Работа расширения газа и внутренняя энергия

Работа совершается только при изменении объема газа. Если происходит расширение газа, то работа совершается против внешних сил; при сжатии, наоборот, газ воспринимает работу внешних сил. В соответствии с этим работа расширения газа положительная, а работа сжатия - отрицательная.

На pυ-диаграмме (рис. 1.4) кривая 1-2 изображает процесс расширения газа, а кривая 2 - 1 - процесс сжатия.

Пусть в цилиндре тепловой машины перемещается без трения поршень площадью F от верхней мертвой точки (ВМТ) 1 к нижней мертвой точке (НМТ) 2. Перемещение происходит под действием расширяющегося газа с давлением р. Так как работа силы, действующей в направлении движения точки ее приложения, определяется произведением этой силы на пройденный путь, то элементарная работа δl при перемещении поршня на величину dS составит

Следовательно, работа расширения газа в процессе 1 - 2 на pv-диаграмме измеряется площадью, ограниченной кривой процесса и ординатами 1 - 4 и 2 - 3 и отрезком 4-3 оси абсцисс. Диаграмма называется рабочей. Поскольку величина площади 1—2-3—4 зависит от того пути, по которому протекает процесс между точками / и 2, то и работа расширения газа является функцией не состояния, а функцией процесса. Кроме того, работа всегда связана с перемещением тел в пространстве, например поршня в цилиндре двигателя, вала турбины, поэтому характеризует упорядоченную форму передачи энергии (макроскопическую) и служит мерой энергии.

Молекулы газа, находящиеся в состоянии непрерывного хаотического движения, обладают внутренней энергией, которая включает в себя: 1) кинетическую энергию поступа­тельного, вращательного и колебательного движения молекул, зависящую от температуры; 2) потенциальную энергию взаимодействия молекул, зависящую от расстояния между ними и их взаимного расположения.

Работа в системе СИ измеряется в джоулях (Дж), удельная работа (т.е. работа, отнесенная к 1 кг газа) - в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Формула внутренней энергии

(1.41)

В идеальных газах силы взаимодействия между молекулами отсутствуют, поэтому внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии теплового движения молекул:

(1.42)

Изменение внутренней кинетической энергии определяется изменением температуры газа от T , в начале процесса до Т в его конце:

(1.43)

Удельная внутренняя энергия измеряется в Дж/кг. В любом термодинамическом процессе изменение внутрен­ней кинетической энергии идеального газа равно ее измене­нию в процессе, протекающем при постоянном объеме (и = idem), поскольку в этом случае вся теплота, сообщаемая газу, затрачивается на изменение внутренней энергии:

(1.44)

В технической термодинамике определяется не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение при переходе газа из состояния 1 в состояние 2. Следовательно, отсчет внут­ренней энергии может производиться от любого условного уровня. Для идеальных газов внутреннюю энергию считают равной нулю при нормальных условиях (t = О °С, р = 760 мм рт. ст.).

ТЕПЛОТА

Теплота является формой движения мельчайших частиц тела. Передача теплоты от одного тела к другому осуществляется либо путем непосредственного контакта между ними (тепло­проводность, конвекция), либо на расстоянии (излучение). Во всех случаях передача теплоты возможна, когда температуры тел различны.

Теплота Q и работа L в соответствии с законом сохранения и превращения энергии могут взаимно преобразовываться при строго определенном количественном соотношении:

На практике работу L и теплоту Q выражают в кило­джоулях (1 кДж = 10³ Дж), мегаджоулях (1 МДж = 10⁶ Дж) и т.д., мощность (работа в единицу времени) — в ваттах (Вт), киловаттах (1 кВт = 10³ Вт), мегаваттах (1 МВт = 10⁶ Вт). Кроме того, часто используют единицу работы - киловатт-час (1 кВт-ч = 3600 кДж).

Теплота, подводимая к рабочему телу, считается положи­тельной, отводимая - отрицательной.

Изменение внутренней энергии считается положительным при повышении температуры и отрицательным - при ее снижении.

Работа, совершаемая газом при расширении, принимается положительной, а работа, затраченная на сжатие рабочего тела, - отрицательной.