Термодинаміка і теплові процеси зварювання

Значення теплоємностей, знайдених за цими формулами, добре узгоджуються з експериментом за невисоких температур, близьких до кімнатних.

Залежно від температури розрізняють два види теплоємності: істинну і середню.

Істинною називається теплоємність при даній температурі, вона визначається за формулою

Середньою називається теплоємність в інтервалі температур

Зв’язок між середньою і істинною теплоємністю

Якщо відома теплоємність речовини в інтервалі температур  то можна знайти теплоємність в інтервалі температур  

Теплоємність газової суміші, яка задана масовими частками, знаходять за формулою

 

Наближено атомна ізобарна теплоємність Cp різноманітних простих речовин у кристалічному стані дорівнює 6, 3.

Це правило було встановлено в 1819 р. П. Л. Дюлонгом і http: //ru. wikipedia. org/wiki/% D0% 9F% D1% 82% D0% B8, _% D0% 90% D0% BB% D0% B5% D0% BA% D1% 81% D0% B8% D1% 81_% D0% A2% D0% B5% D1% 80% D0% B5% D0% B7А. Т. Пті. Згадане значення теплоємності відноситься для температур, близьких до кімнатної. Для легких елементів, особливо для неметалів, теплоємність суттєво відрізняється від знайденої за правилом Дюлонга і Пті. Так, атомна теплоємність бору дорівнює 3, 31, кремнію 4, 77, алмазу 1, 36  .

Для наближеної оцінки теплоємності складних сполук можна скористатись правилом Ф. Неймана і Г. Колла. Це правило формулюється так: мольна теплоємність складних сполук у кристалічному стані дорівнює сумі атомних теплоємностей елементів, які входять у сполуку. Для прикладу обчислимо теплоємність для CaCO3 користуючись табличними даними, CpCa = 6, 2; CpC =1, 8; CpO=3•4=12 .

CpCaCO3=6, 2+1, 8+12=20  

На величину теплоємності суттєво впливає температура.

Графік залежності теплоємності для більшості металів.

Залежність теплоємності металів у твердому стані від температури виражається рівнянням кубічної параболи. При зниженні температури теплоємність швидко зменшується і при наближенні температури до абсолютного нуля, теплоємність асимптотично наближається до нуля. При наближенні абсолютної температури до кімнатної теплоємність визначається правилом Дюлонга і Пті. Залежність теплоємності від температури в інтервалі від від 0 К до Tk описують рівнянням Дебая:

де  - коефіцієнт пропорційності, який залежить від природи досліджуваного металу.

В інтервалі температур від Tk до Tпл теплоємність зростає і визначається рівнянням:

де  - коефіцієнти, які залежать від природи металу.

Теплоємність металу в різному стані.

З дослідних даних випливає, що в інтервалі температур від Tпл до Tкип теплоємність від температури не залежить.

 

 

Метою аналізу термодинамічного процесу є виявлення закономірностей зміни стану робочого тіла та особливостей перетворення енергії в даному процесі.

Ізохорний процес (v = const)

Ізохорним називається процес, який проходить за сталого об’єму.

а) б) в)

 

 

Запишемо для ізохорного процесу рівняння стану

Розділивши почленно ці рівняння, отримаємо

Перший закон для термодинаміки для ізохорного процесу

Вся теплота в ізохорному процесі витрачається на зміну внутрішньої енергії.

Зміну ентальпії в ізохорному процесі знаходять за формулою

Зміна ентропії

Ізобарний процес (р = const)

У p-vкоординатах процес зображається прямою 1-2, в T-Sкоординатах -логарифмічною кривою.

а б в

 

 

Запишемо рівняння стану для двох точок процесу

Розділивши почленно ці рівняння, отримаємо

Зміну внутрішньої енергії та ентальпії в ізобарному процесі визначають за формулами

Робота процесу

Для ідеального газу  тому

Кількість підвищеної теплоти в ізобарному процесі дорівнює зміні ентальпії

Зміна ентропії

Ізотермічний процес (T=const)

а б в

 

 

Зміна внутрішньої енергії і ентальпії в ізотермічному процесі дорівнює нулю.

Відповідно до першого закону термодинаміки вся теплота витрачається на виконання роботи

Отже, теплота процесу

Зміна ентропії в процесі

Адіабатний процес

Адіабатним називається процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем (q=0, δq=0).

Рівняння адіабатного процесу можна отримати, використавши перший закон термодинаміки

Для адіабатного процесу δq=0, тому перший закон термодинаміки можна записати

Розділивши почленно ці рівняння, отримаємо

Останнє рівняння після поділення на pv набуває вигляду:

Після інтегрування отримаємо вираз

У p-v діаграмі адіабат зображується нерівнобічною гіперболою, яка має крутіший хід, ніж ізотерма.

 

 

Зв’язок між параметрами pі v

Зв’язок між температурою і об’ємом

З цього рівняння випливає, що при адіабатному процесі розширення температури зменшується.

Зв’язок між тиском і температурою при адіабатному процесі

Робота при адіабатному процесі може бути визначена за формулою

Зміна ентропії в оборотному адіабатному процесі дорівнює нулю.

Політропний процес

Цей процес характеризується тим, що він проходить в ідеальному газі при постійному значенні теплоємності, що може мати будь-яке числове значення від – ∞ до + ∞. Для політропного процесу частка кількості теплоти, що витрачається