Термодинамический процесс

Термодинамическим процессом называется совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система (рабочее тело) при ее взаимодействии с окружающей средой.

1.3. Смеси газов, теплоемкость газов и газовых смесей

В инженерной практике часто приходится иметь дело не с однородными газами, а со смесями химически не связанных между собой газов. Примерами газовых смесей могут служить: атмосферный воздух, природный газ, газообразные продукты сгорания топлив и т.д.

Для газовых смесей справедливы следующие положения.

1. Каждый газ, входящий в смесь, имеет температуру, равную температуре смеси.

2. Любой из газов, входящих в смесь, распространяется по всему объему смеси и поэтому объем каждого газа равен объему всей смеси.

3. Каждый из газов, входящих в смесь, подчиняется своему уравнению состояния.

4. Смесь в целом является как бы новым газом и подчиняется своему уравнению состояния.

В основе изучения газовых смесей лежит закон Дальтона, согласно которому при постоянной температуре давление смеси равно сумме парциальных давлений газов, входящих в смесь:

(1.8)

где p_см - давление смеси;

p_i - парциальное давление i-го газа, входящего в смесь;

n - число газов, входящих в смесь.

Парциальным называют давление, которое окажет газ, входящий в смесь, если он один будет занимать весь объем смеси при той же температуре.

Способы задания газовых смесей

Состав газовой смеси может быть задан массовыми, объемными и мольными долями.

Массовые доли. Массовой долей любого газа, входящего в смесь, называется отношение массы этого газа к массе смеси.

m₁ = M₁ / M_см; m₂ = M₂ / M_см; ..........; m_n = M_n / M_см,

где m₁, m₂, ..., m_n - массовые доли газов;

М₁, М₂, ..., М_n - массы отдельных газов;

М_см - масса смеси.

Нетрудно видеть, что и (100%).

Объемные доли. Объемной долей любого газа, входящего в смесь, называется отношение приведенного (парциального) объема этого газа к объему смеси.

r₁ = V₁ / V_см; r₂ = V₂ / V_см; ........., r_n = V_n / V_см;

где V₁, V₂, ..., V_n - приведенные объемы газов;

V_см - объем смеси;

r₁, r₂, ..., r_n - объемные доли газов.

Приведенный объем - это объем газа при условиях смеси (при температуре и давлении смеси).

Теплоемкостью тела называют количество теплоты, необходимое для нагревания или охлаждения тела на 1 К. Теплоемкость единицы количества вещества называют удельной теплоемкостью

с - массовую теплоемкость, Дж/ (кг×К);

с¢ - объемную теплоемкость, Дж/ (нм³ ×К);

с_m - мольную теплоемкость, Дж/(кмоль ×К).

Между названными теплоемкостями существуют следующие зависимости:

с = с_m / m; с_m = с × m;

с¢ = с_m / 22,4; с_m = с¢ × 22,4,

отсюда ; с¢ = с × r_н,

где u_н и r_н - удельный объем и плотность при нормальных условиях.

Изохорная и изобарная теплоемкости

Количество теплоты, сообщаемое рабочему телу зависит от особенностей термодинамического процесса. Практическое значение имеют два вида теплоемкости в зависимости от термодинамического процесса: изохорная и изобарная.

Теплоемкость при u = const - изохорная.

c_u - массовая изохорная теплоемкость,

c¢_u - объемная изохорная теплоемкость,

c_mu - мольная изохорная теплоемкость.

Теплоемкость при p = const - изобарная.

c_р - массовая изобарная теплоемкость,

c¢_р - объемная изобарная теплоемкость,

c_mр - мольная изобарная теплоемкость.

При одинаковом изменении температуры в процессе, осуществляемом при
p = const, расходуется теплоты больше, чем в процессе при u = const. Это объясняется тем, что при u = const теплота, сообщаемая телу, расходуется лишь на изменение его внутренней энергии, тогда как при p = const теплота расходуется и на увеличение внутренней энергии, и на совершение работы расширения. Разность между массовой изобарной и массовой изохорной теплоемкостями по уравнению Майера

c_р - c_u =R. (1.17)

Если левую и правую части уравнения (1.17) умножить на массу киломоля m, то получим

c_mр - c_mu = 8314 Дж/(кмоль×К) (1.18)

В термодинамике и ее приложениях большое значение имеет отношение изобарных и изохорных теплоемкостей:

, (1.19)

где к - показатель адиабаты