Раздел 1 Предмет технической термодинамики

ЛЕКЦИЯ 1

Термодинамика в широком смысле — это наука об энер­гии и ее свойствах. Название ее происходит от греческих слов «термос» — тепло и «динамис» — сила. Она охватывает область физических, химических и других явлений, сопровождающихся тепловым эффектом в процессе превращения форм движения материи.

В зависимости от круга рассматриваемых вопросов различа­ют физическую, химическую и техническую термодинамику.

Технической термодинамикой называется наука о свойствах тепловой энергии и законах взаимопреобразования тепловой и механической энергии. Техническая термодинамика положена в основу изучения и усовершенствования всех тепловых двигателей.

Энергия может передаваться от одного тела к другому при их механическом взаимодействии, т. е. при совершении работы одного тела над другим, или непосредственно в форме теплоты, передаваемой от более нагретого тела к менее нагретому посред­ством теплообмена.

За единицу количества энергии (в том числе теплоты и работы) принят абсолютный джоуль (Дж), равный работе постоянной силы в 1 н на пути в 1 м при совпадении направлений силы и перемещения точки приложения силы (1 Дж = 1н ^. 1м = 1 кг-м²/сек²).

В теплотехнике для получения энергии пользуются телами различных агрегатных состояний — твердыми, жидкими и газо­образными. Согласно молекулярно-кинетической теории материи агрегатные состояния тел определяются различными расстояния­ми между молекулами и различными по величине силами сцеп­ления между ними, причем величина сил сцепления зависит от среднего расстояния между молекулами. По второму закону Ньютона силы взаимодействия пропорциональны массам молекул и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними

В твердых телах расстояния между молекулами очень малы, следовательно, силы сцепления имеют наибольшее значение сила F очень велика. Поэтому твердые тела имеют свою форму и объем.

Рабочее тело. В теплотехнике для получения энергии пользуются телами различных агрегатных состояний – твердыми, жидкими и газообразными. Согласно молекулярно-кинетической теории материи, агрегатные состояния тел определяются различными расстояниями между молекулами и различными по величине силами сцепления между ними. Мо­лекулы твердого тела движутся не поступательно, а колеблются около какого-то среднего положения. Нагреванием можно почти каждое твердое тело перевести в жидкое состояние, при этом обыкновенно расстояние между молекулами увеличивается, а си­лы сцепления уменьшаются. В этом состоянии молекулы движутся, а не колеблются, хотя движение еще стеснено достаточно большими силами сцепления. Дальнейшим нагреванием жидкое тело можно перевести в газообразное состояние. Расстояние между молекулами становится еще больше, а силы сцепления уменьшаются. При дальнейшем нагревании силы сцепления между молекулами становятся минимальными и их значение в общем тепловом движении оказывается незначительным. При этом молекулы газообразного тела находятся в непрерывном хао­тическом, или так называемом тепловом, движении.

У жидких тел расстояние между молекулами значительно больше, чем у твердых, а сила F меньше. Поэтому молекулы могут смещаться относительно друг друга. Жидкие тела имеют свой объем, но не имеют своей формы и принимают форму сосуда, в котором они находятся.

Для перевода тела из одного агрегатного состояния в другое требуются определенные условия. Так, для перевода расплавлен­ного металла в газообразное состояние нужно нагреть металл на несколько тысяч градусов, в то время как превращение воды в газообразное состояние при нормальном атмосферном давлении происходит при температуре около 100° С.

Как известно из практики, взаимопреобразование тепловой и меха­нической энергии производится с помощью рабочего тела, которым, как правило, являются газообразные тела — газы и пары.

Рабочее тело - тело, посредством которого производится взаимное пре­вращение теплоты и работы, Например, в паровых турбинах рабочим телом является водяной пар, в газовых турбинах - газ, в холодильных установках - фреоны, аммиак, углекислота и др.

Относительное расстояние между молекулами у газообразных тел довольно велико и силы взаимодействия F достаточно малы. Газообразные тела не имеют ни формы, ни объема: они принимают форму и объем сосуда, в который заключены. При этом они занимают весь предоставленный им объем.

Использование в качестве рабочего тела газов и паров объясняется тем, что они, обла­дая большим коэффициентом теплового расширения, могут при на­гревании совершать гораздо большую работу, чем жидкости и твердые тела.

Превращение тепла в механическую работу в тепловых дви­гателях совершается в результате расширения рабочего тела. Во всех современных тепловых двигателях в качестве вспомогательного, иначе называемого рабочего, тела применяют газообразное тело (газ, пар) вследствие его способ­ности к большому расширению при нагревании. Таким образом, газообразное тело является наиболее удобным для использова­ния в качестве рабочего тела при превращении в работу тепла, сообщаемого телу извне.

Таким образом, теплота и работа (процесс работы) представ­ляют собой две возможные формы передачи энергии от одного тела к другому. Качественное различие понятий теплота и рабо­та заключается в том, что теплота—такая форма передачи энер­гии, которая представляет собой совокупность микрофизических процессов. Работа — макрофизическая форма передачи энергии в процессе, когда перемещение точек приложения сил доступно непосредственному контролю.

В термодинамике рассматриваются так называемые идеальные га­зы, в природе не существующие. Все газы, встречающиеся в природе, яв­ляются реальными газами. Молекулы их имеют геометрические размеры (хотя и очень малые) и представляют собой тела, связанные друг с дру­гом некоторыми силами взаимодействия.

Понятие об идеальном газе введено для упрощения изуче­ния термодинамических процессов и получения более простых рас­четных формул.

Под идеальным газом понимают совокупность ма­териальных точек — молекул с исчезающе малыми объемами, нахо­дящихся в состоянии хаотического движения и лишенных сил взаимодействия. Другими словами, идеальным газом считают газ, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами и можно пренебречь объемом самих молекул.

Многие задачи, возникающие при рассмот­рении энергетических объектов можно свести к рассмотрению последователь­ности процессов передачи энергии от одной системы к другой. Рассмотрим основные стадии преобразования энергии возникающей при переработки органического и ядерного топлива, в электрическую (рис. 1). Такие стадии преобразования присут­ствуют в различных типах энергетических ус­тановок. Для преобразования энергии в рабо­ту в этих установках используются газы: ре­альные, такие как водяной пар, или псевдога­зы или такие как электроны в твердых телах.

В дальнейшем нам потребуется делать количественные оценки, позволяющие сравнивать эф­фективность различных методов преобразова­ния энергии.

Простейшим критерием такого сравнения является КПД:

[1]

где W — совершаемая работа; Е — затрачива­емая энергия.

Коэффициент полезного действия (КПД) ТЭС, работающих на органическом топ­ливе, составляет около 40%, а КПД АЭС ~ 30 %. Это объясняется не только недос­татками существующих технологий, но и тем, что существуют фундаментальные ограниче­ния, связанные с самой природой процессов преобразования энергии.

Термодинамикой рассматривается характер этих ограничений, и формулируются общие принципы, позволяющие исследовать процес­сы преобразования энергии и машины, реали­зующие эти процессы, а также возникающие при этом вопросы охраны окружающей среды.