Внутренняя энергия, первый закон термодинамики,

Глава 2

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Основные понятия и определения

Термодинамика — наука, изучающая энергию и законы ее превращения из одного вида в другой.

Техническая термодинамика — раздел этой науки, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии с помощью тел, называемых рабочими телами. Она является основой теории тепловых двигателей и других промышленных установок, связанных с взаимопревращениями указанных видов энергии.

Преобразование теплоты в механическую работу происходит с помощью рабочего тела. Наиболее эффективным рабочим телом будет то, которое обладает выраженными упругими свойствами, позволяющими телу в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механической силы (давления), термического воздействия (теплоты) или комбинированного термомеханического воздействия.

Наблюдая за агрегатным состоянием различных тел, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для применения в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им свойственны значительные (сравнительно с другими агрегатными состояниями тел) по величине коэффициенты объемного расширения.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла и рабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используется ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят: абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объем v (или величина, обратная удельному объему, — плотность r).

Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называют термодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Давление (р)в термодинамике определяется как сила, действующая по нормали на единицу поверхности тела. Давление измеряют в ньютонах на квадратный метр (Н/м²).

Различают абсолютное и избыточное давление. Под абсолютным понимают действительное давление рабочего тела внутри сосуда. Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей среды. Прибор, служащий для замера этой разности давлений, называют манометром.

Из приведенных выше определений следует, что для случая, когда давление в сосуде превышает давление окружающей среды,

где р_а— абсолютное давление в сосуде; р_м — манометрическое давление; р_б — давление окружающей среды (барометрическое давление).

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между ними называют разрежением, или вакуумом. Для измерения его служит вакуумметр — прибор, показывающий разность давления окружающей среды и абсолютного давления газа в сосуде. В этом случае

где р_в — разрежение.

Для измерения небольших давлений пользуются жидкостными приборами, заполненными водой, ртутью или другой жидкостью.

В системе СИ за единицу давления принят один паскаль (Па), причем 1 Па = 1 Н/м².

В теплотехнических установках приборы чаще всего отградуированы в единицах системы МКГСС, в которой за единицу давления принята атмосфера, ат:

1 атv = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м².

Так как 1 кгс = 9,8 Н, то 1 ат = 9,8 × 10⁴ Н/м² = 9,8× 10⁴ Па, или 1 ат –98 кПа = 0,098 МПа, а с округлением 1 ат = 0,1 МПа.

Следует также отметить, что рабочее тело находится при нормальных физических условиях, если давление его равно 1 атм (p₀= 760 мм рт. ст., или 101325 Н/м²), а температура t₀= 0°С.

Под удельным объемом рабочего тела понимают объем, занимаемый массой в 1 кг этого тела. Удельный объем обозначают буквой v и измеряют в кубических метрах на килограмм (м³/кг).

Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т.е. массу вещества объемом 1 м³. Плотность означают буквой r и измеряют в килограммах на кубический метр, кг/м³. Из приведенных определений следует:

поэтому

где V— объем рабочего тела, м³; т — масса рабочего тела, кг.

Абсолютная температура — один из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела, мера степени нагретости тела. Знак разности температур двух неодинаково нагретых тел определяет направление передачи тепла. Температуру измеряют по абсолютной шкале в градусах Кельвина (К) и обозначают бyквой Т, либо по Международной стоградусной шкале в градусax Цельсия (°С) и обозначается буквой t. Единица деления шкалы Кельвина равна градусу шкалы Цельсия. Соотношение между Т и t определяется формулой

В США, Канаде и некоторых других странах применяется шкала Фаренгейта, в которой за 0 принята температура смеси равных частей льда и нашатыря. В этой шкале температура таяния льда равна 32 °F, а температура кипения химически чистой воды равна 212°F. Соотношение между значениями температуры, измеренной по шкалам Цельсия и Фаренгейта:

Внутренняя энергия, первый закон термодинамики,