Энтальпия. Энтальпией термодинамического тела называют сумму внутренней энергии u и произ­ведения pv

Энтальпией термодинамического тела называют сумму внутренней энергии u и произ­ведения pv.

где dl_t - есть дифференциал технической работы (dl_t = - vdp).

Полученное уравнение является также вто­рой формулировкой первого закона термо­динамики, используя понятия энтальпии и технической работы.

Величина i может также рассматриваться как параметр состояния термодинамиче­ского тела наряду с ранее введенными p, v, T, и. Физический смысл величины i может пояснен на основе уравнения dq = di - vdp, которое для процесса p = const запи­шется как:

dq_p = di. (86)

Откуда следует, что di есть элементарное количество теплоты, подведенное к термо­динамическому телу в процессе постоян­ного давления.
Изменение энтальпии в любом процессе определяется только начальным и конеч­ным состояниями тела и не зависит от ха­рактера процесса.

Энтропия является функцией состояния, поэтому её изменение в термодинамическом процессе опреде­ляется только начальными и конеч­ными значениями параметров состоя­ния. Изменение энтропии в основных термодинамических процессах:

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ РА­БО­ЧЕГО ТЕЛА, ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И РАЗМЕРНОСТЬ.

Внутренняя энергия – это вся энер­гия заключенная в теле или системе тел. Эту энергию можно представить в виде суммы отдельных видов энергий: ки­нетической энергии молекул, включающей энергию поступательного и вращательного движения молекул, а также колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии или энергии положения молекул в каком либо внешнем поле сил; энергии электромагнитного излучения.

Полную внутреннюю энергию тела принято обозначать U (Дж), а удельную внутреннюю энергию u (Дж/кг).

Внутренняя энергия равна:
Где – внутренняя кинетическая энергия молекул, внутренняя по­тенциальная энергия молекул, – по­стоянная интегрирования.

В технической термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенциальная составляющие внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса при бесконечно малом изменении состояния (для 1 кг)

В теплотехнических расчётах обычно требуется знать изменение внутренней энергии, а не её абсолютное значение; поэтому начало отсчёта (0 К или 0⁰ С) для конечного результата () не имеет значения.
где - средняя массовая теплоёмкость при постоянном объёме в пределах

Таким образом, изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса равно произведению средней теплоёмкости при постоянном объёме на разность температур газа.

ЭНТАЛЬПИЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Энтальпией термодинамического тела называют сумму внутренней энергии u и произ­ведения p v.

где dlt - есть дифференциал техниче­ской работы (dlt = - vdp).

Полученное уравнение является также второй формулировкой первого за­кона термо­динамики, используя поня­тия энтальпии и технической работы.

Величина i может также рассматри­ваться как параметр состояния термо­динамического тела наряду с ранее введенными p, v, T, u. Физический смысл величины i может пояснен на основе уравнения (dq = di - vdp), ко­торое для процесса p = const запи­шется как: dqp = di.

Откуда следует, что di есть элемен­тарное количество теплоты, подве­денное к термодинамическому телу в процессе постоянного давления.

Изменение энтальпии в любом процессе определяется только начальным и конеч­ным состояниями тела и не зависит от промежуточных состояний и ха­рактера процесса.

4. Первое начало термодинамики и его смысл

(1-ый вариант ответа)

первое начало термодинамики устанавливает внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий. [1]

В термодинамике рассматриваются два типа внешних взаимодействий: воздействие, связанное с изменением внешних параметров системы (система совершает работу W), и воздействие не связанные с изменением внешних параметров и обусловленные изменением внутренних параметров или температуры (системе сообщается некоторое количество теплоты Q).

Поэтому, согласно первому началу, изменение внутренней энергии U₂-U₁ системы при ее переходе под влиянием этих воздействий из первого состояния во второе равно алгебраической сумме Q и W, что для конечного процесса запишется в виде уравнения:

U₂ - U₁ = Q - W или Q = U₂ - U₁ + W (1.1)

Первое начало формируется как постулат и является обобщением большого количества опытных данных.

Для элементарного процесса уравнение первого начала такого:

dQ = dU + dW (1.2)

dQ и dW не являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования.

Зависимость Q и W от пути видна на простейшем примере расширение газа. Работа совершенная системой при переходе ее из состояния 1 в 2 (рис. 1) по пути а изображается площадью, ограниченной контуром А1а2ВА:

W_а = p(V,T) dV;

а работа при переходе по пути в - площадью ограниченную контуром А1в2ВА:

W_b = p(V,T) dV.

Поскольку давление зависит не только от объема, но и от температуры, то при различных изменениях температуры на пути А и В при переходе одного и того же начального состояния (p₁,V₁) в одно и тоже конечное (p₂,V₂) работа получается разной. Отсюда видно, что при замкнутом процессе (цикле) 1а2в1 система совершает работу не равную нулю. На этом основана работа всех тепловых двигателей.

Из первого начала термодинамики следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии, или за счет сообщения системе количества теплоты. В случае если процесс круговой, начальное и конечное состояние совпадают U₂- U₁ = 0 и W = Q, то есть работа при круговом процессе может совершаться только за счет получения системой теплоты от внешних тел.

Первое начало можно сформулировать в нескольких видах:

1. Невозможно возникновение и уничтожение энергии.

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения.

3. Внутренняя энергия является однозначной формой состояния.

4. Вечный двигатель первого рода невозможен.

5. Бесконечно малое изменение внутренней энергии является полным дифференциалом.

6. Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса.

Первый закон термодинамики, постулируя закон сохранения энергии для термодинамической системы, не указывает направление происходящих в природе процессов. Направление термодинамических процессов устанавливает второе начало термодинамики.

(2-ой вариант ответа)

Первое начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии термодинамической системы (тела) может быть осуществлено двумя путями: путём совершения механической работы и путём теплопередачи. Энергия, переданная системе путём теплопередачи, называется количеством теплоты .

Таким образом, количество теплоты может быть определено как разность изменения внутренней энергии системы и механической работы, совершённой над системой:

,

(1.3)

где - количество теплоты, переданной системе, - изменение внутренней энергии системы при её переходе из первого состояния во второе, - работа, совершённая над системой.

Так как работа, совершенная над системой , равна работе, совершенной системой , взятой с обратным знаком: , то первое начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом:

Теплота , подводимая к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение этой системой работы над внешними телами:

.

(1.4)

Если к термодинамической системе подводится элементарное количество теплоты , то оно расходуется на изменение внутренней энергии и совершение элементарной работы :

.

(1.5)

Отметим принципиальное отличие величины и величин и . Величина представляет собой полный дифференциал, то есть бесконечно малое изменение величины , и поэтому интеграл от неё равен разности внутренних энергий системы в двух состояниях, конечном и начальном:

.

(1.6)

Интегралы (суммы) от малых величин и являются количеством теплоты , переданной системе, и работой , совершенной системой при ее переходе из первого состояния во второе:

,

(1.7)

.

(1.8)

В отличие от внутренней энергии, являющейся функцией состояния, теплота и работа функциями состояния не являются, а зависят от того, каким образом система переведена из одного состояния в другое.

С учетом формул (1.6) - (1.8) интегрирование выражения (1.5) дает

.

(1.9)

Эта формула представляет собой запись первого начала термодинамики применительно к случаю перехода термодинамической системы из некоторого первого состояния во второе.

По своему физическому смыслу первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения (изменения) энергии в термодинамике. Если, согласно закону изменения энергии в механике, работа неконсервативных сил равна приращению механической энергии системы (в частности, имеющая отрицательный знак работа сил трения равна уменьшению механической энергии системы), то согласно первому началу термодинамики, приращение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме работы внешних сил, совершенной над системой, и энергии, переданной системе путём теплопередачи.

Внешние силы (как и в механике) могут приводить к возникновению внутренних сил. Например, в опыте Джоуля, работа внешних сил приводит к увеличению внутренней механической энергии воды в неравновесном состоянии (возникновению в ней потоков), а работа внутренних сил трения переводит эту механическую энергию во внутреннюю тепловую энергию воды в равновесном состоянии (кинетическую энергию микроскопического движения молекул воды).

В опыте Джоуля пренебрегалось изменением объёма воды (хотя именно изменение объёма воды характеризует, при неизменном внешнем давлении, изменение состояния воды) и считалось, что механическая работа совершается без изменения объёма системы. При этом работа диссипативных сил (вязкого трения) приводила к росту внутренней энергии системы.

Если бы в опыте Джоуля силы вязкого трения отсутствовали (например, вместо воды был бы использован не имеющий вязкости сверхтекучий гелий), то вся потенциальная энергия опускающихся грузов переходила бы в их кинетическую энергию и кинетическую энергию шкивов без изменения термодинамического состояния жидкости.

Другая ситуация имеет место в случае, если учитывать изменение объёма тела, но пренебрегать внутренними силами трения в нём. Тогда механическая работа, совершаемая телом, будет определяться механическим движением границы тела (все внутренние движения из-за отсутствия трения не приведут к совершению работы). В этом случае, без учета изменения потенциальной энергии тела при наличии, например, гравитационных или электромагнитных полей, работа, совершенная телом, определяется двумя параметрами - давлением и объёмом.

В случае, если термодинамические процессы в системе квазиравновесные, и потоки энергии, вещества и т.д. в ней отсутствуют, то можно пренебречь внутренним трением, считая, что изменения объёма и давления определяют изменение состояния системы.

Работа , совершаемая телом (например, газом) над внешними телами при перемещении элемента поверхности этого тела (оболочки газа), площадью , на расстояние вдоль нормали к поверхности равна:

,

(1.10)

где: - сила, действующая по нормали к поверхности , - внешнее давление, которое считается неизменным при перемещении элемента на расстояние . Если давление одно и то же во всех точках поверхности тела, то, просуммировав по всей поверхности, получим:

,

(1.11)

где - работа, совершённая телом при приращении его объёма на малую величину

Для элементарной работы выражение (1.11) принимает вид:

.

(1.12)

Работа при конечных изменениях объёма тела может быть определена путем интегрирования выражения (1.12):

.

(1.13)

Этот интеграл зависит от пути перехода из состояния с объемом в состояние с объемом , так как функция может иметь различный вид.

Рис. 1.5 иллюстрирует зависимость величины интеграла (1.13), численно равного площади под кривой , от вида функции .