Термодинаміка і теплові процеси зварювання

Зміна ентропії не залежить від характеру термодинамічного процесу, а визначається початковим і кінцевим станом системи.

 

 

При взаємодії термодинамічної системи з навколишнім середовищем відбувається передача енергії від системи до зовнішніх сил. Один із способів енергообміну між системами є робота. Знайдено математичний вираз роботи.

Припустимо, що 1 кг газу розширюється в циліндрі, переміщуючи поршень із положення А в положення В, процес зміни стану зображається лінією 1 – 2 на елементарному відрізку а – в, який дорівнює dS. Зміною тиску можна знехтувати, тому елементарна робота газу на цій ділянці буде

δl = p•F•dS,

де F – площа поршня, pF – сила, що діє на поршень з другої сторони. FdS=dυ, тому δl=pdυ

Сумарна робота, яку виконує газ у процесі 1-2, буде

Якщо газ розширюється, то dυ>0 і l>0, тобто робота розширення додатна.

Якщо газ стискується, то dυ<0 і l<0, тобто робота стиску газу від’ємна.

Із графіка видно, що елементарна робота графічно зображується площею прямокутника з основою dv і висотою P, а повна робота зміни об’єму в процесі 1 – 2 зображується площею, яка розміщена між лінією процесу і віссю абсцис, обмеженою справа і зліва ординатами крайніх точок процесу. Графічно інтерпретація роботи в P – υ діаграмі наочно показує, що її величина залежить від термодинамічного шляху процесу переходу від початкового стану в кінцевий, тому робота є функцією процесу.

 

 

При взаємодії системи з навколишнім середовищем відбувається обмін енергією, причому один із способів її передачі робота, а інший – теплота. Хоч робота L і кількість теплоти Q мають розмірність енергії, вони не є видами енергії на відміну від енергії, що є параметром стану, системи, робота і теплота залежать від шляху переходу системи із одного стану в інший, тому робота і теплота представляють дві різні форми передачі енергії від однієї системи до іншої.

У першому випадку наявна фізична форма обміну енергією, обумовлена механічним впливом системи на іншу, супроводжуваним видимим переміщенням деякого тіла (наприклад, поршня в циліндрі двигуна).

У другому випадку здійснюється мікрофізична (на молекулярному рівні) форма передачі енергії. Міра кількості переданої енергії – кількість теплоти.

Таким чином, робота і теплота – енергетичні характеристики процесів механічної і теплової взаємодії системи з навколишнім середовищем. Ці два способи передачі енергії нерівноцінні. Робота може безпосередньо перетворюватись в теплоту – одне тіло при тепловому контакті енергії іншому. А кількість теплоти Q безпосередньо витрачається тільки на зміну внутрішньої енергії системи.

 

 

Перший закон термодинаміки є частинним випадком закону збереження і перетворення енергії. Загалом перший закон термодинаміки можна сформулювати так: повна енергія ізольованої термодинамічної системи залишається незмінною під час будь-яких процесів, що в ній відбуваються.

Вічний двигун першого роду неможливий.

Вічний двигун першого роду – машина, яка може виконувати роботу без підведення теплоти ззовні.

Аналітичний аналіз першого закону термодинаміки

δQ=dU+δL.

Для 1 кг робочого тіла перший закон термодинаміки має вигляд

δq=du+δl.

У такій формі перший закон термодинаміки формулюється так: теплота, яка підводиться до термодинамічної системи, іде на приріст внутрішньої енергії і на виконання роботи.

Аналітичний вираз першого закону термодинаміки можна записати

δq=dU+pdv.

В інтегральній формі перший закон термодинаміки для довільної маси записують у вигляді

Запишемо перший закон термодинаміки через ентальпію. З цією метою у вираз першого закону термодинаміки δq=du+pdυ замість pdυ підставляємо його вираз p (dυ) = pdυ + υdp; pdυ = d (pυ) - υpd.

Тоді δq=du+d (pυ) -υdp=d (u+pυ) -υdp або δq=dh-υdp.

В інтегральній формі можна записати

Для 1 кг робочого тіла

 

 

Питомою теплоємністю речовини в даному термодинамічному процесі (Сx) називається відношення елементарної кількості теплоти в даному процесі δq до зміни температури dT у цьому процесі.

Є такі види теплоємності: масова (Сx), об’ємна (С’x) і мольна (Сμx). Масовою називається теплоємність, віднесена до 1 кг речовини, одиниця вимірювання масової теплоємності  

Об’ємною теплоємністю (С’x) називається теплоємність, віднесена до 1 м3 речовини, взятої за нормальних умов, її одиниця вимірювання  

Теплоємність, яка віднесена до 1 кмоля речовини, називають кіломольною, її одиниця вимірювання  

Між цими теплоємностями існує така залежність:

Теплоємність речовини залежить від характеру термодинамічного процесу. Одна і та ж речовина в різних процесах має неоднакову теплоємність, числове значення теплоємності може змінюватись від -∞ до +∞. У теплотехнічних розрахунках найчастіше доводиться мати справу із теплоємністю за сталого об’єму Сv і теплоємністю за сталого тиску Сp.

Співвідношення між цими теплоємностями виражається рівнянням Майєра

Відношення теплоємностей   називається показником адіабати, він залежить від атомності газів. Для одноатомних k = 1, 67, для двотомних k = 1, 4, для триатомних і багатоатомних k = 1, 29.

Розв’язавши систему рівнянь

  можна знайти теплоємність речовини за сталого тиску