Главная Здоровье Уравнение баланса энергии. Уравнения баланса энергии открытой системы

Уравнение баланса энергии. Уравнения баланса энергии открытой системы

Уравнение баланса энергии в интегральной форме может быть получено из первого закона термодинамики и имеет вид

где первое слагаемое в скобках – кинетическая энергия движения жидкости, второе – потенциальная энергия положения, третье – энтальпия жидкости, Дж/кг;

Е п – полная энергия в контрольном объеме, Дж;

q – тепловой поток через контрольную поверхность, Вт;

l s – мощность на преодоление внешних сил, в основном трения, Вт;

u – скорость потока, м/с;

r – плотность среды, кг/м 3 ;

x – угол между нормалью и контрольной поверхностью;

g – ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

z – геометрический напор, м;

h – удельная энтальпия, Дж/кг;

S – контрольная поверхность;

t – время, с.

Для химических процессов кинетическая и потенциальная энергии, а также мощность на преодоление внешних сил пренебрежимо малы по сравнению с энтальпией, поэтому можно записать

Это уравнение, по сути, является уравнением теплового баланса.

Для простого контрольного объема, ограниченного контрольными поверхностями, перпендикулярными вектору потока жидкости, интегрирование последнего уравнения дает

Первые два слагаемых в этом уравнении получены следующим образом. Если принять плотность постоянной, а cos(x )=±1, то

Так как W =rūS , то получаем

Если скорость незначительно меняется в обоих сечениях, а поток жидкости стационарен в гидродинамическом отношении, то уравнение баланса тепла можно записать следующим образом

Если система стационарна и в тепловом отношении, то:

Если в системе не происходит фазовых превращений и химических реакций, то можно от энтальпий перейти к теплоемкостям и тогда

Рассмотрим пример применения уравнений теплового баланса в нестационарных условиях.

Пример 9.1. Два резервуара объемом по 3 м 3 каждый заполнены водой при температуре 25 °С. Оба имеют мешалки, обеспечивающие практически полное перемешивание. В определенный момент времени в первый резервуар начинают подавать 9000 кг/ч воды при температуре 90 °С. Вода, выходящая из первого резервуара, поступает во второй. Определить температуру воды во втором резервуаре через 0,5 часа после начала подачи горячей воды. Резервуары считать теплоизолированными.

Решение: Составим схему тепловых потоков (рис. 9.1) и тепловой баланс для первого резервуара. При отсутствии теплообмена q =0 и при условиях

уравнение теплового баланса примет вид

откуда 9000(90-T 1 )d t=3·1000dT 1 , или

После интегрирования от 0 до t и от 25 °С до T 1 получим

T 1 =90-65exp(-3t).

Составим аналогичным образом тепловой баланс второй емкости

откуда 9000(T 1 -T 2)d t=3·1000dT 2 , или

Получено линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Его можно проинтегрировать известным способом аналитически. Тогда имеем

Начальные условия: при t=0 Т 2 =25 °С. Произвольная постоянная С = -65.

Окончательно решение примет вид

Для вывода уравнения баланса энергии ветровых волн глубокого моря примем, что волна является двумерной, и выделим объем с сечением АBCD, расположенным перпендикулярно направлению распространения волн. Ось Х направим в сторону распространения волны (по ветру -), а ось Z вертикально вверх. Ось Y положим перпендикулярной к плоскости чертежа (рис.13), а расстояние по оси равным единице. Тогда выделенный объем численно будет равен площади сечения ABCD, что позволяет перейти от трехмерной задачи к двухмерной.

Положим, что нижняя граница выделенного объема расположена на глубине, на которой волнение отсутствует. Расстояние ВС, равное dx, будем считать достаточно малым для изменения средних значений элементов волн. Очевидно, что изменение средней волновой энергии в выбранном объеме за единицу времени будет , где dx = BC, а E характеризует среднюю волновую энергию, заключенную в столбе жидкости с единичной площадью основания и высотой, равной высоте выделенного столба. Это же изменение энергии можно подсчитать и другим способом. Через грань АВ слева в единицу времени поступает энергия в количестве Е · v с , где v с -- скорость переноса энергии, равная групповой скорости волн.

Через грань DC энергия уходит в количестве

E · v с +.

Через грань AD в единицу времени поступает энергия от ветра в количестве M p dx + Mdx, где М p - количество энергии, передаваемое ветром за счет нормального давления ветра, отнесенное к единице площади; М - то же за счет касательного напряжения.

Наконец, часть энергии и количестве E · dx рассеивается турбулентной вязкостью и переходит в тепло, E - количество рассеиваемой энергии, отнесенное к единице площади.

Таким образом, полное изменение средней энергии в выделенном объеме в единицу времени

E · v с - + M p dx + Mdx - E · dx= [ - + M p + M - E ]dx.

Приравнивая оба выражения для изменения энергии в единицу времени и сокращая на dx , получим уравнение баланса энергии ветровых волн

- + M p + M - E .

Для установившегося волнения 0 и, следовательно,

= M p + M - E (19)

Количество энергии Е в столбе жидкости с единичным основанием определяется выведенной ранее формулой

где а - амплитуда волны.

Скорость переноса энергии, равная групповой скорости, определяется для коротких волн вышеприведенной формулой, где с - фазовая скорость распространения волн. Уравнение (19) связывает между собой неизвестные элементы волны - высоту h и длину в любой момент времени t со скоростью ветра, продолжительностью его действия и расстоянием, проходимым волной вдоль оси Х и называемым длиной разгона.

Действительно, энергия волны Е, как показывают соотношения и Е з = , связана с высотой волны. Член характеризует изменение энергии во времени, а, следовательно, и изменение высоты волны. Член уравнения определяет перенос энергии в направлении распространения волны и связан с расстоянием, проходимым волной вдоль оси Х (длиной разгона), с групповой скоростью волны с гр, которая определяет скорость переноса волновой энергии, и с высотой волны, с которой связана энергия волны Е. Члены уравнения М р и М определяются не только скоростью действующего ветра, но и зависят от элементов волн. Количество теряемой энергии E, также связано с элементами волны.

Так как уравнение (19) включает две неизвестные величины h и, его решение не может быть осуществлено без дополнительного соотношения, связывающего между собой эти неизвестные. Классические теории дают связь только между длиной волны, ее периодом и скоростью распространения с, а потому не могут быть использованы для установления соотношения между h и. Такие соотношения строятся исходя из тех или иных гипотез с учетом экспериментальных данных.

Решение уравнения баланса энергии оказывается более простым для установившегося волнения, т. е. когда 0.

Однако даже и в этом случае возникают существенные трудности. К ним относятся вопросы физического объяснения механизма передачи энергии от ветра к волне (а, следовательно, и обоснование методов расчета передаваемой мощности), определение потерь на турбулентное трение и, наконец, нахождение второго соотношения для установления связей между высотой и длиной волны.

Одни исследователи отводят основную роль в передаче энергии от ветра к волне касательному напряжению ветра.

Другие исследователи считают, что передача энергии от ветра и волне осуществляется вследствие разности давлений на наветренный и подветренный склоны волны. Этой точки зрения придерживается академик В. В. Шулейкин.

Существенным является вопрос об определении мощности, теряемой вследствие турбулентности, возникающей при волнении.

Не менее сложный при решении уравнения баланса энергии ветровых волн это вопрос об установлении связей между длиной и высотой волны, необходимых для получения второго уравнения.

Большинство авторов решает этот вопрос на основе обработки результатов наблюдений над ветровым волнением. Естественно, при этом получаются различные выводы, так как реальные волны отличаются большим разнообразием и не являются двухмерными. Первое теоретические решение было получено В.В.Шулейкиным, который используя теорему о моменте количества движения к частицам воды, перемещающимся при волнении по орбитам в форме окружности, разработал теорию нарастания длин волн под действием ветра. Это позволило ему найти второе уравнение для связей между длиной и высотой волны.

При установившемся волнении должно существовать равенство между мощностью, передаваемой от ветра к волне и теряемой на турбулентное трение. Такое равенство, по выводам В.В.Шулейкина, наступает тогда, когда скорость волны с достигает 0,82 скорости ветра, т. е. когда

Отношение скорости волны к скорости ветра (=) называют безразмерной скоростью или возрастом волны, поскольку это отношение характеризует стадию развития волн. От начала развития волны до = 1 они находятся под действием ветра. После достижения условия >1 ветер практически перестает действовать на них.

При развитии волн нарастание длины волны в отличие от нарастания их высоты происходит неравномерно: вначале рост идет довольно быстро, а затем замедляется. Наибольшей крутизны волны достигают при 0.27. Однако на протяжении всего этапа развития волн их длина растет быстрее высоты, что приводит к уменьшению крутизны волны.

Теоретические выводы и наблюдения показывают, что устойчивые волны могут наблюдаться только до вполне определенных значений крутизны волны. Затем волна становится неустойчивой, и ее гребень разрушается. Теоретически предельное отношение высоты волны к ее длине равно 1/7. Наблюдения дают близкие значения (порядка 1/10). Рассмотренные вопросы развития волн позволяют описать лишь основные черты этого явления. Действительная картина значительно сложнее. Прежде всего, необходимо напомнить, что воздушный поток, воздействующий на поверхность моря, неоднороден по своей структуре. Скорость и направление ветра в различных точках поверхности моря неодинаковы и не остаются неизменными по времени. Поэтому под воздействием ветра создается сложная система волн различной высоты и длины. В силу этого они не могут распространяться как параллельные гряды, т. е. иметь характер двумерных волн, и разбиваются на холмы и впадины, располагающиеся примерно в шахматном порядке, т. е. принимают характер трехмерных волн.

Разнообразие скоростей распространения волн приводит к тому, что одни волны нагоняют другие, сливаются с ними, т.е. происходит интерференция. В результате создаются группы волн .

Наличие поступательного движения частиц (волнового течения) приводит к увеличению крутизны волны и к срезанию ее вершины (образованию барашков). Вследствие этого волны не достигают тех предельных значений, которые имели бы место при движении частиц по замкнутым орбитам.

Срезание вершин обусловливает удары волн о корабль. Этот эффект еще усиливается тем, что на поверхности основных гравитационных волн возникают волны высших порядков, увеличивающие срыв гребней.

Вызванные ветром волны, распространяющиеся в области волнообразования, после ослабления ветра и (или) изменения его направления, или вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где дует ветер с другой скоростью и (или) другим направлением, называются зыбью.

Вызванные ранее ветром волны, распространяющиеся при отсутствии ветра, называют мертвой зыбью . При взаимодействии ветрового волнения и зыби образуется смешанное волнение.

Пологие волны зыби большой длины выходят за пределы штормовой зоны и распространяются впереди нее как волны - предвестники приближения шторма.

Как уже отмечалось в 1.1, электромагнитное поле является одной из форм материи. Как и любая другая форма материи, оно обладает энергией. Эта энергия может распространяться в пространстве и преобразовываться в другие формы энергии.

Сформулируем уравнение баланса для мгновенных значений мощности применительно к некоторому объему V , ограниченному поверхностью S (рис. 1.23). Пусть в объеме V , заполненном однородной изотропной средой, находятся сторонние источники. Из общих физических представлений очевидно, что мощность, выделяемая сторонними источниками, может расходоваться на джоулевы потери и на изменение энергии электромагнитного поля внутри V , а также может частично рассеиваться, уходя в окружающее пространство через поверхность S. При этом должно выполняться равенство

где Рст – мощность сторонних источников;

Рп – мощность джоулевых потерь внутри объема V ;

– мощность, проходящая через поверхность S;

W – энергия электромагнитного поля, сосредоточенного в объеме V , adW / dt – мощность, расходуемая на изменение энергии в объеме V .

Рис. 1.23. Объем V , ограниченный поверхностью S

В данном разделе будут использованы уравнения состояния (1.53). Эти уравнения не позволяют учесть потери энергии при поляризации и намагничивании среды. Поэтому слагаемое Рпв равенстве (1.120) фактически определяет мощность джоулевых потерь в объеме V , обусловленных током проводимости.

Уравнение (1.120) дает только качественное представление об энергетических соотношениях. Чтобы получить количественные соотношения, нужно воспользоваться уравнениями Максвелла. Рассмотрим первое уравнение Максвелла с учетом сторонних токов (1.111). Все члены этого уравнения – векторные величины, имеющие размерность А/м2.

Чтобы получить уравнение, аналогичное (1.120), нужно видоизменить первое уравнение Максвелла (1.111) так, чтобы его члены стали скалярными величинами, измеряющимися в ваттах. Для этого достаточно все члены указанного равенства скалярно умножить на вектор Е, а затем проинтегрировать полученное выражение по объему V . После скалярного умножения на вектор Е получаем

(1.121)

Используя известную из векторного анализа формулу div= Н rot Е – Е rot H, преобразуем левую часть соотношения (1.121) и заменим rot E его значением из второго уравнения Максвелла (1.39):

Подставляя это выражение в (1.121), получаем

В последнем слагаемом в правой части (1.122) изменен порядок сомножителей в скалярном произведении векторов и Н. Это допустимо, так как . Данное изменение не является принципиальным и не дает никаких преимуществ при выводе рассматриваемого здесь уравнения баланса для мгновенных значений мощности. Однако при такой записи во всех членах уравнения (1.122) второй сомножитель (векторы jст, j, и Н) является вектором, входившим ранее в первое уравнение Максвелла. Это обстоятельство позволит в дальнейшем (см. 1.8.4) несколько упростить вывод уравнения баланса в случае монохроматического поля (уравнения баланса комплексной мощности). Интегрируя почленно уравнение (1.122) по объему V , получаем

где направление элемента dS совпадает с направлением внешней нормали к поверхности S. При переходе от (1.122) к (1.123) использована теорема Остроградского – Гаусса для перевода объемного интеграла от div [Е, Н] в поверхностный интеграл от векторного произведения [Е, Н]. Введем обозначение

П = [Е, Н](1.124)

и преобразуем подынтегральное выражение в последнем слагаемом в правой части (1.123):

Подставляя (1.124) и (1.125) в (1.123) и меняя порядок интегрирования и дифференцирования, получаем

Выясним физический смысл выражений, входящих в уравнение (1.126).

Рассмотрим первое слагаемое в правой части (1.126). Представим объем V ввиде суммы бесконечно малых цилиндров длиной dl , торцы которых (dS ) перпендикулярны направлению тока (вектору j ). Тогда Ej dV= EjdV = (Edl )(jdS ) = dUdl = dP п, где dl = jdS – ток, протекающий по рассматриваемому бесконечно малому цилиндру; dU = Edl – изменение потенциала на длине dl , adP п – мощность джоулевых потерь в объеме dV . Следовательно, рассматриваемое слагаемое представляет собой мощность джоулевых потерь Рп в объеме V . Используя соотношение j = σЕ , для Рп можно получить и другие представления:

(1.127)

Формулы (1.127) можно рассматривать как обобщенный закон Джоуля-Ленца (П. 33), справедливый для проводящего объема V произвольной формы.

Интеграл в левой части (1.126) отличается от первого слагаемого в правой части только тем, что в подынтегральное выражение вместо j входит j ст. Поэтому он должен определять мощность сторонних источников. Будем считать положительной мощность, отдаваемую сторонними токами электромагнитному полю. Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Положительным направлением тока считается направление движения положительных зарядов. Ток отдает энергию электромагнитному полю при торможении образующих его заряженных частиц. Для этого необходимо, чтобы вектор напряженности электрического поля Е имел составляющую, ориентированную противоположно направлению тока, т.е. чтобы скалярное произведение векторов Е и j ст было отрицательным (Ej ст<0). При этом левая часть равенства (1.126) будет положительной величиной. Таким образом, мгновенное значение мощности, отдаваемой сторонними токами электромагнитному полю в объеме V , определяется выражением

(1.128)

Для уяснения физического смысла последнего слагаемого в правой части уравнения (1.126) рассмотрим частный случай. Предположим, что объем V окружен идеально проводящей оболочкой, совпадающей с поверхностью S. Тогда касательная составляющая вектора Е на поверхности S будет равна нулю. Элемент поверхности dS совпадает по направлению с внешней нормалью n 0 . Следовательно, поверхностный интеграл в уравнении (1.126) будет равен нулю, так как нормальная компонента векторного произведения [Е , Н ] определяется касательными составляющими входящих в него векторов. Кроме того, предположим, что среда в пределах объема V не обладает проводимостью (σ = 0). При этом в рассматриваемой области не будет джоулевых потерь, и первый интеграл в правой части уравнения (1.126) также будет равен нулю. В результате получим

(1.129)

Очевидно, что в рассматриваемом случае мощность сторонних источников может расходоваться только на изменение энергии электромагнитного поля. Таким образом, правая часть равенства (1.129) представляет собой скорость изменения энергии электромагнитного поля, запасенной в объеме V , т.е. соответствует слагаемому dW / dt в уравнении (1.126). Естественно предположить, что интеграл в правой части (1.129) равен энергии электромагнитного поля, сосредоточенного в объеме V :

(1.130)

Строго говоря, этот интеграл может отличаться от W на некоторую функцию g = g(х, у, z), не зависящую от времени. Нетрудно убедиться, что функция gравна нулю. Перепишем (1.130) в виде W=Wэ + Wм, где

(1.131)

(1.132)

Предположим, что электрическое и магнитное поля являются постоянными (не зависят от времени). В этом случае, как известно из курса физики, выражения (1.131) и (1.132) определяют энергию соответственно электрического и магнитного полей в объеме V . Но это означает, что g ≡ 0 и указанные выражения определяют мгновенные значения энергии электрического и магнитного полей в объеме V при любой зависимости от времени, а их сумма, определяемая формулой (1.130), действительно равна мгновенному значению энергии электромагнитного поля в объеме V .

Осталось выяснить физическую сущность поверхностного интеграла в уравнении (1.126). Предположим, что в объеме V отсутствуют потери и, кроме того, величина электромагнитной энергии остается постоянной (W = const). При этом уравнение (1.126) принимает вид

(1.133)

В то же время из физических представлений очевидно, что в данном частном случае вся мощность сторонних источников должна уходить в окружающее пространство (Рст = PΣ). Следовательно, правая часть уравнения (1.133) равна потоку энергии через поверхность S (пределу отношения количества энергии, проходящей через S за время Δt при Δt →0), т.е.

Естественно предположить, что вектор П представляет собой плотность потока энергии (предел отношения потока энергии через площадку ΔS, расположенную перпендикулярно направлению распространения энергии, к ΔS при ΔS→0). Формально математически это предположение не очевидно, так как замена вектора П на П1 = П + rot а , где а – произвольный вектор, не изменяет величину PΣ.Однако оно является верным и в частности, непосредственно вытекает из релятивистской теории электромагнитного поля.

Таким образом, равенство (1.126) аналогично (1.120) и представляет собой уравнение баланса мгновенных значений мощности электромагнитного поля. Оно было получено Пойнтингом в 1884 г. и называется теоремой Пойнтинга. Соответственно вектор П называют вектором Пойнтинга . Часто используют также названия "теорема Умова-Пойнтинга" и " вектор Умова-Пойнтинга " с целью подчеркнуть тот факт, что формулировка закона сохранения энергии в общей форме с введением понятия потока энергии и вектора, характеризующего его плотность, впервые была дана Н.А. Умовым в 1874 г.

Отметим, что энергия может поступать в объем V не только от сторонних источников. Например, поток энергии через поверхность S может быть направлен из окружающего пространства в объем V . При этом мощность PΣ будет отрицательной, так как положительным считается поток энергии, выходящий из объема V в окружающее пространство (направление элемента dS совпадает с направлением внешней нормали к поверхности S).

Сторонние источники могут не только отдавать энергию, но и получать ее от электромагнитного поля. При этом мощность сторонних источников будет отрицательной. Действительно, электромагнитное поле отдает энергию току проводимости, если оно ускоряет движение заряженных частиц, образующих ток. Для этого вектор напряженности электрического поля Е должен иметь составляющую, ориентированную вдоль линий тока, т.е. чтобы скалярное произведение векторов Е и j ст было больше нуля.

Рассмотрим более подробно формулы, определяющие энергию электромагнитного поля. Подынтегральные выражения в (1.131) и (1.132) wэ = (1/2)εЕ2 и wм = (1/2)μН2 можно интерпретировать как мгновенные значения объемных плотностей энергии электрического и магнитного полей соответственно, а их сумму

(1.135)

как объемную плотность полной энергии электромагнитного поля.

Подчеркнем, что принцип суперпозиции, которому удовлетворяют векторы напряженностей электрического и магнитного полей, не распространяется на энергию. Действительно, пусть энергии полей Е1, Н1 и Е2, Н2 , существующих по отдельности в области V , равны соответственно W 1 и W 2 . Тогда энергия суммарного поля Е = Е1 + Е2 , Н = H 1 + Н2 определится выражением

взаимная энергия полей. Взаимная энергия W12 может быть как положительной, так и отрицательной. Если векторы Е1, и Е2 , а также Н1 и Н2 взаимно перпендикулярны, то W12 = 0.

В случае переменных процессов распределение электромагнитной энергии непрерывно изменяется. Это изменение в каждой данной точке можно определить на основе уравнения (1.122), которое удобно представить в виде:

(1.136)

где ρст = -Ej ст и ρп = Ej – мгновенные значения плотностей мощности сторонних источников и мощности джоулевых потерь соответственно. При переходе от соотношения (1.122) к уравнению (1.136) учтены формулы (1.125) и (1.135). Уравнение (1.136) является дифференциальной формой теоремы Пойнтинга.

Для определения энергии методами CM" в состоянии равновесия использовались соотношения (4.2.13?16) для полной энергии системы и полной механической энергии системы как целого.

Уравнение баланса OS имеет вид

где:- полная энергия системы для локального или детального состояния равновесия;

Добавочный член, учитывающий характер изменения состояния во времени (функция внутренней энергии и флуктуаций полезной внешней работы).

где:- полная механическая энергия системы как целого

Механическая энергия объекта (сумма кинетической и потенциальной энергий объекта (тела));

Упорядоченная (полезная) работа против внешних сил (теплообмена, температуры, трения, систем электроэнергии);

Неупорядоченная (непревратимая) работа (энергия), вызванная теплообменом, объемной и линейной деформацией, трением, электрическим потенциалом;

Элементарная полезная (упорядоченная) работа;

Результирующая сила по каждому виду воздействия;

Перемещение, вызванное действием;

Обобщенный потенциал (температура, давление, деформация, электрический потенциал);

Экстенсивная координата состояния.

Полная энергия OS системы в неравновесном состоянии определяется соотношением

где: функции в составе соотношения являются функциями времени;

Упорядоченная энергия системы как целого;

Неупорядоченная энергия системы как целого;

Полная механическая энергия системы как целого;

Кинетическая энергия информации (часть энергии информации, влияющая на);

Внутренняя энергия системы;

Часть энергии информации, связанная с внутренним взаимодействием частей системы.

где: - полная энергия тела (объекта) системы;

Кинетическая энергия системы в целом;

Потенциальная энергия системы в целом;

Внутренняя энергия системы

Энергия неравновесного состояния;

Давление в объеме системы;

Химический потенциал;

Количество частиц;

Изменение кинетической энергии системы

Кинетическая энергия, часть энергии механической системы, зависящая от скоростей движения точек

где: - масса частицы системы;

Скорость движения частицы

Масса системы;

Скорость центра масс;

Кинетическая энергия движения системы вокруг центра масс:

Момент инерции тела;

Угловая скорость тела.

Из сравнения уравнения состояния газа и основного уравнения кинетической теории следует

Поэтому среднее значение энергии имеет вид:

Из соотношения следует

Изменение потенциальной энергии системы, взятое с обратным знаком, соответствует работе внутренних консервативных сил: .

Изменение полной механической энергии:

В общем случае кинетическая энергия не является функцией массы и скорости и зависит от внутренних процессов, происходящих в системе (например, инфильтрации, имплантации частиц среды).

Для случая конечных перемещений под действием нагрузки, можно рассмотреть изменение кинетической энергии в виде суммы

где: - изменение кинетической энергии, вызванные полезной работой;

Одностороннее самопроизвольное изменение кинетической энергии, вызванное внутренними процессами. Эта часть изменения энергии может быть положительной или отрицательной.

Внутренняя энергия - энергия системы, зависящая только от ее внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого. Внутренняя энергия включает в себя формы энергии всех форм движения системы и все виды энергии каждой формы энергии, взятой в отдельности

где: и - внутренняя энергия, энтропия неравновесного состояния (для состояний локального или детального равновесия используется индекс «o»);

Свободная энергия.

Изменение внутренней энергии системы

где: - внутренняя энергия, объем, энтропия;

Температура, давление;

Химический потенциал, число молей вещества в системе.

Пусть система совершает работу механического характера, и элементарную работу не механического характера, уравнение (4.3.13) примет вид

Энергия Гиббса как изобарно-изотермический потенциал определится в виде

Соотношение Гиббса-Дюгема записывается в виде

Из соотношений (4.3.12)-(4.3.16) следует

Поэтому если распространить соотношения классической (равновесной) механики на ОS, то их свободная энергия может оказаться равной нулю. От этого несоответствия можно избавиться, если свободную энергию ОS определять не по «обратному балансу» (за вычетом равновесной части энергии), а путем представления свободной энергии через параметры их неравновесности.

В составе исследуемой системы имеется подсистема, энергия которой зависит от энергии химически реагирующих сред. Для длительных процессов эта часть энергии приводит к уменьшению величины работы, способную воспринимать системой, что равносильно уменьшению энергии системы. Рассмотрим свободную энергию химических реагирующих сред.

Пусть в закрытой неравновесной системе протекают гомогенные химические реакции. Текущие концентрации веществ в реагирующей смеси с начальными концентрациями связывает соотношение

где: - стехиометрические коэффициенты веществ в реакции;

Степень полноты в реакции.

Вместо параметра можно использовать экстенсивную координату химического неравновесного состояния

где: - концентрация вещества до завершения реакции.

Изменения в OS происходят вследствие:

Диффузии веществ, которые не участвуют в химической реакции (массообмен в состоянии равновесия);

Химических превращений веществ, участвующих в реакции;

Имплантации твердых и жидких фаз среды на поверхность объекта.

Массообмен в равной мере изменяет концентрации и оставляет;

Химические реакции изменяют и оставляют неизменными.

Учитывая, что член в соотношении (4.3.15) можно представить в виде

где: - удельное химическое сродство химической реакции.

В химически реагирующих средах внутреннюю энергию можно разложить на составляющие:

Внутренняя энергия равновесного состояния

Внутреннюю энергию неравновесного состояния

Величина (свободная энергия химически реагирующих систем или химическая энергия) характеризует часть внутренней энергии, способную к химическому превращению и к совершению полезной внешней работы. В отличие от (энергии Гиббса) выражается только через параметры, так что ее величина не изменяется в процессах диффузии веществ, которые не участвуют в химической реакции.

Объединенное уравнение 1-го и 2-го начал термодинамики ОС принимает вид

где: характеризует элементарную работу, которую может совершать система за счет убыли внутренней химической энергии.

Величина (энергии химических реакций) не зависит от протекающих в системе процессов теплообмена и массообмена в равновесном состоянии и не зависит от объемной деформации.

Изменение (убыль) химической энергии определяет величину возможной работы в любых условиях процесса (не только при или).

Выделение с помощью параметров равновесной и неравновесной составляющих внутренней энергии определяет разницу между процессами массообмена в состоянии равновесия и в неравновесном состоянии.

Если в процессе массообмена изменяются только равновесные концентрации реагирующих веществ, т.е. в систему поставляются продукты реакции, то другим процессом является увеличение координаты, когда в систему поставляются реагенты, удаляющие системы от состояния химического равновесия. Равновесный массообмен (аналогично теплообмену) изменяет равновесную (непревратимую или неработоспособную) часть внутренней энергии системы.

Неравновесный массообмен содержит в себе увеличивающуюся химическую энергию, которая системой воспринимается как часть работы, совершаемой над системой.

Виды энергии системы, определяемые внутренним состоянием:

Внутренняя энергия неравновесного состояния

Связанная энергия: - энтропия; температура;

Свободная энергия: .

Из теоретической механики действие определяется соотношением:

где: - действие;

Живая сила;

Скорость движения частицы;

Скорость движения частицы под действием внешних сил;

Скорость действия частицы на среду;

Элемент пути за время

Принцип наименьшего действия:

где: - обобщенные координаты;

Обобщенные (сопряженные) импульсы;

Функция Гамильтона.

В механике сплошной среды считается, что частица не имеет воздействия на среду.

Первый закон Ньютона - существуют инерционные системы отсчета (ИСО), относительно которых материальная точка при отсутствии внешних сил сохраняет величину и направление скорости бесконечно долго;

Второй закон Ньютона - в ИСО ускорение прямо пропорционально равнодействующей сил и обратно пропорционально массе: ;

Третий закон Ньютона - материальные точки действуют друг на друга силами.

Силы должны:

Иметь одинаковую природу;

Иметь направление по прямой, соединяющей точки (частицы);

Быть равными по модулю и противоположными по направлению:

Если физическая система изолирована, то ее состояние, определяемое макроскопическими переменными, необратимо эволюционирует и инвариантному во времени состоянию, и в этом состоянии в системе не наблюдается никаких физических или химических изменений. Температура во всех частях системы, находящейся в таком состоянии, одинаковая. Считается, что такое состояние можно считать равновесным.

Равновесие механической системы, - все силы полностью уравновешены (гасят друг друга).

Равновесным называется состояние термодинамической систем (ТДС), характеризующееся при постоянных внешних условиях неизменяемостью параметров во времени и отсутствием в системе потоков (общее начало термодинамики).

Стационарным состоянием системы считается состояние, когда характеристики системы не меняются со временем. Для открытых систем стационарным считается состояние, когда энергия системы не меняется со временем. Степень неупорядоченности системы характеризуется энтропией.

Эволюция произвольного состояния к равновесному состоянию происходит вследствие необратимых процессов. В равновесном состоянии работа внешних сил определяется выражением

При рассмотрении диссипативной структуры работа внешних сил определяется соотношением

где: - диссипативный порядок траектории.

Таким образом, равновесные системы характеризуются:

Равномерным распределением температуры;

Функциями состояния, - энергия и энтропия.

Требование постоянства в распределении температуры не входит в число требований, при выполнении которых энтропия или энергия системы становятся определенной.

В неравновесных системах температура распределяется неравномерно, но вполне определенным образом, а распределение энтропии, энергии или вещества связано с плотностью распределения термодинамических потенциалов

где: - плотность энтропии на единицу объема;

Плотность внутренней энергии на единицу объема;

Число молей на единицу объема.

Неравновесным называется такое состояние, при переходе через которое из одного состояния равновесия в другое смежное, бесконечно близкое состояние равновесия, совершаемая работа меньше величины максимальной работы, совершаемой при переходе между теми же равновесными состояниями через промежуточное равновесное состояние. В окрестности любого равновесного состояния имеются смежные, бесконечно близкие неравновесные состояния, которые не могут быть достигнуты путем квазистатического равновесного перехода.

Убыль термодинамического потенциала

где: - максимальная работа в равновесном состоянии;

Фактическая работа неравновесной системы.

Считается, что зависит от начального и конечного состояний, и не зависит от пути (предположение относится к закрытым системам).

Принцип локального равновесия

где: - термодинамический потенциал неравновесного состояния;

Потеря работы системой.

В зависимости от вида системы можно записать:

Изолированная система (IS)

Закрытая система (CS)

Открытая система (OS)

Уравнение баланса энергии в интегральной форме может быть получено из первого закона термодинамики

где первое слагаемое в скобках - кинетическая энергия движения жидкости, второе - потенциальная энергия положения, третье -энтальпия жидкости, Дж/кг; Еп - полная энергия в контрольном объеме, Дж; q - тепловой поток через контрольную поверхность, Вт; l S - мощность на преодоление внешних сил, в основном сил трения, Вт; u - скорость потока, м/с; ρ - плотность среды, кг/м 3 ;

х - угол между нормалью и контрольной поверхностью; g - ускорение силы тяжести, м/с 2 ; z - геометрический напор, м; h - удельная энтальпия, Дж/кг;

S - контрольная поверхность; τ - время, с.

Это уравнение, по сути, является уравнением теплового баланса.

Первые два слагаемых в этом уравнении получены следующим образом. Если принять плотность постоянной, а соs(х) = ±1, то

Так как то получаем

Если система стационарна и в тепловом отношении, то:

Рассмотрим пример применения уравнений теплового баланса в нестационарных условиях.

Пример 9.1. Два резервуара объемом по 3м 3 каждый заполнены водой при температуре 25 °С. Оба имеют мешалки, обеспечивающие практически полное перемешивание. В определенный момент времени в первый резервуар начинают подавать 9000 кг/ч воды при температуре 90°С. Вода, выходящая из первого резервуара, поступает во второй. Определить температуру воды во втором резервуаре через 0,5ч после начала подачи горячей воды. Резервуары считать теп-

лоизолированными.

Решение: Составим схему тепловых потоков (рис. 9.1) и тепловой баланс для первого резервуара.

Рис.9.1 Схема тепловых потоков к примеру 9.1

При отсутствии теплообмена q = 0 и при условиях W = W 1 = W 2 ; Ср = Ср 1 = Ср 2 ; dЕп = VρС P dТ 1 , уравнение теплового баланса примет вид

WC P (T 0 – T 1)dτ = VρC P dT 1

После интегрирования от 0 до τ и от 25°С до Т 1 , получим

Т 1 = 90 - 65ехр(-3τ)

Составим аналогичным образом тепловой баланс второй емкости

WC P (T 1 – T 2)dτ=VρC P dT 2

откуда 9000(T 1 - Т 2) dτ = 3∙1000 dT 2 или

Т 2 = ехр(-3τ)(90 ехр(3τ) - 195τ+ С)

Начальные условия: при τ=0 Т 2 = 25 °С. Произвольная постоянная С = - 65.

Окончательно решение примет вид

Т 2 = 90 - 65 (3τ +1) ехр(-3τ);

T 2 = 90 - 65(3∙0,5 + 1)ехр(-3∙0,5) = 53,74 0 С.