Термодинамический процесс

Термодинамический процесс – это процесс изменения состояния рабочего тела во времени. Например, при перемещении поршня в цилиндре изменяются объем, давление и температура газа, т.е. совершается процесс расширения или сжатия газа. На рис. 1.2 в
p-v-диаграмме представлен термодинамический процесс 1-2 (расширение газа).

Процессы могут быть равновесными или неравновесными, обратимыми или необратимыми.

Равновесным является процесс, при протекании которого в каждый момент времени во всех точках системы (т.е. во всем объеме рабочего тела) одноименные параметры p и T имеют одинаковое значение.

Реальные процессы - неравновесны. Неравновесность может быть уменьшена за счет снижения скорости протекания процесса. В диаграммах можно изобразить только равновесные состояния и процессы.

Обратимым называется равновесный процесс, который можно осуществить в прямом и обратном направлениях через одни и те же промежуточные состояния без дополнительной затраты энергии.

В процессах сжатия и расширения рабочего тела обязательным условием обратимости является отсутствие трения, а в процессах передачи тепла от одного тела к другому таким условием является равенство температур тел, обменивающихся теплом.

Реальные процессы необратимы.

При протекании любого процесса (рис. 1.3) происходит изменение параметров Dp, Dv, DT независимо от его характера (1-a-2, 1-d-2, 2-b-1).

Математически это означает, что dv, dp, dT являются полными дифференциалами функций , . Для замкнутого процесса (цикла) 1- a - 2-b -1 изменение любого параметра равно нулю:

Методические указания. Вопросы и задачи

1. Обратите внимание на отличия идеального газа от реального. В чем они состоят? При каких условиях реальный газ можно назвать идеальным?

2. Убедитесь, что объем одного киломоля любого газа или газовой смеси зависит только от состояния газа, определяемого двумя независимыми параметрами (p и T, p и v или T и v), но не зависит от свойств газа.

3. Расставьте единицы измерения давления: физ. атм., бар, ат., МПа, кПа в порядке убывания. (Рекомендация: перечисленные размерности следует перевести в мм рт. ст.)

4. Цена деления одного градуса на шкале Кельвина и на шкале Цельсия одинакова. Правильно ли это утверждение?

5. Определите, все ли соотношения правильные для рабочего тела, давление которого выше атмосферного:

; ; ; .

6. Определите, все ли соотношения правильные для рабочего тела, давление которого меньше атмосферного:

; ; ; .

7. Определите массу воздуха, содержащегося в открытой двухлитровой банке при t = 20 ⁰C, p = 1 бар. Сравните с массой воды.

Решение

Масса воздуха определяется по уравнению состояния идеального газа (1.4), в которое величины подставляются в строго определенной размерности:

p = 1× 10⁵ Па, V = 0,002 м³, T = 293 K, R = (8314/29) Дж/(кг^.К),

М_возд =

Масса воды в двухлитровой банке при плотности воды r = 1000 кг/м³ вычислится по формуле

кг.

Ответы: М_возд = 0,00238 кг, М_воды = 2 кг.

8. Рассчитайте плотность водорода и азота при нормальных физических условиях, используя уравнение состояния идеального газа. Во сколько раз отличаются их плотности?

9. Объемный расход воздуха при нормальных физических условиях м³/с. Определите массовый расход воздуха G, кг/с.

10. В смеси 2 кг азота и 0,5 кг водорода. Рассчитайте газовую постоянную смеси R.

11. Газовая смесь состоит из двух газов: CO₂ и N₂. Давление смеси
p = 5 бар, парциальное давление углекислого газа бар. Рассчитайте мольную массу газовой смеси.

Решение

Мольную массу газовой смеси можно рассчитать по формуле (1.15), если предварительно определить объемные доли компонентов по формулам (1.20) и (1.14):

кг/кмоль.

Ответ: = 37,6 кг/кмоль.

12. Состав воздуха по объему: 21% O₂ и 79% N₂. Каков состав воздуха по массе ?

13. Какова плотность газовой смеси из CO₂ и N₂ при нормальных физических условиях, если

Ответы

3.МПа, физ. атм., бар, ат, кПа. 4. Да. 5. Да. 6. Да. 8. кг/м³, кг/м³, 9. G = 647,4 кг/с. 10.R = 1069 Дж/(кг×К).

12. 13.r = 1,464 кг/м³.