При исследовании все процессы рассматриваются как равновесные и обратимые.
Прежде чем рассматривать порядок исследования термодинамических процессов, введем пятый параметр состояния газа - энтропию S. Энтропия характеризует направления протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой.
Для произвольной массы газа G (кг) энтропию S измеряют в кДж/К, а энтропию 1 кг газа обозначают буквой s и измеряют в кДж/(кг . К), то есть в тех же единицах, что и массовую теплоемкость.
В термодинамике определяют лишь изменение энтропии: Ds = s2 – s1. В связи с этим условно считают, что при 0 0С и при любом давлении энтропия s, так же, как и внутренняя энергия u, равна нулю.
Не прибегая к помощи высшей математики, для произвольного (политропного) термодинамического процесса можно записать:
s2 – s1 = Ds = Dq/T, (45)
где Dq – количество теплоты, участвующей в произвольном элементарном термодинамическом процессе, кДж/кг; Ds – изменение энтропии в данном элементарном процессе, кДж/(кг . К).
Отношение Dq/T называется приведенной теплотой и представляет собой качественную характеристику процесса преобразования теплоты.
Изменение энтропии как функции состояния не зависит от пути протекания процесса (то есть от пути перехода рабочего тела), а зависит лишь от самого начального и конечного состояния.
Введение понятия энтропии как параметра состояния рабочего тела позволяет применить для исследования термодинамических процессов новую (rJ-диаграмма введена ранее) прямоугольную систему координат T, s, в которой по оси абсцисс в соответствующем масштабе откладывают энтропию s, а по оси ординат – абсолютную температуру T. Такая диаграмма называется Ts-диаграммой.
В этой диаграмме площадь, ограниченная перпендикулярами, опущенными на ось абсцисс източек начального и конечного состояний, и осью абсцисс,выражает количество сообщенной или отнятой теплоты q. Поэтому Ts-диаграмму называют также тепловой, или энтропийной. Так как в уравнении (45) температура Т – величина всегда положительная, то Ds и Dq имеют одинаковые знаки, то есть если теплота q подводится к газу (величина положительная), то и Ds возрастает. И, наоборот, если Dq отводится (величина отрицательная), то и Ds уменьшается. Это одно из наиболее важных свойств энтропии.
При исследовании термодинамических процессов определяют:
1. Уравнение процесса и его графическое изображение в системе координат r, J.
2. Связь между основными параметрами состояния газа.
3. Изменение внутренней энергии газа Du и величину работы расширения ℓ.
4. Количество теплоты q, сообщаемой газу или отводимой от него.
5. Графическое изображение процесса в системе координат T, s.