Уравнение 1-го закона термодинамики

Работа проталкивания d(pV) – функция состояния и определяется только начальными и конечными значениями параметров, а ее дифференциал является полным дифференциалом:

ℒпрот=, ,

где pdV – работа расширения; Vdp – располагаемая работа (работа перемещения), которая идет на изменение кинетической энергии рабочего тела и преодоление сил трения.

Термодинамическое рабочее тело может также производить техническую работу ℒтехн при перемещении канала с рабочим телом в пространстве, например, при вращении ротора турбины.

Таким образом, уравнение 1-го закона термодинамики для проточной ТС при m=const будет иметь вид:

ℒтехн, Дж/с.

Для однородного рабочего тела при m=1кг/с

, Дж/кг.

При и

, Дж/кг.

Так как , то уравнение 1-го закона термодинамики, выраженное через энтальпию, будет иметь вид:

, Дж/кг.

Эти уравнения пригодны для исследования термодинамических процессов во всех типах тепловых двигателей, где имеется движение рабочего тела по тракту двигателя (реактивные двигатели, газотурбинные установки и др.).

Относительно осей координат, которые движутся вместе с центром масс рассматриваемого элемента потока, энергетические превращения можно описать уравнением Бернулли:

.

Тогда уравнения 1-го закона термодинамики для подвижных осей координат при и будут иметь вид:

,

и , которые аналогичны по форме записи уравнениям первого закона термодинамики для неподвижной закрытой термодинамической системы.

Запишем уравнение 1-го закона термодинамики для конечного процесса в проточной ТС в виде:

,

где — сумма величин механической природы, называемой располагаемой работой. В тепловых машинах =0.

Тогда в турбинах , а в соплах . Техническая работа в турбине может совершаться за счет уменьшения кинетической энергии потока рабочего тела или за счет уменьшения его потенциальной энергии при падении потока воды с верхнего уровня на нижний уровень.

Приведенные в данном разделе уравнения выводились при использовании параметров состояния в сечениях на входе и выходе из системы, где состояния рабочего тела полагались равновесными. Поэтому эти уравнения справедливы и в случае протекания неравновесных процессов внутри термодинамической системы, например, если в ТС происходят химические реакции, потери на трение и др.

ГЛАВА 6. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

6.1. Сущность второго закона термодинамики. Равновесные и неравновесные состояния, обратимые и необратимые процессы

Второй закон термодинамики устанавливает существование у всякой равновесной термодинамической системы однозначной функции состояния – энтропии S.

Понятие энтропии вводится в феноменологической термодинамике с помощью выражения dS=, в соответствии с которым при подводе к ТС порции теплоты энтропия системы возрастает. Температура Т в этом выражении есть температура на границе ТС в точке, где подводится порция теплоты . С помощью этой специальной функции состояния можно математически описать 2-ой закон термодинамики.

ТС находится в состоянии равновесия, если после ее изоляции от окружающей среды в ней не наблюдается никаких изменений, и в неравновесном состоянии, если после ее изоляции в ней обнаруживаются какие-либо изменения. Эти изменения в изолированной системе протекают самопроизвольно, и со временем система приходит в равновесное состояние. Процесс является неравновесным, если при его совершении ТС хотя бы в одной точке процесса находится в неравновесном состоянии. Неравновесные состояния ТС могут быть связаны либо с локальной неравновесностью в точке, либо с объемной неравновесностью из-за различия температур, давлений и других параметров в различных элементах объема ТС. При объемной неравновесности ТС для проведения термодинамических расчетов объем ТС можно разбить на малые объемы, в пределах которых перепады параметров (р, Т и др.) малы и состояния в пределах каждого из объемов можно считать локально равновесным.