2. Параметры и функции состояния термодинамической системы

Термодинамические системы и их классификация. Параметры системы. Первый закон термодинамики. Понятие о термодинамической функции состояния. Внутренняя энергия и энтальпия. Применение первого закона термодинамики  к изохорному, изобарному, изотермическому и адиабатному процессам. стандартные условия. Стандартная энтальпия образования вещества. Закон Гесса и следствия из него. Теплой эффект химической реакции. Термохимические расчеты. Закон Кирхгоффа.

(дополнение)

Термодинамическая система – часть пространства, выделенная для рассмотрения и отделенная от окружающей среды реальной (межфазовой) или условной границей. Системы могут быть изолированными, закрытыми (замкнутыми) и открытыми. Изолированная  система характеризуется постоянством массы m, объема V, энергии U (m=соnst, V= соnst, U= соnst) она не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система обменивается с окружающей средой только энергией и не обменивается веществом (m= соnst, V не соnst, Uне соnst). В открытой системе осуществляются оба указанных вида обмена с окружающей средой (m не const, V не соnst, U не соnst).  Состояние системы определяется ее физическими и химическими свойствами (объем, давление, температура, химический состав, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и др.), которые подразделяются на параметры состояния и функции состояния. Параметры состояния – свойства системы, выбранные в качестве независимых переменных. Функция состояния – величина, определяемая этими параметрами, однозначно характеризует систему и не зависит от пути ее перехода из одного состояния в другое. (если для 1 моля идеального газа параметрами состояния выбрать давление и температуру, то функцию состояния объем можно рассчитать по ура нению состояния Менделеева-Клапейрона РV=RТ). Первый закон термодинамики вытекает из более общего закона сохранения энергии. Для термодинамической системы он формулируется следующим образом: количество теплоты Q, сообщенное системе, расходуется на увеличение  ее внутренней энергии  dU и на совершение работы W системой, т.е.  Q = dU + W  Для элементарных процессов с бесконечно малыми изменениями параметров принимает вид dQ=dU+dW= dU+рdV+dW! Где рdV –работа расширения системы; dW! – сумма других видов работ (электрической, сил поверхностного натяжения и др). Внутренняя энергия соответствует функции состояния системы, поэтому перед символом U поставлен знак полного дифференциала. Теплота  и работа не являются функциями состояния, и их бесконечно малые количества обозначены буквой d. Вышеприведенные уравнения описывают первый закон термодинамики в интегральной и дифференциальной формах соответственно. В  термомеханических системах при протекании процессов совершается только работа расширения или сжатия, т.е. dW!=0. и dQ= dU+рdV Согласно этому закону внутренняя энергия является однозначной функцией состояния вещества (или совокупности вещества) и зависит только от параметров состояния, тогда как по отдельности каждая из величин, определяющих внутреннюю энергию (теплота Q, работа W) зависит от пути процесса, переводящего реагенты в продукты. Другой функцией состояния системы является энтальпия – тепловой эффект реакции при постоянном давлении (dН). Теплота Q, выделившаяся или поглощенная в химической реакции, называется тепловым эффектом реакции. Его можно измерить в специальных приборах – калориметрах. Изотермический процесс (Т=соnst) в идеальном газе силы межмолекулярного взаимодействия равны нулю. Внутренняя энергия идеального газа зависит от  температуры, количества вещества и не зависит от давления и объема, поэтому для данных условий U=соnst; dU=0 dQТ= dW = рdV  ; QТ= W теплота, сообщенная системе, в изотермическом процессе полностью расходуется на совершение работы расширения. используя р=RТ/V и проинтегрировав получим W= RТln(V/V1 = RТln(р/р1), т.к. по закону Бойля-Мариотта (р V)Т = соnst Изохорный процесс (V= соnst) при постоянном объеме dV=0, значит работа расширения газа dW= рdV=0 и dQ V = dU или Q  = U2- U1 =dd U В изохорном процессе теплота, сообщенная системе, полностью расходуется на увеличение ее внутренней энергии и характеризует изменение состояния системы. Изобарный процесс (р= соnst) постоянную величину р можно внести под знак дифференциала, поэтому работа расширения dW = рdV  =dW = d(рV) и dQр=dU+  d(рV) = d(U +рV)= ?Н Величины рV и U характеризуют состояние системы. Их сума Н=U+рV также соответствует функции состояния, которую называют энтальпией. По физическому смыслу энтальпия есть энергия расширения системы. В изобарном процессе теплота, сообщенная системе расходуется на увеличение внутренней энергии и н совершение работы расширения против сил внешнего давления и характеризует изменение состояния системы.  Сложные вещества можно условно или реально синтезировать из соответствующего количества простых веществ в стандартных термодинамических условиях. За стандартное состояние твердого вещества при Т=2980К принимают его  чистый кристалл под давлением р=101,3кПа. За стандартное состояние жидкого вещества при при Т=2980К принимают чистую жидкость под давлением р=101,3кПа. Для газообразного при этой же температуре вещеста  стандартным является состояние условного идеального газа, имеющего летучесть f=101,3 кПа и свойства бесконечно разреженного газа. Стандартной энтальпией образования вещества (df Н0298) называют тепловой эффект реакции образования 1 моль данного вещества из соответствующего количества простых веществ, находящихся в стандартных условиях. Русский ученый Г.И.Гесс в 1840г экспериментально установил основной закон термохимии: тепловой эффект химической реакции определяется только видом и состоянием исходных веществ и продуктов. Но не зависит от пути процесса. Первое следствие: тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. drН298О =E v'i dfН' 298i О -Evi dfН 298 i О                              i                                  i  Второе следствие: тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы энтальпий сгорания продуктов с учетом стехиометрических коэффициентов. drН298О = Ev'i dсН' 298i О -Evi dсН 298 i О                              i                                  i

3. Биотопливо. Виды биотоплива, их потенциальные ресурсы и возможности использования в теплоэнергетике, экологические аспекты использования биотоплива

Биотопливо, биологическое топливо, различные органические материалы, выделяющие в процессе разложения тепло, которое используется для обогрева теплиц, парников и утеплённого грунта. В качестве Б. применяют навоз (конский, коровий, овечий, свиной), бытовой мусор, корьё (кора, снятая с дерева), древесные опилки, льняную костру, отходы текстильной промышленности, сухой древесный лист, неразложившийся торф. При средней плотности укладки объёмная масса составляет (в т/м³):навоза конского и овечьего 0,35—0,45, коровьего—0,40—0,50, бытового мусора — 0,70—0,75, корья — 0,40,—0,45. Б. поздней осенью складывают на хранение (раздельно по видам) в штабели, сильно утрамбовывая и утепляя соломистым навозом, Во время хранения в Б. поддерживают температуру от 0 до 10°С. За 2—3 нед до использования Б. перебивают (разрыхляют). Для ускорения разогревания сырое и плотное Б. смешивают с сухим и рыхлым. Если в течение 1 нед Б. не разогревается, прибегают к его искусственному разогреву (укладка очагами горячего Б. или негашёной извести, укладка горячих камней и т.д.). На 1 м² площади теплиц иутеплённого грунта требуется Б. 0,25—0,4м³, на 1 рамоместо парников 0,6—1,5 м³.

Биотопливо - это топливо, которое получают, как правило, из биологического сырья, в качестве которой используют стебли сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Могут также использоваться целлюлоза и различные типы органических отходов.

 

Различают твердое биотопливо (дрова, солома), жидкое биотопливо (этанол, метанол, биодизель), и газообразное биотопливо (биогаз, водород).