Политропный процесс
Выведем уравнение политропного процесса. Для этого введем понятие о политропной теплоемкости - с. Тогда dq = cdT. С учетом этого запишем уравнения первого закона термодинамики (2.24) и (2.16)
сdТ = cpdT -udp,
сdТ = cudT + pdu ,
откуда . Обозначим - показатель политропы.
Тогда последнее уравнение запишется:
npdu = - udp. (а)
Разделив уравнение (а) на pu, запишем Проинтегрировав это уравнение, получим n ln u + ln p = const или ln pun = const.
Откуда получим уравнение политропы
pun = const. (4.28)
Политропным называется такой процесс изменения состояния рабочего тела, в котором показатель политропы n остается постоянным на протяжении всего процесса.
Формулы соотношения параметров газа в политропном процессе, которые являются следствием уравнений pun = const и pu = RT, очевидно, будут иметь тот же вид, что и выведенные выше в адиабатном процессе, но только в них показатель адиабаты к нужно заменить показателем политропы n:
; и .
Изменение внутренней энергии Du и энтальпии Dh в политропном процессе, как и в любом термодинамическом процессе, найдется по уравнениям
Du = u2 - u1 = cu(T2 - T1) и Dh = h1 - h2 = cp(T2 - T1).
Формулы для работы изменения объема могут быть найдены по уравнению , куда подставляют р = р1u1n/vn, где p и u - текущие значения параметров.
В результате интегрирования получим
. (4.29)
Выражение (4.29), аналогичное адиабатному процессу, можно представить как
, (4.30)
и . (4.31)
Формула для технической работы согласно уравнению (а) l¢ = nl, т.е.
. (4.32)
Теплоемкость газа в политропном процессе можно найти из равенства
n = (c - cp)/(c - cu). Откуда имеем nc - ncu= c - cp или nc - c = ncu - кcu отсюда
с(n-1) = cu(n-к). Окончательно получим
. (4.33)
Теплоемкость газа в политропном процессе в зависимости от значения показателя политропы n может быть положительной, отрицательной, равной нулю или бесконечности.
Количество тепла, участвующего в процессе:
. (4.34)
Политропный процесс является обобщающим для всех ранее рассмотренных процессов. В этом нетрудно убедиться, подставляя в выражение
n = (c - cp)/(c - cu) значения соответствующих политропных теплоемкостей:
1) для изохорного процесса
с = сu; . Уравнение pun = const представим в виде , тогда .
Следовательно, при n = ±¥ уравнение политропы обратилось в уравнение изохоры;
2) для изобарного процесса
с = ср; ;;
3) для изотермического процесса
.
Следовательно, n - 1 = 0; n=1 и pun = pu = const;
4) для адиабатного процесса
с=0; ; pun = puк = const.
Если в координатах p, u выбрать произвольную точку А (рис. 4.9) и провести из т.А все рассмотренные выше процессы, а также сколько угодно других процессов, в которых показатель политропы меняется от +¥ до - ¥, то можно по графику процесса сказать о знаках работы, теплоты и изменения внутренней энергии, а также о знаке показателя n (как это показано на
рис. 4.9). Так, например, во всех процессах, исходящих из точки А и идущих правее адиабаты теплота, будет подводиться к рабочему телу q>0, а в противоположной области отводиться q<0 и т.д.
Изменение энтропии в политропном процессе или в интегральной форме
. (4.35)
Представим основные процессы как частные случаи политропного процесса в координатах T, s (рис. 4.10). Области положительной и отрицательной работы, теплоты и изменения внутренней энергии показаны на рисунке. Показатель политропы n может быть определен, если известны параметры двух точек процесса. , отсюда . Тогдаили . В литературе также приводятся чисто графические способы определения показателя политропы.
5. Равновесие термодинамических систем
Термодинамические потенциалы.
Если термодинамическая система находится в некотором неравновесном состоянии, то в ней возникают самопроизвольные необратимые процессы. По мере протекания этих процессов степень неравновесности системы будет уменьшаться и, наконец, совершенно исчезнет и система придет в состояние равновесия. Необратимые процессы в системе, сопровождавшиеся ростом энтропии, прекратятся. Очевидно, что в состоянии равновесия система будет обладать максимальным значением энтропии. Тогда условие равновесия термодинамической системы аналитически будет выражаться условием максимума ее энтропии, т.е. соотношениями
s = smax; ds = 0.
Таким образом, энтропия является наиболее общей функцией, с помощью которой можно определить направление процессов и условия равновесия.
В ряде случаев условия равновесия систем могут выражаться не только через изменение энтропии, но и через изменение некоторых других термодинамических функций состояния. Это, например, относится к изохорно-изотермическим и изобарно-изотермическим системам, в которых постоянными являются u и Т или р и Т.
Равновесие изохорно-изотермических систем. Свободная энергия.
Согласно уравнениям (3.13) и (3.16) совместное уравнение первого и второго законов термодинамики принимают вид
Tds ³ du +pdu. (5.1)
Откуда du - Tds £ - pdu. (5.2)
Из левой и правой части уравнения (5.2) вычтем sdT:
du - Tds - sdT £ - pdu - sdT
или du - d(Ts) £ - pdu - sdT,
откуда d(u -Ts) £ - pdu - sdT. (5.3)
Обозначим F = u - Ts. (5.4)
Функция F = u - Ts является некоторой функцией состояния рабочего тела. Ее называют свободной энергией или изохорно-изотермическим потенциалом.
Из уравнения (5.3) следует
dF £ - pdu - sdT (5.5)
или dF + pdu + sdT £ 0, (5.6)
где знак равенства относится к обратимым процессам, а знак неравенства - к необратимым.
Для изохорно-изотермических процессов du = 0 и dT = 0.
Тогда получим
dF £ 0. (5.7)
Последнее уравнение означает, что свободная энергия изолированной системы при протекании в ней обратимых изохорно-изотермических процессов не изменяется, а при протекании необратимых процессов - уменьшается. Следовательно, в изолированной системе при T = const и u = const самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые идут с уменьшением F. Причем пределом их протекания, т.е. условием равновесия системы, является достижение минимального значения функции F, т.е.
F = Fmin или dF = 0.
Физический смысл свободной энергии может быть выяснен из рассмотрения обратимого изотермического процесса. В этом случае dT =0 и из уравнения (5.6) следует, что:
dF = - pduили dF = -dl. (5.8)
Таким образом, изменение свободной энергии равно работе изменения объема, которая производится над телом.
Из выражения (5.4) запишем
u = F + Ts. (5.9)
Величину Ts называют связанной энергией, ибо, как это видно из (5.8), при изотермическом процессе вся работа совершается только за счет изменения свободной энергии системы F, а вторая часть внутренней энергии, равная Ts, не преобразуется в работу.
Равновесие изобарно-изотермических систем. Изобарно-изотермический потенциал.
Совместное уравнение первого и второго законов термодинамики можно записать
или Tds ³ dh - udp,
откуда dh - Tds £ udp. (5.10)
Из левой и правой части уравнения (5.10) вычтем sdT:
dh - Tds - sdT £ udp - sdT,
dh - d(Ts) £ udp - sdT,
d(h - Ts) £ udp - sdT. (5.11)
Величина h - Ts является некоторой функцией состояния рабочего тела, обозначается Ф и называется изобарно-изотермическим потенциалом (или потенциалом Гибса).
Ф = h - Ts. (5.12)
Тогда уравнение (5.11) перепишется в таком виде:
dФ £ udp - sdT (5.13)
или dФ - udp + sdT £ 0, (5.14)
где знак равенство - для обратимых процессов, знак неравенство - для необратимых процессов.
Для изобарно-изотермических процессов при dp = 0 и dT = 0 получим
dФ £ 0. (5.15)
Следовательно, в изолированной системе при T = const и p = const самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые идут с уменьшением Ф, причем пределом их протекания, т.е. условием равновесия системы, является достижение минимального значения функции Ф, т.е.
Ф = Фmin или dФ = 0.
В изобарно-изотермической системе (по аналогии с изохорно-изотермической системой) можно записать из уравнения (5.12)
h = Ф + Тs.
Здесь Ф представляет ту часть энтальпии, которая может быть преобразована в работу, т.е. работа здесь может быть совершена за счет убыли Ф. Ts - связанная энергия в работу не превращается.
Кроме того, что рассмотренные потенциалы характеризуют равновесие систем, они являются так же, как и u, h, s, характеристическими функциями.
Дата добавления: 2021-07-22; просмотров: 414;