Термодинаміка і теплові процеси зварювання

Характерною властивістю рівноважних процесів є їх оборотність. Всі реальні процеси проходять з великими швидкостями, при цьому не виконуються умови механічної і термічної рівноваги, тому вони є необоротними процесами.

Макроскопічні величини, параметри стану, що визначають стан термодинамічної системи в даний момент часу, називають параметрами стану. Розрізняють термічні і калоричні параметри стану. До термічних відносять абсолютний тиск P, питомий об’єм υ і абсолютну температуру T. Чисельно абсолютний тиск дорівнює силі, що діє на одиницю площі поверхні тіла в напрямку нормалі до неї. В системі СІ тиск вимірюється в паскалях. Один паскаль  .

У практичних розрахунках частіше використовують

Використовують також такі одиниці:

Термодинамічним параметром є абсолютний тиск, який відраховується від нуля. Між абсолютним P, барометричним Рб і надлишковим Рн, є така залежність:

Співвідношення між абсолютним, барометричним тиском і розрідженням Рв є таке відношення

Атмосферний тиск Pб вимірюють за допомогою барометра. Для вимірювання тиску Pв застосовують вакуумметри.

Температура T – міра нагрітості тіла; згідно з молекулярно-кінетичною теорією – це середня кінетична енергія руху елементарної частинки

де k – стала Больцмана, m – маса молекули, ω – середня квадратна швидкість руху молекул.

В системі СІ абсолютна температура вимірюється в кельвінах К.

Зв’язок між термодинамічною температурою Tk і t в °C такий

Питомий об’єм υ – це об’єм, що займає одиниця маси речовини. Для однорідного тіла масою m і об’ємом V. Питомий об’єм визначають за формулою

Одиницею вимірювання питомого об’єму є  .

Зв’язок між термодинамічними параметрами стану задається рівнянням стану, яке для довільної кількості ідеального газу записується

де R – питома газова стала.

Для 1 кг газу

Питому газову сталу з молярною масою μ знаходиться за формулою

 

 

Суміш ідеальних газів, які хімічно не взаємодіють між собою, називається ідеальною газовою сумішшю. Відповідно до закону Дальтона

де Pi – парціальний тиск i-го компонента суміші;

Pn – тиск суміші.

Склад газової суміші може задаватись масовими g, об’ємними частками r. Під масовою часткою розуміють відношення маси компонента газу до маси суміші газу

Відношення парціального об’єму Vi компонента газу до об’єму суміші газу Vc називається об’ємною часткою компонента газової суміші

Виходячи із визначення парціального об’єму, за законом Бойля-Маріотта можна записати

Якщо склад газової суміші заданий об’ємними частками, молярну масу суміші знаходять за формулою

А в тому випадку, коли заданий масовий склад суміші, молярну масу знаходять за формулою

Питома газова стала суміші заданої масовими частками може бути обчислена за формулою

Якщо суміш задана об’ємними частками, газову сталу визначають за формулою

 Співвідношення між газовими і об’ємними частками газової суміші

 

 

До калоричних параметрів стану відноситься внутрішня енергія, ентальпія і ентропія. Термодинамічна система в кожному стані має енергію E, що включає зовнішню енергію Езов, яка складається з енергії системи в полі зовнішніх сил, а також внутрішньої енергії U.

Якщо рух системи відсутній і зміна її потенціальної енергії дорівнює нулеві, то повна енергія системи буде дорівнювати її внутрішній енергії. Внутрішня енергія складається з кінетичної енергії Uк поступального, обертального руху молекул і коливального руху атомів, а також потенціальної енергії UП сил взаємодії між молекулами.

Кінетична енергія руху молекул залежить від температури T, потенціальна енергія залежить від середньої відстані між молекулами, тобто від об’єму газу V. Оскільки T і V є параметрами стану, то внутрішня енергія є також функцією стану робочого тіла. Для будь-яких двох параметрів, що визначають цей стан, можна записати:

Внутрішня енергія одиниці маси речовини

називається питомою внутрішньою енергією (Дж/кг).

Оскільки внутрішня енергія – калоричний параметр стану, її зміна не залежить від термодинамічного шляху процесу, а визначається тільки початковими і кінцевими станами системи

Для кругового процесу

Внутрішня енергія реального газу залежить від температури і об’єму тіла, а внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури тіла. Внутрішня енергія є екстенсивним параметром стану, тому вона має властивість адитивності, відповідно до якої внутрішня енергія термодинамічної системи дорівнює сумі внутрішніх енергій її складових частин

Внутрішню енергію при t = 0 °C вважають рівною нулеві.

При термодинамічних розрахунках широко використовується ентальпія

Для системи, що містить 1 кг робочого тіла, питому ентальпію знаходять за формулою

Величини, що входять до даної формули, є функціями стану, тому ентальпія є також функцією стану. З цього випливає, що dh є повний диференціал, а це означає, що її зміна не залежить від характеру процесу, а визначається початковими і кінцевими станами системи:

Для кругового процесу  .

При t = 0 °C значення ентальпії і внутрішньої енергії вважають рівним нулеві.

1. 1. 4 Ентропія

Ентропія – калоричний параметр стану, диференціал якого дорівнює відношенню елементарної кількості теплоти (δQ) до температури, за якої протікає dS = δQ/T.

Для