Рівноважний і нерівноважний стан газу
Стан система газу може бути рівноважним або нерівновагим. Рівноважним вважають стан, при якому параметри газу (p, V, T) залишаються незмінними як завгодно довго, поки будь-які зовнішні впливи не виведуть систему з цього стану (передбачається відсутність потоків мас, теплоти і т. П.). 
Прикладом рівноважного стану може служити система з води і пара, яка розміщена в закритому термоізольованому посудині.
Рівноважної системою є також газ, що знаходиться в теплоизолированном циліндрі під поршнем, на який діє постійна сила. Але газ, що знаходиться в циліндрі з рухомим поршнем, може перейти з деякою швидкістю з одного стану в інший, наприклад розширитися або стиснутися.
При розширенні газ, що прилягає безпосередньо до поршня, знаходиться під меншим тиском, ніж газ, що знаходиться в видаленні від рухомого поршня; при стисненні, навпаки, його тиск поблизу поршня вище.
Тому стан газу в даному випадку вважається нерівновагим (в його обсязі параметри або параметр різниться за величиною). З тієї ж причини буде нерівновагим газ, якщо до циліндра підвести теплоту, оскільки температура шарів газу, розташованих поруч з нагріваються стінками циліндра буде вище, ніж температура віддалених від стінок шарів.
Кожне рівноважний стан системи можна зобразити в системі координат однієї єдиною точкою, що характеризує сталість всіх параметрів.
Послідовність зміни термодинамічного стану системи називають термодинамічним процесом. Термодинамічний процес супроводжується в загальному випадку зміною всіх або деяких параметрів системи газу.
Якщо зміна параметрів газу в часі відбувається дуже повільно, то їх різницею в різних частинах системи під час процесу можна знехтувати. Такий перехід системи з одного стану в інший можна умовно вважати що складається з безперервної низки рівноважних станів, т. Е. Рівноважним термодинамічних процесом.
Очевидно, що при переході газу з одного стану в інший з кінцевою швидкістю рівність параметрів газу дотримуватися не буде, і такий процес не є рівноважним.
Термодинамічні процеси можуть бути оборотними і необоротними.
Оборотним називають рівноважний процес, який протікає в прямому і зворотному напрямках через один і той же ряд рівноважних станів, не викликаючи змін в самій системі і тілах, що оточують систему. Т. е. В результаті оборотного процесу параметри системи газу першу половину часу змінюються за певною закономірності, а другу половину часу вони повертаються до початкового стану строго по зворотному "шляху".
Нерівноважні процеси не дотримуються зазначені вище умови, т. Е. Вони незворотні.
Всі реальні процеси, що розглядаються теплотехнікою, є незворотними, т. Е. Оборотний процес є ідеалізованою моделлю.
***
Робота газу
Газ, що знаходиться в посудині, при підвищеному тиску прагне розширитися, т. Е. Збільшити свій обсяг. Перешкоджати цьому прагненню можуть зовнішні сили, що впливають на газ. Очевидно, що якщо газу, незважаючи на зовнішнє силова протидія, вдається розширитися, то він робить роботу з подолання цих зовнішніх сил.
Аналогічно при стисненні газу, укладеного в посудині, доводиться здійснювати роботу з подолання тиску газу.
Спробуємо визначити описану вище роботу, виконувану газом або зовнішніми силами. Припустимо, що деяка кількість газу знаходиться в циліндрі під поршнем, що ковзає без тертя, і до якого прикладена зовнішня сила. У початковому стані система урівноважена - сила, що діє на поршень, врівноважується тиском газу, і поршень залишається нерухомим.
Нехай в результаті підведення теплоти газ розширився так, що його тиск залишилося незмінним, а поршень при цьому перемістився вгору на деяку відстань Δh. При цьому газ зробив роботу, що дорівнює добутку сили на пройдений шлях.
Знаючи тиск газу p (яке в процесі залишається незмінним) і площа поршня S, можна визначити силу, що діє на поршень з боку газу: F = pS, а здійснюється газом робота буде дорівнює
ΔA = FΔh = pSΔh.
Але твір SΔh є елементарне зміна обсягу ΔV, займаного газом. Таким чином, можна записати, що робота, що здійснюються газом, залежить від зміни його обсягу:
ΔA = FΔh = pSΔh = pΔV.
Якщо зобразити графічно в системі координат перехід газу з одного стану в інший у вигляді кривої лінії, то кожна точка цієї кривої буде відповідати певним параметрам piVi.
Розбивши цю криву на елементарні ділянки, можна умовно вважати, що на кожній дільниці тиск залишається незмінним. Тоді робота газу на елементарному ділянці буде дорівнює ΔA = pΔV.
Нескінченно звужуючи ділянки, ми перейдемо до диференціального виразу: dA = pdV.
З цього виразу випливає, що коли газ розширюється (dV> 0), здійснюється робота щодо подолання зовнішніх сил, і вона позитивна. Якщо ж газ стискається зовнішніми силами (dV <0), робота газу негативна. У розглянутій системі ми розглядали тиск, як незмінний параметр. Для того, щоб визначити повну роботу газу при змінному тиску, що змінюється по функціональної залежності p = f (V), необхідно провести підсумовування елементарних робіт.
В цьому випадку:
A = Σ pdV або A = ∫ pdV в інтервалі від V1 до V2.
Графічно робота на діаграмі p, V зображується площею поверхні між кривою p = f (V) і абсциссами V1 і V2 (див. Рис. 1).
Як можна зрозуміти з графіка, робота газу з подолання зовнішніх сил залежить не тільки від початкового і кінцевого станів, але і від шляху, по якому протікав процес. Якщо крива p = f (V) буде мати іншу форму (більш вигнута, полога і т. П.), То зміниться і величина площі, укладеної між цією кривою і віссю абсцис.
В системі одиниць СІ за одиницю роботи прийнятий Джоуль (Дж). Допускається застосування позасистемної одиниці - кіловат × год (кВт × год), який дорівнює 3,6 МДж.
***
Внутрішня енергія газу
Кожна молекула реального газу має кінетичної енергією, обумовленої безперервним хаотичним (броунівським) рухом, а також потенційною енергією, яка обумовлена взаємодії з сусідніми молекулами (сили гравітації і електромагнітної взаємодії).
Сума кінетичної і потенційної енергії молекул називається внутрішньою енергією газу U. У загальному випадку внутрішня енергія газу залежить від його параметрів - тиску, обсягу і температури, т. Е. Є функцією стану.
При переході системи з одного стану в інший внутрішня енергія змінюється:
ΔU = U1 - U2.
Зміна внутрішньої енергії ΔU не залежить від характеру процесу, а залежить тільки від значення енергії в початковому і кінцевому стані.
***
закони термодинаміки
Завантажити теоретичні питання до екзаменаційних білетів
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки"
(В форматі Word, розмір файлу 68 кБ)
Завантажити робочу програму
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):
Завантажити календарно-тематичний план
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):
