. рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Тепловая диаграмма.

Как форма обмена энергией теплота обладает такими же свойствами как и работа:

1) теплота– функция процесса (ее количество зависит от характера процесса):

– для конечного процесса.

, - теплота подводится к ТДС

, - теплота отводится от ТДС.

– для адиабатных систем, которые не обмениваются теплотой с ОС.

2) не обладает свойствами полного дифференциала (это бесконечно малое количество энергии передаваемой на микроскопическом уровне), следовательно

3)

4) Величина проекции касательной на ось удельной энтропии численно равна истинной теплоемкости рабочего тела при параметрах в этой точке – см. рис. 2.2.

Среднеинтегральная температура – понятие, применяющееся для упрощения некоторых термодинамических исследований. Среднеинтегральная температура на Тs диаграмме получается как высота прямоугольника, площадь которого равна площади под кривой процесса.

Таким образом, среднеинтегральная температура политропного процесса зависит только от начальной и конечной температур.