Первый закон термодинамики

Формулировка: В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.

Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой.

Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел.

Существуют другие формулировки этого закона:

Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии ни из чего и уничтожения ее в ничто);

Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии);

Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии);

Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.

Энтальпия В прошлом столетии Гибсс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию — энтальпию.

Определение: Энтальпия — это сумма внутренней энергии тела и произведения давления на объем.

I = U + PV.

Где:

I — энтальпия; U — внутренней энергия; P — давление; V — объем.

Удельная энтальпия i это отношение энтальпии тела к его массе.

Удельная энтальпия это параметр состояния.

Значение удельной энтальпии пара и воды при определенном давлении и температуре можно найти в справочнике. Пользуясь этими данными, можно определить количество теплоты участвующее в процессе или работу процесса.

Энтропия Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия обозначается S размерность Дж/К.

dS = dQ/T.

где:

dS — дифференциал энтропии; dQ — дифференциал теплоты; Т — абсолютная температура;

Удельная энтропия отношение энтропии тела к его массе. Удельная энтропия s является справочной величиной.

Удельная энтропия — функция состояния вещества, принимающая для каждого его состояния определенное значение:

s = f (Р, v, Т) Тепловая ТS диаграмма.

Удельную энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров для графического изображения процессов. Аналогично тому, как мы строили изменение объема в зависимости от изменения температуры, мы можем изобразить некоторый процесс изменения энтропии и температуры в Т-S координатах. В этом случае любая точка на графической плоскости соответствует определенному состоянию рабочего тела, а линия от точки 1 до точки 2 отображает некий термодинамический процесс. Особенностью Т-S координат является то, что площадь под линией процесса соответствует количеству энергии отданной или полученной рабочим телом.

Т — S диаграмма цикла Карно На данной диаграмме представлен некий замкнутый цикл. Система последовательно переходит из точки 1 в 2 затем 3, 4 и снова в 1. Из графика видно что процесс 1 2 является изотермическим (происходит при Т1) и процесс 3 4 также является изотермическим (происходит при T2).

Процессы 2 3 и 4 1 являются адиабатными. Поскольку в них не происходит изменение энтропии то dS = 0 следовательно dQ = 0 или Q = const.

Количество тепла подводимое к системе:

Q1 = T1 (S2-S1) площадь прямоугольника 1−2-S2-S1−1.

Количество тепла отдаваемое системой:

Q2 = T2 (S2-S1) площадь прямоугольника 3-S2-S1−4-3.

Работа цикла L = Q1- Q2.

К.П.Д цикла.

Главной особенностью данного цикла является то, что при данном перепаде температур у любого другого цикла КПД будет меньше. Другими словами максимально возможным КПД при данном перепаде температур является КПД цикла Карно. Диаграмма Т-S дает наглядное доказательство этого утверждения. Любой другой цикл в диапазоне температур Т1-Т2, на диаграмме будет иметь соотношение площадей меньшее чем соотношение площадей прямоугольников. В связи с площадями на диаграмме возникло выражение, степень заполнения цикла — насколько площади работы цикла близки к площадям прямоугольников.

Важным следствием из формулы для КПД цикла Карно является то, что для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру подвода тепла T1, и снижать температуру отвода тепла T2.