Объем (термодинамика)

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Тепловое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория
v т е

В термодинамике , то объем из системы является важным обширен параметром для описания его термодинамического состояния . Объемное удельное , интенсивное свойство , является громкость системы на единицу массы. Объем является функцией состояния и взаимозависим с другими термодинамическими свойствами, такими как давление и температура . Например, объем связан с давлением и температурой в качестве идеального газа по идеальному газу .

Физический объем системы может совпадать или не совпадать с контрольным объемом, используемым для анализа системы.

Обзор [ править ]

Объем термодинамической системы обычно относится к объему рабочей жидкости, такой как, например, жидкость внутри поршня. Изменения в этом томе могут быть сделаны посредством приложения работы или могут быть использованы для создания работы. Однако изохорный процесс протекает с постоянным объемом, поэтому работа не может быть произведена. Многие другие термодинамические процессы приводят к изменению объема. В частности, политропный процесс вызывает изменения в системе, так что величина остается постоянной (где - давление, - объем, а - показатель политропы.${\ displaystyle pV ^ {n}}$${\ displaystyle p}$${\ displaystyle V}$${\ displaystyle n}$, постоянная). Обратите внимание, что для конкретных индексов политропы политропный процесс будет эквивалентен процессу с постоянными свойствами. Например, для очень больших значений, приближающихся к бесконечности, процесс становится постоянным объемом.${\ displaystyle n}$

Газы сжимаемы , поэтому их объемы (и удельные объемы) могут изменяться во время термодинамических процессов. Жидкости, однако, почти несжимаемы, поэтому их объемы часто можно считать постоянными. В общем, сжимаемость определяется как относительное изменение объема жидкости или твердого вещества в ответ на давление, и может быть определена для веществ в любой фазе. Точно так же тепловое расширение - это тенденция вещества к изменению объема в ответ на изменение температуры.

Многие термодинамические циклы состоят из различных процессов, некоторые из которых поддерживают постоянный объем, а некоторые нет. Цикл охлаждения с компрессией пара , например, следует последовательности, в которой хладагент переходит между жидким и паровым состояниями вещества .

Типичными единицами измерения объема являются (кубические метры ), ( литры ) и (кубические футы ).${\ Displaystyle \ mathrm {м ^ {3}}}$${\ displaystyle \ mathrm {l}}$${\ Displaystyle \ mathrm {ft} ^ {3}}$

Тепло и работа [ править ]

Механическая работа, выполняемая с рабочим телом, вызывает изменение механических ограничений системы; Другими словами, чтобы работа была произведена, необходимо изменить ее объем. Следовательно, объем является важным параметром для характеристики многих термодинамических процессов, в которых задействован обмен энергией в форме работы.

Объем - это одна из пары сопряженных переменных , другая - давление. Как и все сопряженные пары, продукт представляет собой форму энергии. Продукт - это энергия, теряемая системой из-за механической работы. Этот продукт представляет собой один термин, составляющий энтальпию :${\ displaystyle pV}$ ${\ displaystyle H}$

${\ Displaystyle H = U + pV, \,}$

где - внутренняя энергия системы.${\ displaystyle U}$

Второй закон термодинамики описывает ограничения на количество полезной работы , которую можно извлечь из термодинамической системы. В термодинамических системах, где температура и объем поддерживаются постоянными, мерой достижимой «полезной» работы является свободная энергия Гельмгольца ; а в системах, где объем не поддерживается постоянным, мерой достижимой полезной работы является свободная энергия Гиббса .

Аналогичным образом, соответствующее значение теплоемкости для использования в данном процессе зависит от того, вызывает ли процесс изменение объема. Теплоемкость - это функция количества тепла, добавляемого к системе. В случае процесса с постоянным объемом все тепло влияет на внутреннюю энергию системы (т. Е. Нет pV-работы, и все тепло влияет на температуру). Однако в процессе без постоянного объема добавление тепла влияет как на внутреннюю энергию, так и на работу (т.е. энтальпию); таким образом, температура изменяется на другую величину, чем в случае постоянного объема, и требуется другое значение теплоемкости.

Удельный объем [ править ]

Удельный объем ( ) - это объем, занимаемый единицей массы материала. ^[1] Во многих случаях удельный объем является полезной величиной для определения, потому что, как интенсивное свойство, его можно использовать для определения полного состояния системы в сочетании с другой независимой интенсивной переменной . Удельный объем также позволяет изучать системы без ссылки на точный рабочий объем, который на некоторых этапах анализа может быть неизвестен (или значим).${\ displaystyle \ nu}$

Удельный объем вещества обратно пропорционален его массовой плотности . Удельный объем может быть выражен в , , , или .${\ Displaystyle {\ frac {\ mathrm {м ^ {3}}} {\ mathrm {кг}}}}$${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {lb} }}}$${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {slug} }}}$${\displaystyle {\frac {\mathrm {mL} }{\mathrm {g} }}}$

${\displaystyle \nu ={\frac {V}{m}}={\frac {1}{\rho }}}$

где, - объем, - масса, - плотность материала.${\displaystyle V}$${\displaystyle m}$${\displaystyle \rho }$

Для идеального газа ,

${\displaystyle \nu ={\frac {{\bar {R}}T}{P}}}$

где, - удельная газовая постоянная , - температура и - давление газа.${\displaystyle {\bar {R}}}$${\displaystyle T}$${\displaystyle P}$

Удельный объем может также относиться к молярному объему .

Объем газа [ править ]

Зависимость от давления и температуры [ править ]

Объем газа увеличивается пропорционально абсолютной температуре и уменьшается обратно пропорционально давлению , примерно по закону идеального газа :

${\displaystyle V={\frac {nRT}{p}}}$

куда:

• p - давление
• V - объем
• n - количество вещества в газе (моль)
• R - газовая постоянная , 8,314 Дж · К ⁻¹ моль ⁻¹
• T - абсолютная температура

Для упрощения объем газа можно выразить как объем, который он имел бы при стандартных условиях для температуры и давления , которые составляют 0 ° C и 100 кПа. ^[2]

Исключение влажности [ править ]

В отличие от других компонентов газа, содержание воды в воздухе или влажность в большей степени зависит от испарения и конденсации из воды или в воду, что, в свою очередь, в основном зависит от температуры. Следовательно, при приложении большего давления к газу, насыщенному водой, все компоненты сначала уменьшатся в объеме приблизительно в соответствии с законом идеального газа. Однако некоторая часть воды будет конденсироваться до тех пор, пока не вернется почти к той же влажности, что и раньше, давая результирующий общий объем, отклоняющийся от предсказанного законом идеального газа. И наоборот, снижение температуры также приведет к конденсации некоторого количества воды, что снова приведет к отклонению конечного объема от предсказанного законом идеального газа.

Следовательно, альтернативно объем газа может быть выражен без содержания влаги: V _d (сухой объем). Эта фракция более точно соответствует закону идеального газа. Напротив, V _s (насыщенный объем) - это объем, который газовая смесь имела бы, если бы к ней добавляли влажность до насыщения (или 100% относительной влажности ).

Общее преобразование [ править ]

Для сравнения объема газа в двух условиях с разной температурой или давлением (1 и 2), предполагая, что nR одинаковы, следующее уравнение использует исключение влажности в дополнение к закону идеального газа:

${\displaystyle V_{2}=V_{1}\times {\frac {T_{2}}{T_{1}}}\times {\frac {p_{1}-p_{w,1}}{p_{2}-p_{w,2}}}}$

Где, помимо терминов, используемых в законе об идеальном газе:

• p _w - парциальное давление газообразной воды при условиях 1 и 2 соответственно.

Например, подсчитав, сколько 1 литра воздуха (a) при 0 ° C, 100 кПа, p _w = 0 кПа (известном как STPD, см. Ниже) будет заполняться при вдыхании в легкие, где он смешивается с водяным паром (l ), где быстро становится 37 ° C, 100 кПа, p _w = 6,2 кПа (BTPS):

${\displaystyle V_{l}=1\ \mathrm {l} \times {\frac {310\ \mathrm {K} }{273\ \mathrm {K} }}\times {\frac {100\ \mathrm {kPa} -0\ \mathrm {kPa} }{100\ \mathrm {kPa} -6.2\ \mathrm {kPa} }}=1.21\ \mathrm {l} }$

Общие условия [ править ]

Вот некоторые общие выражения объема газа с заданной или переменной температурой, давлением и влажностью:

• ATPS : Температура окружающей среды (переменная) и давление (переменная), насыщенный (влажность зависит от температуры)
• ATPD : Температура окружающей среды (переменная) и давление (переменная), сухая (без влажности)
• BTPS : температура тела (37 ° C или 310 K) и давление (обычно такое же, как у окружающей среды), насыщение (47 мм рт. Ст. Или 6,2 кПа)
• STPD : стандартная температура (0 ° C или 273 K) и давление (760 мм рт. Ст. (101,33 кПа) или 100 кПа (750,06 мм рт. Ст.)) , Сухой (без влажности)

Коэффициенты пересчета [ править ]

Для преобразования выражений для объема газа можно использовать следующие коэффициенты пересчета: ^[3]

Частичный объем [ править ]

Парциальный объем конкретного газа - это объем, который имел бы газ, если бы он сам занимал этот объем, с неизменными давлением и температурой, и его можно использовать в газовых смесях, например, с воздухом, чтобы сосредоточиться на одном конкретном газовом компоненте, например кислороде.

Его можно приблизительно определить как по парциальному давлению, так и по молярной доле: ^[4]

${\displaystyle V_{\rm {X}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {P_{\rm {X}}}{P_{\rm {tot}}}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {n_{\rm {X}}}{n_{\rm {tot}}}}}$

• V _X - это частичный объем любого отдельного компонента газа (X)
• V _tot - общий объем газовой смеси.
• P _X - парциальное давление газа X
• Р _TOT является общим давлением в газовой смеси
• n _X - количество вещества в газе (X)
• n _tot - общее количество вещества в газовой смеси

См. Также [ править ]

• Объемный расход

Ссылки [ править ]