Объем (термодинамика) - Википедия - Volume (thermodynamics)

Объем (термодинамика)
Общие символы
V
Единица СИм3


В термодинамика, то объем из система это важный обширный параметр за описание своего термодинамическое состояние. В удельный объем, интенсивное свойство, - объем системы на единицу массы. Объем - это функция государства и взаимозависимы с другими термодинамическими свойствами, такими как давление и температура. Например, объем связан с давление и температура из идеальный газ посредством закон идеального газа.

Физический объем системы может совпадать, а может и не совпадать с контрольный объем используется для анализа системы.

Обзор

Объем термодинамической системы обычно относится к объему рабочей жидкости, такой как, например, жидкость внутри поршня. Изменения в этом томе могут быть сделаны путем применения работай, или может использоваться для производства работы. An изохорный процесс однако работает с постоянным объемом, поэтому работа не может производиться. Много других термодинамические процессы приведет к изменению громкости. А политропный процесс, в частности, вызывает изменения в системе, так что количество постоянна (где давление, объем, а это политропный индекс, постоянная). Обратите внимание, что для конкретных индексов политропы политропный процесс будет эквивалентен процессу с постоянными свойствами. Например, для очень больших значений приближаясь к бесконечности, процесс становится постоянным.

Газы сжимаемый, таким образом, их объемы (и удельные объемы) могут изменяться во время термодинамических процессов. Жидкости, однако, почти несжимаемы, поэтому их объемы часто можно считать постоянными. В целом, сжимаемость определяется как относительное изменение объема жидкости или твердого вещества в ответ на давление, и может быть определено для веществ в любой фазе. По аналогии, тепловое расширение это тенденция вещества к изменению объема в ответ на изменение температуры.

Много термодинамические циклы состоят из различных процессов, некоторые из которых поддерживают постоянный объем, а некоторые нет. А парокомпрессионное охлаждение цикл, например, следует последовательности, в которой текучий хладагент переходит между жидкостью и паром. состояния вещества.

Типичными единицами измерения объема являются (кубический метры ), (литры ), и (кубический ноги ).

Тепло и работа

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 - один из пары сопряженные переменные, а другой - давление. Как и все сопряженные пары, продукт представляет собой форму энергии. Продукт это энергия, теряемая системой из-за механической работы. Этот продукт - один термин, который составляет энтальпия :

куда это внутренняя энергия системы.

В 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, мерилом достижимой полезной работы является Свободная энергия Гиббса.

Точно так же соответствующее значение теплоемкость использование 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 воздействует на внутренняя энергия 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

Удельный объем () - 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 еще одна независимая интенсивная переменная. Удельный объем также позволяет изучать системы без привязки к точному рабочему объему, который может быть неизвестен (или значим) на некоторых этапах анализа.

Удельный объем вещества равен величине, обратной его величине. плотность вещества. Удельный объем может быть выражен в , , , или же .

куда, объем, масса и это плотность материала.

Для идеальный газ,

куда, это удельная газовая постоянная, это температура и давление газа.

Удельный объем может также относиться к молярный объем.

Объем газа

Зависимость от давления и температуры

Объем газа увеличивается пропорционально абсолютная температура и убывает обратно пропорционально давление, примерно согласно закон идеального газа:

куда:

Для упрощения объем газа можно выразить как объем, который он имел бы в стандартные условия по температуре и давлению, которые равны 0 ° C и 100 кПа.[2]

Исключение влажности

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 того, что предсказал закон 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, объем газа можно также выразить без содержания влаги: Vd (объем сухой). Эта фракция более точно соответствует закону идеального газа. Напротив Vs (насыщенный объем) - это объем газовой смеси, если бы к ней добавляли влажность до насыщения (или 100% относительная влажность ).

Общее преобразование

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:

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

  • пш - парциальное давление газообразной воды при условиях 1 и 2 соответственно

Например, вычисляя, сколько 1 литра воздуха (а) при 0 ° C, 100 кПа, пш = 0 кПа (известный как STPD, см. Ниже) заполняется при вдыхании в легкие, где он смешивается с водяным паром (l), где быстро становится 37 ° C, 100 кПа, пш = 6,2 кПа (BTPS):

Общие условия

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

Коэффициенты пересчета

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

Конвертировать изКУмножить на
ATPSSTPD[(пАпвода S) / пS] * [ТS / ТА]
BTPS[(пАпвода S) / (пАпвода B)] * [ТB/ТА]
ATPD(пАпвода S) / пА
ATPDSTPD(пА / пS) * (ТS / ТА)
BTPS[пА / (пАпвода B)] * (ТB / ТА)
ATPSпА / (пАпвода S)
BTPSSTPD[(пАпвода B) / пS] * [ТS / ТB]
ATPS[(пАпвода B) / (пАпвода S)] * [ТА / ТB]
ATPD[(пАпвода B) / пА] * [ТА / ТB]
STPDBTPS[пS / (пА - пвода B)] * [ТB / ТS]
ATPS[пS / (пА - пвода S)] * [ТА / ТS]
ATPD[пS / пА] * [ТА / ТS]
Легенда:

Частичный объем

Парциальный объем конкретного газа - это объем, который имел бы газ, если бы он сам занимал этот объем при неизменных давлении и температуре, и он может использоваться в газовых смесях, например воздух, чтобы сосредоточиться на одном конкретном компоненте газа, например кислород.

Его можно аппроксимировать как парциальным давлением, так и молярной долей:[4]

  • VИкс - парциальный объем любого отдельного газового компонента (X)
  • Vмалыш общий объем газовой смеси
  • пИкс это частичное давление газа X
  • пмалыш это полное давление в газовой смеси
  • пИкс это количество вещества газа (X)
  • пмалыш это общее количество вещества в газовой смеси

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Cengel, Yunus A .; Болес, Майкл А. (2002). Термодинамика: инженерный подход. Бостон: Макгроу-Хилл. стр.11. ISBN  0-07-238332-1.
  2. ^ А. Д. Макнот, А. Уилкинсон (1997). Сборник химической терминологии, Золотая книга (2-е изд.). Blackwell Science. ISBN  0-86542-684-8.
  3. ^ Браун, Стэнли; Миллер, Уэйн; Исон, М. (2006). Физиология упражнений: основа движения человека в условиях здоровья и болезней. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 113. ISBN  0-7817-3592-0. Получено 13 февраля 2014.
  4. ^ Страница 200 в: Медицинская биофизика. Флемминг Корнелиус. 6-е издание, 2008 г.