Превращение теплоты в тепловых установках в механическую работу осуществляется при участии рабочего тела, которым обычно оказывается газ.
Рисунок 1. Термодинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термодинамика газов характеризуется процессами, связанными с двумя типами газов. Так, в физике существуют идеальные и реальные газы. Более детальное рассмотрение этих двух разновидностей газов позволит лучше понять их термодинамику.
Идеальные и реальные газы в термодинамике
Рисунок 2. Законы реальных газов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Реальные газы – это существующие в природе газы, чьи молекулы обладают конечным объемом, а между ними при этом имеются силы притяжения, оказывающие существенное влияние на их энергетические параметры.
Молекулы реального газа пребывают в непрерывно-хаотичном движении, иными словами – им присуща кинетическая энергия движения. Существование между молекулами гравитационных и электромагнитных силовых взаимосвязей говорит об обладании ими еще и потенциальной энергии взаимодействия, зависящей от расстояния между молекулами.
С целью упрощения исследования свойств газообразного рабочего тела в термодинамике вводится такое понятие, как «идеальный газ», представляющий собой воображаемый газ, внутри которого молекулы рассматриваются в формате материальных точек, обладающих определенной массой, однако силы взаимодействия между такими точками при этом не учитываются (при детальном анализе состояния рабочего тела и процессов, происходящих в нем).
В случае с большими объемами и незначительным давлением, когда расстояние между молекулами многократно превышает собственные размеры молекул, а также когда наблюдаются достаточно высокие температуры и довольно большая интенсивность хаотического молекулярного движения, происходит процесс их слабого взаимодействия между собой.
В такой ситуации возникают условия, при которых реальный газ может с определенной степенью приближения считаться идеальным, что, в свою очередь, позволяет производить расчеты для реальных газов на базе специальных уравнений и зависимостей, выведенных для идеальных газов, что существенно упрощает расчеты и понимание сути происходящих в газах процессов. Это объясняет важность изучения термодинамических свойств газов не только с теоретической, но и с практической точки зрения.
Законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака
В качестве основных законов для идеальных газов в термодинамике задействованы законы:
- Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, устанавливающие непосредственные взаимосвязи главных параметров газов, таких как объем, давление, молекулярная масса и температура;
- учения Шарля, Авогадро и Дальтона.
Рисунок 3. Закон Бойля - Мариотта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закон Бойля-Мариотта констатирует постоянство величины при неизменности температуры (произведение абсолютного давления газа в изотермическом процессе на его удельный объем). Закон считается справедливым в отношении термодинамических систем с идеальным рабочим телом, в которых температура выступает неизменным параметром, а переменными считаются объем и давление.
Такие процессы называются изотермическими. При них не исключается подвод (или отвод) тепла к термодинамической системе, но тепловая энергия в данном случае не должна воздействовать на температуру газа (рабочего тела), а применяться, например, при выполнении работы методом преобразования в иной вид энергии. В то же время, процессы, исключающие подвод и отвод тепла к термодинамической системе полностью, называют адиабатными.
Применение закона Бойля - Мариотта, способствующего взаимосвязи начальных и конечных величин давления и объёма газа, не ограничивается только изотермическими процессами. Так, он может быть справедливым с высокой степенью точности и в случаях изменения температуры при термодинамическом процессе, но при этом начальная и конечная температуры газа в итоге становятся равнозначными.
Закон Гей-Люссака констатирует изменение удельного объема газообразного вещества при постоянном давлении (процесс называется изобарным) прямо пропорционально изменениям абсолютных температур.
Описанная Гей-Люссаком закономерность является справедливой в системах с одним неизменным параметром (давлением) и переменными параметрами (удельный объем, температура). Подобные термодинамические процессы (протекающие при постоянном давлении), физики называют изобарными (изобарическими).
Законы Шарля, Авогадро и Дальтона
Закон Шарля (второй закон Гей-Люссака) говорит об изменении абсолютного давления газа (при условии неизменного удельного объема) прямо пропорционального смене показателя абсолютных температур:
Экспериментальным способом зависимость давления газа от температуры (при постоянном объёме) в 1787 году установил физик Ж.Шарль, занимавшийся исследованием термодинамических процессов, присутствующих в идеальных газах. Несмотря на отсутствие публикации трудов ученого, его идеи активно подхватили такие физики, как Г.Амонтон и другие. Это, в свою очередь, спровоцировало проблему установления авторства некоторых основных законов термодинамики, что представляет предмет спора между экспертами на сегодняшний день.
Открытая и описанная ученым закономерность является справедливой в системах с удельным объемом (неизменным параметром) и температурой, давлением (переменными показателями). Подобные термодинамические процессы (при условии постоянного объема) называются изохорными (изохорическими).
Согласно концепции закона Авогадро, все газы (в условиях одинакового давления и температуры) в равных объемах будут содержать равное число молекул. Иными словами, закон утверждает, что объем киломоля разнообразных газов (при аналогичных физических условиях) становится одинаковым. Данный закон в 1811 году описал итальянский физик А.Авогадро.
Рисунок 4. Закон Авогадро. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рабочее тело, которое используется в термодинамических установках, в стандартных случаях представляет собой смесь, сформировавшуюся из нескольких газов. В качестве примера можно привести двигатели внутреннего сгорания, в состав продуктов сгорания которых (имеется в виду рабочее тело) будут входить:
- водород;
- кислород;
- азот;
- окись углерода;
- углекислый газ;
- водяные пары воды;
- некоторые другие газообразные вещества.
В 1801 году английский ученый-физик Д.Дальтон установил закон, исходя из концепции которого, давление, оказываемое смесью, становится равнозначным сумме парциальных давлений у отдельных газов, состоящих в составе смеси.
Парциальным давлением считается давление компонента смеси, которое он мог бы создавать, пребывая в одиночном состоянии в занимаемом смесью объеме при ее определенной температуре. Данное утверждение легко доказывается на основании определенных выводов, сформированных из закона Бойля - Мариотта, при рассмотрении парциальных компонентов газовой смеси по отдельности и в совокупности.
Закон Дальтона считается применимым по своей актуальности для идеальных газов. Также он может применяться и в отношении реальных газов, обладающих близкими к идеальным физическим параметрам свойствами.
