Лекція 3. Внутрішня енергія. Ентропія

Внутрішня енергія. Ентропія. Ентальпія. Робота і теплота як форми передачі енергії. Графічне зображення роботи і теплоти в P_v – і T_s – координатах. Ідеальний газ. Рівняння стану ідеальних газів. Суміш ідеальних газів. Способи задавання суміші ідеальних газів.

3. Теплові або колоритні параметри стану тіла.

До цих параметрів стану відносять внутрішню енергію, ентальпію та ентропію.

3.1. Внутрішня енергія—U [Дж], питома – u [Дж/кг] – енергія взаємодії між молекулами тіла. В загальному випадку U складається з внутрішньої початкової потенційної енергії, для термодинамічного аналізу—рівна 0; внутрішньої потенційної і внутрішньої кінетичної енергії. Оскільки в термодинамічному процесі робоче тіло знаходиться, як правило, під тиском, то, по відношенню для цих випадків, внутрішня потенційна енергія дорівнює нулю. Отже, U визначається кінетичною складовою і залежить від температури робочого тіла або середньої кінетичної енергії молекул, тобто:

,

де m—маса молекули, кг; v—середня швидкість руху (поступального, обертального, коливального) молекули, м/с.

В технічній термодинаміці U підраховують наступним чином:

За своїм фізичним змістом внутрішня енергія не є величиною повного диференціалу, оскільки на наступний момент часу не має попереднього значення, а

виникає лише за наявності зміни температур у різних точках робочого тіла.

3.2. Ентропія — S [Дж/K], питома – s [Дж/(кг·К)] – штучно введений у 1852р.

Р. Клаузіусом параметр, що є величиною повного диференціалу і у диференціальних рівняннях представляє теплоту, але за фізичним змістом не є такою величиною. Тобто:

,

де нескінченно малий приріст ентропії, Дж/К; кількість теплоти, що підведена до тіла в даному процесі, Дж; температура тіла в даний момент часу, К.

Існує кілька тлумачень ентропії. Одне з них має наступний вигляд:

“Параметр, що змінюється лише від кількості переданої теплоти таким ж чином, як об’єм під час виконання роботи ( при робота позитивна, при —від’ємна).”

3.3. Ентальпія—Н(І) [Дж], питома h(і) [Дж/кг] – повний запас теплової енергії, яким володіє робоче тіло. Фізичний зміст. Якщо в циліндрі з нижньою стінкою є газ з поршнем над ним у стані спокою, і на поршень прикласти зусилля G, то через деякий час поршень займе нижче положення, стиснувши газ і перемістившись на крок S. Тоді, остаточно, повний запас енергії, яким володіє газ під поршнем, дорівнює сумі внутрішньої енергії взаємодії між молекулами газу і зовнішній енергії тиску поршня з вантажем G на газ. Це і буде ентальпія.

,

де тиск газу, Па; об’єм газу, м³; f – площа поперечного перерізу циліндра, м²; S – переміщення поршня, м; внутрішня енергія газу, Дж; G – зусилля, кг.

У технічній термодинаміці ентальпію підраховують за формулою:

- для однакових умов.

Всі параметри будь-якого робочого тіла представлені в довідникових таблицях параметрів стану в залежності від тиску і температури.