Политропный процесс вывод уравнения политропы

Вывод формулы

• Воспользовавшись записью первого начала термодинамики в дифференциальной форме (9.2), получим выражение для теплоёмкости произвольного процесса:

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Представим полный дифференциал внутренней энергии через частные производные по параметрам Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы:

Политропный процесс вывод уравнения политропы

После чего формулу (9.6) перепишем в виде

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Соотношение (9.7) имеет самостоятельное значение, поскольку определяет теплоёмкость Политропный процесс вывод уравнения политропыв любом термодинамическом процессе и для любой макроскопической системы, если известны калорическое и термическое уравнения состояния.

• Рассмотрим процесс при постоянном давлении Политропный процесс вывод уравнения политропыи получим общее соотношение между Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Исходя из полученной формулы, можно легко найти связь между теплоемкостями Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропыв идеальном газе. Этим мы и займемся. Впрочем, ответ уже известен, мы его активно использовали в 7.5.

Уравнение Роберта Майера

Выразим частные производные в правой части уравнения (9.8), с помощью термического и калорического уравнений, записанных для одного моля идеального газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и не зависит от объёма газа, следовательно

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Из термического уравнения легко получить

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Подставим (9.9) и (9.10) в (9.8), тогда

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Вы, надеюсь, узнали (9.11). Да, конечно, это уравнение Майера. Еще раз напомним, что уравнение Майера справедливо только для идеального газа.

9.3. Политропические процессы в идеальном газе

Как отмечалось выше первое начало термодинамики можно использовать для вывода уравнений процессов, происходящих в газе. Большое практическое применение находит класс процессов, называемых политропическими. Политропическим называется процесс, проходящий при постоянной теплоемкости Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Уравнение процесса задается функциональной связью двух макроскопических параметров, описывающих систему. На соответствующей координатной плоскости Политропный процесс вывод уравнения политропыуравнение процесса наглядно представляется в виде графика — кривой процесса. Кривая, изображающая политропический процесс, называется политропой. Уравнение политропического процесса для любого вещества может быть получено на основе первого начала термодинамики с использованием его термического и калорического уравнений состояния. Продемонстрируем, как это делается на примере вывода уравнения процесса для идеального газа.

Вывод уравнения политропического процесса в идеальном газе

• Требование постоянства теплоёмкости Политропный процесс вывод уравнения политропыв процессе позволяет записать первое начало термодинамики в виде

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Используя уравнение Майера (9.11) и уравнение состояния идеального газа, получаем следующее выражение для Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Разделив уравнение (9.12) на T и подставив в него (9.13) придем к выражению

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Разделив ( Политропный процесс вывод уравнения политропы) на Политропный процесс вывод уравнения политропы, находим

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Интегрированием (9.15), получаем

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Это уравнение политропы в переменных Политропный процесс вывод уравнения политропы

Исключая из уравнения ( Политропный процесс вывод уравнения политропы) Политропный процесс вывод уравнения политропы, с помощью равенства Политропный процесс вывод уравнения политропыполучаем уравнение политропы в переменных Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Параметр Политропный процесс вывод уравнения политропыназывается показателем политропы, который может принимать согласно ( Политропный процесс вывод уравнения политропы) самые разные значения, положительные и отрицательные, целые и дробные. За формулой ( Политропный процесс вывод уравнения политропы) скрывается множество процессов. Известные вам изобарный, изохорный и изотермический процессы являются частными случаями политропического.

К этому классу процессов относится также адиабатный или адиабатический процесс. Адиабатным называется процесс, проходящий без теплообмена ( Политропный процесс вывод уравнения политропы). Реализовать такой процесс можно двумя способами. Первый способ предполагает наличие у системы теплоизолирующей оболочки, способной изменять свой объем. Второй – заключается в осуществлении столь быстрого процесса, при котором система не успевает обмениваться количеством теплоты с окружающей средой. Процесс распространения звука в газе можно считать адиабатным благодаря его большой скорости.

Из определения теплоемкости следует, что в адиабатическом процессе Политропный процесс вывод уравнения политропы. Согласно Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

где Политропный процесс вывод уравнения политропы– показатель адиабаты.

В этом случае уравнение политропы принимает вид

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Уравнение адиабатного процесса (9.20) называют также уравнением Пуассона, поэтому параметр Политропный процесс вывод уравнения политропычасто именуют постоянной Пуассона. Постоянная Политропный процесс вывод уравнения политропыявляется важной характеристикой газов. Из опыта следует, что ее значения для разных газов лежат в интервале 1,30 ÷ 1,67, поэтому на диаграмме процессов Политропный процесс вывод уравнения политропыадиабата «падает» более круто, чем изотерма.

Графики политропических процессов для различных значений Политропный процесс вывод уравнения политропыпредставлены на рис. 9.1.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

На рис. 9.1 графики процессов пронумерованы в соответствии с табл. 9.1.

Номер политропы на рис. 9.1Значение показателя политропыУравнение политропы ( Политропный процесс вывод уравнения политропы)Название процесса
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропыstизобарический
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропыизохорический
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропыизотермический
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропыадиабатический
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропы
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропы
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропы

Знание показателя политропы Политропный процесс вывод уравнения политропыпозволяет без особого труда рассчитать теплоёмкость системы. Знание теплоёмкости в свою очередь даёт возможность рассчитать количество теплоты, сообщённое макросистеме в данном политропическом процессе. Действительно, из Политропный процесс вывод уравнения политропыследует

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Тогда, бесконечно малое количество теплоты, сообщённое макросистеме в политропическом процессе равно

Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Соответственно полное количество теплоты, полученное системой при изменении её температуры от Политропный процесс вывод уравнения политропыдо Политропный процесс вывод уравнения политропы, определяется простой формулой

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Зная Политропный процесс вывод уравнения политропы, можно определить макроскопическую работу Политропный процесс вывод уравнения политропы, совершенную системой в политропическом процессе, с помощью уравнения первого начала в интегральной форме и формулы Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Таким образом, мы можем получить исчерпывающую информацию об энергообмене системы с окружающей средой.

Теперь уместно поставить следующие вопросы. Что делать, если процесс не политропический? Можно ли глядя на график процесса, догадаться, что это не политропа?

Иногда можно. Взгляните на рис. 9.2. Это уж точно не политропы.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Для подобных процессов количество теплоты рассчитать не так просто как в случае политропных процессов Политропный процесс вывод уравнения политропытак как теплоёмкость системы будет зависеть от температуры Политропный процесс вывод уравнения политропы. Соответственно

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Полное количество теплоты, полученное системой в произвольном процессе, можно рассчитать только интегрированием Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Вычисление теплоемкости и количества теплоты в различных процессах является внутренней подзадачей многих учебных задач, с которыми вы встретитесь при изучении термодинамики.

9.4. Тепловые машины и их эффективность.

Циклические процессы являются основой действия тепловых машин. В используемых на практике разнообразных тепловых машинах реализованы различные виды термодинамических циклов. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, холодильники, кондиционеры, тепловые насосы, паровые турбины и т. д.

Политропный процесс вывод уравнения политропыНа диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой (рис. 9.3) с указанием направления перехода (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Работа, совершаемая машиной за цикл равна площади, ограниченной этой кривой.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Рис. 9.3.

Работа расширения Политропный процесс вывод уравнения политропыравна площади под кривой 1-2-3 на диаграмме Политропный процесс вывод уравнения политропы(рис. 9.3). Работа сжатия Политропный процесс вывод уравнения политропы— отрицательная, поскольку объём на участке 3-1 уменьшается. Величина Политропный процесс вывод уравнения политропыопределяется площадью под кривой 3-1. Рассчитывать работу таким образом целесообразно, если цикл представляет простую геометрическую фигуру: прямоугольник, треугольник, трапецию, окружность. Более общий подход основан на вычислении количества теплоты, поступающей в машину на отдельных участках цикла.

Действительно, проинтегрировав по циклу равенство, выражающее первое начало термодинамики, получим важный результат:

Политропный процесс вывод уравнения политропы

из которого следует, что работа равна количеству теплоты, полученной системой за цикл

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Теплота в каких-то частях цикла поступает в систему ( Политропный процесс вывод уравнения политропы(+) ), а в каких-то частях уходит из системы Политропный процесс вывод уравнения политропы. Обобщённо можно записать так

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Определить поступает в систему количество теплоты или оно теряется иногда можно только расчётом, но зачастую это видно на графике процесса:

• Если температура Политропный процесс вывод уравнения политропырастёт или (и) объём Политропный процесс вывод уравнения политропыувеличивается, то в систему поступает количество теплоты Политропный процесс вывод уравнения политропы.

• Если температура Политропный процесс вывод уравнения политропыпадает или (и) объём Политропный процесс вывод уравнения политропыуменьшается, то система отдаёт количество теплоты Политропный процесс вывод уравнения политропыокружающей среде.

Принципиальная схема работы тепловой машины

Схематически работа машин по прямому и обращенному циклу представлена на рис. 9.4 и 9.5. Любая машина должна включать в себя нагреватель с температурой Политропный процесс вывод уравнения политропы(горячий термостат), холодильник с температурой Политропный процесс вывод уравнения политропы(холодный термостат), а также рабочее вещество, или рабочее тело, заключённое в некотором техническом устройстве (цилиндр с поршнем, турбина и т. п.), имеющем силовой привод. Если циклический процесс, описывающий состояние рабочего вещества в машине, идет по часовой стрелке, то машина работает в режиме двигателя (рис. 9.4), если против часовой стрелки, то в режиме холодильника, кондиционера или теплового насоса (рис. 9.5). Последние три названия часто объединяют одним термином – холодильная машина.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Принцип работы двигателя: в процессе работы машина получает количество теплоты от нагревателя, часть которого идёт на совершение полезной работы (приводится в действие какой-либо силовой агрегат), а часть отдаётся холодному резервуару.

Принцип работы холодильной машины: для того, чтобы отобрать количество теплоты от холодильника и передать его нагревателю, необходимо затратить некоторое количество энергии на совершение механической работы над рабочим веществом машины.

Показатели эффективности тепловых машин

Эффективность двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия η (КПД). Эффективность холодильной машины – коэффициентом использования энергии ξ(КИЭ). На схеме 9.4.1 приведены формулы для вычисления КПД и КИЭ.

Коэффициент полезного действия тепловой машины
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропы
Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропы
Коэффициент использования энергии холодильной машины

Чтобы воспользоваться формулами Политропный процесс вывод уравнения политропыПолитропный процесс вывод уравнения политропынеобходимо точно установить на каких участках цикла, совершаемого рабочим телом, количество теплоты, поступает в машину, а на каких участках цикла количество теплоты передается низкотемпературному резервуару.

1. Сформулируйте первое начало термодинамики. Запишите его уравнение в дифференциальной форме, поясните обозначения бесконечно малых величин. К каким процессам применим этот постулат?

2. Что называется вечным двигателем первого рода?

3. Как определяются теплоемкости при постоянном объеме и при постоянном давлении? Почему их называют функциями состояния?

4. Получите уравнение, связывающее теплоемкости Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропыв общем случае.

5. Сделайте вывод уравнения Майера. Для каких систем это уравнение применимо?

6. Что называется политропическим процессом? Запишите уравнение политропы для параметров Политропный процесс вывод уравнения политропы

7. Как связан показатель политропы с теплоемкостью процесса?

8. Является ли адиабатный процесс политропическим процессом? Обоснуйте ответ.

9. Как выглядят графики политропических процессов? Приведите примеры.

10. Как можно определить работу, совершенную системой, через количество теплоты, полученное ею извне в политропическом процессе?

11. Нарисуйте принципиальные схемы тепловых машин, работающих как двигатель и как холодильная машина.

12. Дайте определения КПД и КИЭ. По каким формулам они вычисляются и как связаны между собой?

ТЕОРЕМЫ КАРНО И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ

В 1824 году французский физик и военный инженер Никола Леонар Сади Карно опубликовал свою работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой им были сформулированы основные положения теории тепловых машин, содержащие по своей сути идею второго начала термодинамики.

В этом сочинении Карно ввёл в научный обиход множество понятий, использующихся в термодинамике и сейчас. Однако главной заслугой учёного стало выдвижение идей о необходимости перепада температур для создания циклически действующей тепловой машины и о том, что величина работы определяется только разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы рабочего вещества.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Рис. 10.1.

В идеальной машине Карно рабочее вещество (идеальный газ) совершает цикл, представленный на рис. 10.1, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Адиабата и изотерма слабо отличаются друг от друга, поэтому площадь внутри замкнутой кривой на диаграмме Политропный процесс вывод уравнения политропыочень мала. Таким образом, характеристика цикла Карно по величине абсолютной работы не является хорошей, но с учётом затрат это самый эффективный цикл среди всех возможных циклов для получения работы.

Расчёт КПД машины Карно

Идеальный газ совершает цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат – цикл Карно, представленный на рис. 10.2.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Актуальная информация о системе и процессах

• Так как газ идеальный, то справедливо уравнение Клапейрона-Менделеева

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Изменение внутренней энергии идеального газа на изотерме равно нулю

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Уравнение адиабаты для идеального газа в параметрах Политропный процесс вывод уравнения политропы, Политропный процесс вывод уравнения политропыимеет вид

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Рассчитать КПД тепловой машины Карно.

• По определению КПД двигателя равен

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Количество теплоты, поступающее к рабочему телу от нагревателя на

участке 1-2 Политропный процесс вывод уравнения политропыравно

Политропный процесс вывод уравнения политропы

При записи (10.3) учтено, что изменение внутренней энергии идеального газа на изотерме не происходит.

• На участке 3-4 Политропный процесс вывод уравнения политропырабочее тело отдаёт количество теплоты холодильнику с температурой Политропный процесс вывод уравнения политропы, равное

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• На участках 2-3 и 4-1 рабочее тело изолируется от нагревателя и холодильника. Соответствующие квазистатические процессы идут без теплообмена

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Подставим в формулу (10.2) полученные значения Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы, тогда имеем

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Уравнение адиабатического процесса (10.1) позволяет существенно упростить это выражение. Действительно, для адиабаты 2 — 3 (рис. 10.2)

Политропный процесс вывод уравнения политропы

а для адиабаты 4 — 1 запишем

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Если разделить уравнение (10.6) на уравнение (10.7), то получим

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

• Воспользовавшись этим результатом, из формулы (10.5) получим окончательный ответ

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Из (10.9) видно, что чем ниже температура холодильника Политропный процесс вывод уравнения политропыпри фиксированной температуре нагревателя Политропный процесс вывод уравнения политропы, тем выше КПД цикла Карно. В ряде учебников утверждается, что Политропный процесс вывод уравнения политропывсегда меньше 1, потому, что Политропный процесс вывод уравнения политропыне может быть равной 0 Политропный процесс вывод уравнения политропы, поскольку абсолютный нуль температур не достижим согласно третьему началу термодинамики. Такой аргумент следует признать неверным. Дело в том, что даже если бы Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропы, осуществить цикл Карно при этом условии было бы невозможно. Анализ показывает, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм [1]. Машина с КПД равным единице запрещена вторым началом термодинамики.

10.2. Теоремы Карно

Основные положения теории тепловых машин Сади Карно сформулировал в виде двух теорем, которые доказываются от противного [12]. Мы приведём лишь формулировки этих теорем и сфокусируем внимание на их приложениях (схема 10.2.1).

Формулировки
Первая теорема Карно
Вторая теорема Карно
КПД тепловой машины, работающей по произвольному циклу с фиксированной максимальной и минимальной температурой, не превосходит КПД машины, работающей по циклу Карно с соответствующими температурами нагревателя и холодильника.
КПД машин, работающих по циклу Карно, не зависит от рабочего вещества и конструктивных особенностей машины, а определяется только температурами нагревателя и холодильника.
Приложения
• Построение абсолютной термодинамической шкалы температур. • Разработка метода теоретической термодинамики – метода циклов.
• Вывод неравенства Клаузиуса. • Определение энтропии в термодинамике. • Оценка эффективности тепловых машин сверху.

Далее мы подробно рассмотрим каждое из приложений этих двух теорем. Начнем с построения абсолютной термодинамической шкалы температур.

Термодинамическая шкала температур

Поскольку КПД не зависит от рабочего тела, то можно представить следующую процедуру построения шкалы температур.

• В качестве нагревателя машины Карно берется некоторое стандартное тело, например, вода, кипящая при атмосферном давлении.

• В качестве холодильника выбирается другое стандартное тело, например лед, тающий при атмосферном давлении.

• Разность температур Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы(сами температуры пока не известны) делится на сто частей, чем устанавливается размер градуса абсолютной термодинамической шкалы температур.

• Осуществляется обратимый цикл Карно с каким-либо телом.

• Измеряются Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы. Согласно (10.2) и (10.9)

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Кроме того Политропный процесс вывод уравнения политропы. Из этих двух уравнений определяем Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы. Если требуется измерить температуру Политропный процесс вывод уравнения политропыпроизвольного тела, то это тело следует использовать в качестве нагревателя, сохранив прежний холодильник с температурой Политропный процесс вывод уравнения политропы. Затем необходимо осуществить цикл Карно и измерить Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы. Тогда справедливо равенство

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Отсюда находится искомая температура Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Построенная таким образом шкала температур Кельвина, как мы уже знаем, совпадает со шкалой газового термометра. Из уравнения (10.10) следует, что нулем температуры является температура, при которой Политропный процесс вывод уравнения политропыравно нулю. Более строгое рассмотрение принципов построения рациональной термодинамической шкалы температур дано в [14].

10.3. Метод циклов

С помощью первой теоремы Карно можно получить много важных соотношений между физическими величинами в дифференциальной форме, характеризующими систему в состоянии термодинамического равновесия. Для этого надо заставить систему надлежащим образом осуществить цикл Карно и применить к нему теорему Карно. Этот метод называется методом циклов. Проясним его сущность на примере решения следующей задачи.

Задача о нахождении зависимости внутренней энергии Политропный процесс вывод уравнения политропы

макроскопического тела от его объема Политропный процесс вывод уравнения политропы

Рассмотрим произвольное физически однородное тело, состоя­ние которого характеризуется двумя параметрами Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы. Будем считать, что

известно его термическое уравнение состояния Политропный процесс вывод уравнения политропы

Для того, чтобы в соответствии с методом циклов получить зависимость энергии от объема в дифференциальной форме, необходимо осуществить бесконечно малый цикл Карно над рассматриваемым телом таким образом, чтобы температуры изотерм отличались на Политропный процесс вывод уравнения политропы. Изобразим подобный цикл на рис. 10.3. Как видно, верхняя изотерма имеет температуру Политропный процесс вывод уравнения политропы, а нижняя Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Запишем КПД цикла Карно с одной стороны через температуры, а с другой – через полученное телом количество теплоты и совершенную им работу

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Работа Политропный процесс вывод уравнения политропы, произведенная телом в результате цикла 1234, численно равна заштрихованной площади параллелограмма 1234. Чтобы вычислить ее, проведем прямые 1-6и 2-5, параллельные оси давлений. Ясно, что искомая площадь равна площади параллелограмма 1256.

Высота этого параллелограмма численно равна приращению

Политропный процесс вывод уравнения политропы– объема при изотермическом процессе 1-2.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Основание же 6-1дает приращение давления при повышении температуры на Политропный процесс вывод уравнения политропы, когда объем системы поддерживается постоянным. Поэтому

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Для работы цикла, которая численно равна его площади, получаем

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Вычислим теперь количество теплоты Политропный процесс вывод уравнения политропыотданное нагревателем телу на изотерме 1-2. Пренебрегая изменениями давления на участке 1-2, запишем согласно первому началу

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Так как на изотерме 1-2температура постоянна, то

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Подставив (10.14) в (10.13), получим

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Теперь вернемся к (10.11). Выразим числитель и знаменатель правой части этого уравнения согласно (10.12) и (10.15). Тогда получим

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Из (10.16) легко выразить частную производную. В итоге получаем искомое решение

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Подобным образом можно найти зависимость давления насыщенного пара от температуры или закон изменения поверхностного натяжения с температурой и множество других закономерностей.

10.4. Неравенство Клаузиуса. Определение энтропии

На основе второй теоремы Карно можно получить неравенство, связывающее приведённую теплоту нагревателя Политропный процесс вывод уравнения политропыи приведённую теплоту холодильника Политропный процесс вывод уравнения политропыдля цикла Карно. Воспользуемся математической записью второй теоремы Карно

Политропный процесс вывод уравнения политропы

где Политропный процесс вывод уравнения политропы– КПД произвольного цикла с фиксированными температурами Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Запишем это неравенство более детально

Политропный процесс вывод уравнения политропы

или, что, то же самое

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Знак минус в этом неравенстве показывает, что Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропыимеют разные знаки. Приведём окончательную форму соотношения (10.18), которую называют неравенством Клаузиуса для цикла Карно

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Отметим, что знак равенства относится к равновесному циклу Карно, а знак неравенства к неравновесному (необратимому).

Неравенство Клаузиуса можно обобщить для произвольного цикла [12]. Оно имеет следующий вид

Политропный процесс вывод уравнения политропы

здесь под Политропный процесс вывод уравнения политропы, следует понимать температуру самой системы. Для обратимых процессов в (10.20) справедлив только знак равенства, а для необратимых – знак неравенства.

Запишем (10.20) для произвольного обратимого цикла

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Из этого следует (см. 8.1), что бесконечно малая величина под интегралом в (10.21) является полным дифференциалом некоторой функции состояния. Обозначим её буквой Политропный процесс вывод уравнения политропы. Эта термодинамическая функция называется энтропией

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Равенство (10.22) определяет энтропию для обратимых процессов. Дальнейшему обсуждению этой важной термодинамической величины будет посвящена следующая лекция. Кроме того, свойства энтропии в окрестности абсолютного нуля температур мы рассмотрим при изучении третьего начала термодинамики.

10.5. Оценка эффективности тепловых машин сверху

В повседневной жизни мы постоянно используем различные виды тепловых машин. Наземные транспортные средства невозможно представить без бензинового двигателя внутреннего сгорания или дизельного мотора. На тепловых электростанциях работают паровые турбины. В небо нас уносят турбореактивные самолеты. В основе работы этих и многих других машин лежат различные циклические процессы и в них применяются разные рабочие вещества. У вас будет возможность научиться рассчитывать КПД и КИЭ на основе рассмотрения конкретных циклов Отто, Дизеля, Брайтона и других. Возникает вопрос, можно ли рассчитать показатели эффективности машины, не вдаваясь в детали ее работы. Оказывается можно, но, разумеется, приближенно. Вторая теорема Карно позволяет сделать оценки эффективности реальных машин сверху. Для этого нужно знать только максимальную температуру цикла машины Политропный процесс вывод уравнения политропыи его минимальную температуру Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Политропный процесс вывод уравнения политропы,

Политропный процесс вывод уравнения политропы

будем рассчитывать КПД и КИЭ реальных машин по формулам цикла Карно. Эти формулы приведены на схеме 10.5.1.

Эффективность идеальной машины Карно
Коэффициент использования энергии
Коэффициент полезного действия
Политропный процесс вывод уравнения политропы
Политропный процесс вывод уравнения политропы
Политропный процесс вывод уравнения политропы
Тепловой насос
Холодильник, кондиционер
Двигатель

Примеры оценок эффективности тепловых машин сверху

КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания

Политропный процесс вывод уравнения политропы= 2427°C +273 = 2700 Политропный процесс вывод уравнения политропы– температура воздушно-бензиновой смеси в момент ее воспламенения от искры свечи зажигания;

Политропный процесс вывод уравнения политропы= 27°C+273 = 300 Политропный процесс вывод уравнения политропы– температура наружного воздуха.

Политропный процесс вывод уравнения политропы

КПД реального теплового двигателя, работающего по циклу Отто, не превосходит 0,56.

Видео:О.Я. Савченко 5.6.28* | Вывод уравнения политропыСкачать

О.Я. Савченко 5.6.28* | Вывод уравнения политропы

Политропный процесс. Выведем уравнение политропного процесса

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)

откуда Политропный процесс вывод уравнения политропы. Обозначим Политропный процесс вывод уравнения политропы— показатель политропы.

Тогда последнее уравнение запишется:

Разделив уравнение (а) на pu, запишем Политропный процесс вывод уравнения политропыПроинтегрировав это уравнение, получим n ln u + ln p = const или ln pu n = const.

Откуда получим уравнение политропы

pu n = 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 pu n = 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:

Политропный процесс вывод уравнения политропы; Политропный процесс вывод уравнения политропыи Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Изменение внутренней энергии Du и энтальпии Dh в политропном процессе, как и в любом термодинамическом процессе, найдется по уравнениям

Формулы для работы изменения объема могут быть найдены по уравнению Политропный процесс вывод уравнения политропы Политропный процесс вывод уравнения политропы, куда подставляют р = р1u1 n /v n , где p и u — текущие значения параметров.

В результате интегрирования получим

Политропный процесс вывод уравнения политропы. (4.29)

Выражение (4.29), аналогичное адиабатному процессу, можно представить как

Политропный процесс вывод уравнения политропы, (4.30)

и Политропный процесс вывод уравнения политропы. (4.31)

Формула для технической работы согласно уравнению (а) l¢ = nl, т.е.

Политропный процесс вывод уравнения политропы. (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

Политропный процесс вывод уравнения политропы. (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:

Политропный процесс вывод уравнения политропы. (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; Политропный процесс вывод уравнения политропы. Уравнение pu n = const представим в виде Политропный процесс вывод уравнения политропы, тогда Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Следовательно, при n = ±¥ уравнение политропы обратилось в уравнение изохоры;

2) для изобарного процесса

с = ср; Политропный процесс вывод уравнения политропы; Политропный процесс вывод уравнения политропы;

3) для изотермического процесса

Политропный процесс вывод уравнения политропы.

Следовательно, n — 1 = 0; n=1 и pu n = pu = const;

4) для адиабатного процесса

Читайте также:

  1. B. C. Соловьёв о праве, государстве и историческом процессе.
  2. I. Повышение управляемости организации при внедрении процессного подхода.
  3. II. Начало процесса исторического развития общества.
  4. III. Технологическое проектирование строительных процессов.
  5. III.1.1) Формы уголовного процесса.
  6. IV.3.2) Виды легисакционного процесса.
  7. IV.4.1) Происхождение и смысл формулярного процесса.
  8. IV.4.3) Общий ход формулярного процесса.
  9. IV.5. Когниционный процесс
  10. VI. Педагогические технологии на основе эффективности управления и организации учебного процесса
Политропный процесс вывод уравнения политропы

с=0; Политропный процесс вывод уравнения политропы; pu n = pu к = 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

Дата добавления: 2015-01-19 ; просмотров: 37 ; Нарушение авторских прав

Видео:Термодинамика Л3.1. Политропический процесс. Термодинамические циклы и КПДСкачать

Термодинамика Л3.1. Политропический процесс. Термодинамические циклы и КПД

Политропный процесс

Здравствуйте! В процессах изменения состояния газа переменными часто являются все параметры состояния (температура, давление, удельный объем), причем в некоторых процессах может изменяться и теплоемкость. Для того чтобы рассчитать такой процесс, необходимо знать зависимость теплоемкости от параметров процесса. Расчет значительно упрощается, если теплоемкость считать постоянной. Политропным называют процесс, происходящий при постоянной теплоемкости и вызываемый подводом тепла к рабочему телу или отводом тепла от него (название происходит от греческих слов «поли» — много и «тропос» — путь). В политропном процессе в общем случае могут изменяться все параметры и функции состояния.

Для вывода уравнения политропного процесса продифференцируем уравнение Клапейрона :

Из выражений dq=du+pdυ и du=cudT найдем

Подставив в это соотношение равенство dq = cdT, будем иметь

Из выражения (3) найдем

Политропный процесс вывод уравнения политропы

После подстановки этого равенства в выражение (1) получим

Величину газовой постоянной определим из уравнения Майера cp = cυ + R.

Подставив величину R в выражение (4), и выполнив некоторые преобразования, найдем

Политропный процесс вывод уравнения политропы

Разделив уравнение (5) на pυ и введя обозначение

Интегрирование этого выражения возможно при условии n = const, то есть c=const. После интегрирования уравнения (7) получим

Выражение (8) называют уравнением политропы. Оно определяет связь между параметрами состояния p и υ в политропном процессе. Величина n, которая находится из соотношения (6), называется показателем политропы. Показатель n является функцией теплоемкости и, как и теплоемкость зависит от характера процесса. Для анализа частных случаев процесса требуется знать соответствующий показатель политропы n.

При изохорном процессе (c=cυ) функция (6) претерпевает бесконечный разрыв, изменяясь от n = +∞ до n — ∞. При изобарном процессе (с = ср) показатель n = 0. Следовательно, показатель политропы n в зависимости от характера процесса может изменяться в широких пределах, принимая любые значения от —∞ до +∞.
С помощью политропного процесса можно приближенно описать и рассчитать любой процесс изменения состояния 1—4 (рис. 1), для которого теплоемкость является переменной величиной. При этом произвольный процесс 1—4 необходимо заменить несколькими эквивалентными политропными процессами (процессы 1—2, 2—3 и 3—4), которые отличаются друг от друга постоянными значениями теплоемкости.

Замена должна производиться таким образом, чтобы работа в процессе 1—4 была равна работе на пути 1—2 — 3—4, то есть, чтобы были равны площади, ограниченные соответствующими кривыми процессов и ординатами 1—6 и 4—5. Так как изменение внутренней энергии ∆u на участке 1—4 не зависит от пути процесса (∆u=const), то, согласно уравнению q = ∆u + l первого закона термодинамики, количество теплоты в обоих случаях будет также одинаково. Погрешности, обусловленные такой заменой, окажутся тем меньшими, чем большим числом эквивалентных политропных участков будет заменен произвольный процесс 1—4, протекающий при переменной теплоемкости. Исп. литература: 1) Теплотехника, под общей ред. И.Н. Сушкина, Москва, «Металлургия», 1973. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.

🔥 Видео

30. Политропические процессыСкачать

30. Политропические процессы

Адиабатный процесс. 10 класс.Скачать

Адиабатный процесс. 10 класс.

Урок 172. Применение 1 закона термодинамики для различных процессовСкачать

Урок 172. Применение 1 закона термодинамики для различных процессов

Политропный процессСкачать

Политропный процесс

Основы теплотехники. Термодинамические процессы. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный.Скачать

Основы теплотехники. Термодинамические процессы. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный.

Физика. Термодинамика: Адиабатный процесс. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»Скачать

Физика. Термодинамика: Адиабатный процесс. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

29. Адиабатический процесс. Уравнение ПуассонаСкачать

29. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона

Урок 178. Тепловые двигатели и их КПД. Цикл КарноСкачать

Урок 178. Тепловые двигатели и их КПД. Цикл Карно

Политропический процессСкачать

Политропический процесс

Выпуск 78. Политропный процесс. Решение задач по термодинамике.Скачать

Выпуск 78. Политропный процесс. Решение задач по термодинамике.

Термодинамика Л3. 2022. Изопроцессы. Политропический процесс. Вращательные степени свободыСкачать

Термодинамика Л3. 2022. Изопроцессы. Политропический процесс. Вращательные степени свободы

Адиабатный процесс. Практическая часть. 10 классСкачать

Адиабатный процесс.  Практическая часть. 10 класс

Урок 170. Количество теплоты. Первый закон термодинамикиСкачать

Урок 170. Количество теплоты. Первый закон термодинамики

ЧК_МИФ_ФМЛ_30 _ 2_2_5_3. ПОЛИТРОПНЫЕ ПРОЦЕССЫСкачать

ЧК_МИФ_ФМЛ_30 _ 2_2_5_3.   ПОЛИТРОПНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Термодинамика | уравнение МайераСкачать

Термодинамика | уравнение Майера

Урок 167. Вычисление работы в термодинамикеСкачать

Урок 167. Вычисление работы в термодинамике

Семинар 7. Основы термодинамики.Скачать

Семинар 7. Основы термодинамики.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. 10 класс.Скачать

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. 10 класс.
Поделиться или сохранить к себе: