Особенности термодинамики открытых систем
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
> реакции, открывает новые возможности для исследования процессов молекулярной самоорганизации на ранних этапах возникновения жизни.
Теория О.С. является частным случаем общей теории систем, к которым относятся, например, рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, но описываются системой уравнений баланса, в общем случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым для физико-химических и биологических О.С. Для всех систем существуют общие проблемы регулирования и оптимального функционирования.
открытый система термодинамический процесс
Термодинамика открытых систем
Все естественные самопроизвольные процессы в природе необратимы. Обратимых процессов в природе нет. Если тело (термодинамическая система, рабочее тело) переходит из одного состояния в другое, то без затраты определённой энергии его нельзя вернуть в первоначальное состояние. Причиной необратимости является трение. Работа, затраченная на преодоление сил трения, превращается в так называемую теплоту внутреннего теплообмена и возвращается телу в виде дополнительной теплоты. Для обратимых процессов эта дополнительная теплота равна нулю и все приведенные выше уравнения даны для равновесных обратимых процессов. Эти системы можно считать закрытыми, они не допускают обмена массой с окружающей средой (обмен происходит теплотой и работой). В технике широко используются процессы преобразования энергии в потоке, когда рабочее тело перемещается из области с одними параметрами (P1,v1) в область с другими параметрами (P2,v2). Это, например, расширение пара в турбине, сжатие газа (воздуха) в компрессоре. Пусть по трубопроводу рабочее тело с параметрами (P1,v1, Т1) со скоростью а1 подаётся в тепломеханический агрегат (двигатель, паровой котёл, компрессор). Здесь каждый кг массы рабочего тела в общем случае может получать от внешнего источника теплоту q и совершать техническую работу l* (работа, отбираемая из потока с помощью каких либо технических устройств, или подводимая к нему, например, приводя в движение ротор турбины), а затем удаляется из агрегата со скоростью а2, имея параметры (P2,v2, Т2). При анализе процессов, происходящих в потоке, мысленно выделяют некий замкнутый объём рабочего тела и к нему применяют все основные положения термодинамики, в том числе и первое начало: q = Q /m = (u2 - u1) + l. Внутренняя энергии есть функция состояния и её значение u1 определяется параметрами рабочего тела на входе в аппарат, а значение u2 - параметрами рабочего тела на выходе из него. Работа расширения (механическая работа) совершается рабочим телом на поверхностях, ограничивающих выделенный движущийся объём. На неподвижных стенках агрегата она равна нулю. На подвижных его частях (лопатки, поршень) рабочее тело совершает техническую работу l *. При входе рабочее тело вталкивается в агрегат. Для этого нужно преодолеть давление P1. Каждый килограмм рабочего тела может занять объём v1, если будет совершена работа вталкивания l вт = - P1 v1, для выхода из агрегата 1 кг необходимо затратить работу выталкивания l выт = P2 v2. Сумма этих двух работ называется работой вытеснения. Если скорость рабочего тела на выходе больше скорости на входе, то часть работы расширения будет затрачена на изменение кинетической энергии рабочего тела. Кроме того, в неравновесных процессах совершается некоторая работа по преодолению сил трения. В итоге удельная работа расширения (механическая работа) :
l = l* + (P2 ? 2 - P1 ? 1) + lтр + (с22 - с12 ) /2 (1).
Как уже отмечалось выше теплота, сообщённая единице массы рабочего тела, прошедшего через агрегат, складывается из внешней и внутренней теплоты (в которую превращается работа против сил трения):
= qвнеш + qтр = (u2 - u1) + l* + (P2? 2 - P1 ? 1) + lтр + (с22 - с12 ) /2 (2)
(2) - первое начало термодинамики для потока рабочего тела через теплоагрегат. Учитывая, что i = u + P ?, а qтр = lтр, формулу (2) запишем в виде
внеш = (i2 - i1) + l* + (с22 - с12 ) /2 (3)
Это и есть выражение первого начала термодинамики для потока рабочего тела: теплота, подведённая к потоку рабочего тела извне расходуется на увеличение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увеличение кинетической энергии потока. В дифференциальной форме это уравнение примет следующий вид:
?qвнеш = di + ?l* + d(с2/2) (4)
Это уравнение справедливо как для равновесных процессов, так и течений (потоков) рабочего тела, сопровождающихся трением. Из определения энтальпии : i = u + P ? ?????можно путём дифференцирования получить? di = du + p dv + v dp; так как
?q=du + p dv, то ?q= di- vdp. (5)
В рассмотренном нами примере для выделенного замкнутого объёма рабочего тела, выделенного в потоке ?q= ?qвнеш + ?qтр = di- vdp. Отсюда
?qвнеш = di- vdp - ?qтр (6)
Сравнивая выражения (6) и (4) получаем:
- vdp= ?l* + dс2/2 + ?qтр; ?qтр= ? lтр; - vdp= ?l* + d(с2/2) + ? lтр (7)
Проинтегрируем выражение (7); знак (-) поменяем на (+), если изменить пределы интегрирования, от Р2 до Р1:
lрасп. = dp= l* + с2/2 + lтр (8).
Выражение в левой части формулы (8) называют располагаемой работой lрасп. Применим первое начало термодинамики (ф-ла 3) к различным типам тепломеханического оборудования. 1) тепловой двигатель. Для них изменение кинетической энергии значительно меньше технической работы, а внешняя теплота равна 0. В таком случае техническая работа произв?/p>