Основные законы термодинамики

Первое начало термодинамики для закрытой и открытой систем

Первое начало (первый закон) термодинамики может быть рассмотрен для двух случаев:

• • система закрытая, рабочее тело как целое не перемещается («неподвижное тело») в поле равномерно распределенных сил давления;
• • система открытая, рабочее тело находится в потоке, движущемся в канале, причем давление на входе в канал отлично от давления на выходе из него («случай потока») в поле неравномерно распределенных сил давления.

Полная энергия Е рабочего тела складывается из внутренней энергии, потенциальной энергии давления и кинетической энергии движения тела как целого:

где № — скорость движения рабочего тела.

Запишем общее уравнение первого закона термодинамики для закрытой системы при условии теплового с/(2 и деформационного с1Ь' воздействий (наиболее часто встречающийся случай (рис. 1.3)). Тогда сумма этих воздействий среды на тело преобразуется в изменение энергии рабочего тела (1.2).

Рис. 13. Закрытая система (неподвижное рабочее тело).

Для неподвижного рабочего тела.

с!Е = с1и,

тогда.

сШ=с1() + сШ.

Заменяя работу сил среды над телом работой тела над средой:

(И' = ~(1Ь,

получим.

Первый закон термодинамики для закрытой системы можно сформулировать следующим образом: теплота, подведенная к телу из внешней среды, расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела и совершение им внешней механической работы.

Иная форма уравнения первого закона термодинамики может быть получена следующим образом. Из формулы приращения удельной энтальпии.

сИ = с1и + с1(рс)

находим.

с1и + рс1с = сН — одр.

Тогда.

Первый закон термодинамики для открытой системы в случае теплового и механического взаимодействия запишется следующим образом:

где 1^_сх — техническая работа внешних сил, кДж.

Разделив последнее уравнение на М и преобразовав с учетом равенства дЦ_ех =-с1Ь_1ехУ где ?_тсх — техническая работа, совершаемая газом, получим.

где /_пот — удельная работа потока;

Приравняв правые части (1.43а) и (1.44), можно сделать вывод: или, в случае когда скорость потока не меняется (с1? = 0),.

Первый закон термодинамики для открытой системы формулируется так: подведенная к системе теплота преобразуется в энтальпию и располагаемую работу потока

Располагаемая работа потока складывается из двух работ:

• • работы истечения (с1^/2/2)_у производимой равнодействующей сил рабочего тела против отбегающего и набегающего потоков в сечениях 1—1 и II—II (рис. 1.4) и силы, перемещающей рабочее тепло, но каналу;
• • технической работы (сИ_ТСХ)_у производимой равнодействующей сил рабочего тела на стенки канала и силы, перемещающей канал.

К открытой системе может быть применено выражение (1.43), в котором величина энтальпии г может характеризоваться как внутренняя энергия потока, складывающаяся из внутренней тепловой и и внутренней механической ре энергии, а величина.

может быть названа располагаемой работой потока. Работа потока может быть получена лишь в поле переменного давления (координата р) при наличии разности плотностей (1/р = о) в системе и окружающей среде (плотность-потенциал).

Рис. 1.4. Открытая система (рабочее тело в потоке).