812

Величины, характеризующие количественную единицу вещества в молях, условимся обозначать чертой сверху. Тогда объем моля какого-либо газа V будет равен произведению

физических условиях (T0 = 273,15; p0 = 760 мм рт. ст. объем

Из определения газово постоянной следует, что

Умножив обе части этого равенства на μ и подставив

Универсальная газовая постоянная для одного моля всех газов, независимо от их природы, является величиной посто-

стоянная 1 кг конкретного газа вычисляется как

Для одного и того же газа, в зависимости от его массы,

Уравнение состояния реального газа Все полученные выше уравнения состояния справедли-

вы только для идеальных газов. Состояния реальных газов могут описываться этими уравнениями только приближенно,

31

численное значение, например, для азота следующее:

a = 0,135 (Н· м4)/кг2 и b = 0,386 10-4 м3/кг.

2.1.2.Газовые смеси

Вбольшинстве случаев в качестве рабочих тел термодинамических систем используются не однородные газы, а их смеси, например, воздух, природный газ, продукты сгорания топлива и т.д.

Газовыми смесями называют механические смеси отдельных газов при условии отсутствия в них химических реакций.

Длительное изучение газовых смесей позволило установить их некоторые особенности:

– каждый газ, входящий в смесь, занимает весь ее объем и имеет ее температуру;

–каждый газ, находящийся в смеси, подчиняется своему уравнению состояния;

–каждый газ, занимающий объем смеси и имеющий температуру смеси, производит соответствующее индивидуальное давление на оболочку сосуда. Это давление называет-

ся парциальным.

Чтобы определить параметры газовой смеси, необходимо знать количество каждого газа, составляющего смесь, т.е. знать состав смеси. Состав смеси может быть задан парциальным давлениями, массовыми или объемными долями.

Задание смеси парциальными давлениями

Парциальное давление обозначается через pi. Если в смеси находится n газов, то сумма их парциальных давлений равна давлению смеси:

Это равенство носит название закона Дальтона. Задание смеси массовыми долями

Массовой долей называется отношение массы данного газа к массе газовой смеси.

Массовая доля обозначается через gi и определяется по выражению:

Сумма массовых долей равна единице:

Задание смеси объемными долями.

Объемной долей называется отношение приведенного объема данного газа к объему всей смеси.

Под приведенным объемом понимают такой объем, который занимал бы индивидуальный газ, имея давление и температуру смеси.

Объемную долю обозначается через ri и определяется по выражению:

Соотношения между парциальными давлениями, массо-

Здесь μсм – молярная масса смеси.

которого в массе m, равной массе смеси, содержится число молей M, равное числу молей в газовой смеси.

Выражения для вычисления молярной массы смеси газов можно получить из (2.10) и (2.11), именно

2.2.1. Понятие теплоемкости

Экспериментально установлено, что величина теплоты, необходимая для изменения температуры конкретного количества вещества системы, пропорциональна разности конечной и начальной температур:

Q = C (T2 – T1),

где С – коэффициент пропорциональности.

В общем случае коэффициент С характеризует физическое свойство системы, которое называется теплоемкостью.

Количественно теплоемкость равна теплоте, которой обменивается с окружающей средой система при изменении ее температуры на один кельвин. Аналитически это определение записывается в виде

За единицу теплоемкости принят Дж/К. Теплоемкость, отнесенную к какой-либо количествен-

ной единице вещества, называют удельной. Для газов широко используются массовая, молярная и объемная удельные теплоемкости.

Массовая теплоемкость численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры одного килограмма газа на один кельвин.

Обозначают удельную массовую теплоемкость строчной буквой с и выражают в Дж/(кг· К).

Теплоемкость одного моля газа называют молярной теп-

лоемкостью обозначают c и выражают в Дж/(моль·К). Теплоемкость единицы объема газа при нормальных

физических условиях именуют объемной теплоемкостью. Ее обозначают с′ и выражают в Дж/(м3 ·К).

35

dqv = du + pdv.

Разделим его на dT и, принимая во внимание, что dv = 0, получим:

Интегрированием уравнения (2.19) от начального до конечного состояния процесса получим связь между изменением внутренней энергии и температуры:

∆ u = cv ∆T. (2.20)

Проделав аналогичные операции с уравнением первого закона термодинамики для газа, находящегося во втором цилиндре, получим:

Отсюда следует соотношение между изменениями эн-

Теплоемкости в процессах при постоянном давлении и постоянном объеме имеют не только различные математические выражения, но и различные числовые значения. Так, доказывается, что cp >cv. Это видно из сравнения уравнений (2.20) и (2.22). Поскольку при одинаковом изменении температуры величина di > du, то, следовательно, cp > cv.

Обращаясь к рассмотренному примеру, можно пояснить Можно определить, на сколько cp > cv. Для этого вычтем из (2.22) выражение (2.20) и, учитывая соотношение (1.6),

Выражение (2.23) называется уравнением Майера. Оно показывает, что для любого газа разность между теплоемкостями при p = const и v = const численно равна величине газовой постоянной этого газа.

Отношение теплоемкостей cp и cv называют показателем адиабаты и обозначают буквой к, т.е.

Величина к зависит от природы газа и всегда больше единицы. По известным значениям R и к можно вычислить как cp, так и cv, используя следующие выражения:

2.2.3. Зависимость теплоемкости от температуры

Теоретические исследования и опытные данные показывают, что при повышении температуры газа колебательные движения атомов в молекуле становятся интенсивнее. При этом для повышения температуры газа на каждый градус необходимо все большее количество энергии в форме теплоты. Таким образом, теплоемкость газа представляет собой функцию температуры. В общем случае зависимость теплоемкости газа от температуры можно представить в виде степенного ряда

Вкачестве примера приведем квадратичную зависимость молярной теплоемкости азота от температуры:

сP = 29,02 + 0,00531t + 0,000000127 t 2, кДж/(моль∙ К).

Вдиапазоне температур, имеющих место в современных тепловых машинах, зависимость теплоемкости от температуры с достаточной степенью точности можно считать линейной. Это значит, что в уравнении (2.25) можно учитывать только два первых слагаемых, т.е.:

Теплоемкость, соответствующую данной температуре, называют истинной. и вычисляют по уравнению (2.25) или

(2.26).

В теплотехнических расчетах часто возникает необходимость знать среднее значение теплоемкости в определенном интервале температур.

Средней теплоемкостью cср данного процесса в интервале температур от t1 до t2 называют отношение теплоты про-

В справочной литературе приводятся теплоемкости только для отдельных газов, в то время как при тепловых расчетах приходится встречаться с газовыми смесями. Ниже приведены выражения для вычисления теплоемкости смеси газов, если она задана парциальными давлениями, массовыми или объемными долями.

2.3.Термодинамические процессы

2.3.1.Понятие термодинамического процесса

Термодинамический процесс – это определенная последовательность изменения параметров состояния рабочего тела системы.

Термодинамические процессы могут быть равновесными и неравновесными, обратимыми и необратимыми. Если изменение состояния термодинамической системы протекает с нарушением ее внутреннего равновесия, то имеет место

39