ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ

1.1Предмет и метод технической термодинамики

Исторически термо­динамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу, что диктовалось необходимостью дать теоретические основы работы тепловых (паровых) машин.

В основу термодинамики положены три экспериментальных закона и уравнение состояния: первый закон (первое начало термодинамики) - закон сохранения и превращения энергии; второй закон (второе начало термодинамики) указывает направление процесса, по кото­рому протекают все естественные явления в природе; третий закон (третье начало термодинамики) утверждает, что абсолютный нуль температуры недо­стижим.

1.2 Термодинамическая система

Термодинамическая система — тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами или между собой энергией и веществом.

Термодинамическая система имеет границы, отделяющие ее от окружающей среды. Границы термодинамической системы могут быть как реальными (газ в резервуаре, граница раздела фаз), так и чисто условными в виде контрольной поверхности.

Термодинамическая система может энергетически взаимодействовать с окружающей средой и с другими системами, а также обмениваться с ними веществом. В зависимости от условий взаимодействия с другими системами различают изолированную, замкнутую, открытую и адиабатно изолированную термодинамические системы.

Термодинамическая система, которая не может обмениваться энергией и веществом с другими системами, называется изолированной. В такой системе отдельные части (подсистемы) могут взаимодействовать между собой. Термодинамическая система называется закрытой, если она не может обмениваться веществом с другими системами. Термодинамические системы, которые могут обмениваться веществом с другими системами, называются открытыми.

Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), называется теплоизолированной или адиабатно изолированной.

С окружающей средой термодинамическая система может энергетически взаимодействовать посредством передачи теплоты и производства работы.

По роли отдельных тел, входящих в термодинамическую систему, их делят на рабочие тела (РТ), источники теплоты (ИТ) и объекты работы (ОР).

Рабочими телами являются, как правило, газообразные вещества - газы и пары, которые способны значительно изменять свой объём при изменении внешних условий.

В тех состояниях, когда можно пренебречь влиянием сил взаимодействия между молекулами и объёмом самих молекул (сильно нагретый газ при небольших давлениях), газ называют идеальным. В противном случае газ называется реальным.

Рабочее тело в тепловой машине получает или отдаёт теплоту, взаимодействуя с более нагретыми или более холодными внешними телами. Такие тела носят название источников теплоты.

Тело, которое отдаёт теплоту рабочему телу и не изменяет свою температуру, называется верхним источником теплоты (ВИТ) или теплоотдатчиком. Тело, которое получает теплоту от рабочего тела и не изменяет свою температуру, называется нижним источником теплоты (НИТ) или теплоприёмником.

1.3 Термодинамическое состояние и термодинамический процесс

Совокупность физических свойств системы в рассматриваемых условиях называют термодинамическим состоянием системы.

Различают равновесное (стационарное) и неравновесное (нестационарное) состояния термодинамической системы.

Макроскопические величины (т. е. величины, которые характеризуют тело в целом), характеризующие физические свойства тела в данный момент, называются термодинамическими параметрами состояния. Последние разделяются на интенсивные (не зависящие от массы тела) и на экстенсивные (пропорциональные массе тела).

Равновесным состоянием термодинамической системы называется такое состояние, которое характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием.

Изолированная термодинамическая система независимо от своего начального состояния с течением времени всегда приходит в состояние равновесия. При этом отметим, что никогда самопроизвольно выйти из него т/д система не может (основной постулат термодинамики — нулевое начало).

Состояние термодинамической системы, при котором значения параметров во всех частях ее остаются неизменными во времени благодаря внешнему воздействию потоков вещества, энергии, импульса, заряда и т. п., называется стационарным. Если значения параметров изменяются во времени, то состояние термодинамической системы называется нестационарным.

Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров, называется термодинамическим процессом. Если одна система совершает работу над другой системой с помощью механических и иных физических сил, то такое взаимодействие называется механическим. Взаимодействие, которое приводит к изменению энергии и совершается в форме передачи теплоты посредством теплопроводности или тепловой радиации, называется тепловым. Взаимодействие, приводящее к изменению энергии и совершаемое в форме передачи массы, называется массообменным.

Различают равновесные и неравновесные процессы.

Равновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний. В таком процессе физические параметры изменяются бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесном состоянии. Кроме того, все части системы имеют одинаковые температуру и давление.

Неравновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой последовательность состояний, среди которых не все являются равновесными. В неравновесном процессе различные части системы имеют разные температуры, давления, плотности, концентрации.

Если термодинамическая система выведена из состояния равновесия и предоставлена сама себе, то через некоторый промежуток времени она снова придет в состояние равновесия. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а время перехода в состояние равновесия — временем релаксации.

1.4 Термические и калорические параметры состояния

К основным термическим параметрам состояния, поддающимся непосредственному измерению простыми техническими средствами, относятся абсолютное давление p, удельный объём v и абсолютная температураT.

К параметрам, характеризующим состояния термодинамической системы, также относятся: внутренняя энергия U, энтальпия H и энтропия s, которые носят название калорических параметров состояния.

1.4.1 Термические параметры состояния

Давление — физическая величина, численно равная отношению нормаль­ной составляющей силы к площади, на которую действует эта сила.

Единицей давления в СИ является паскаль — давление, вызываемое си­лой в 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м² (1Па=1 Н/м²). Часто приходится измерять давление высотой столба какой-либо жидкости (воды, ртути и пр.).

В табл. 1.1 приведены соотношения между еди­ницами измерения давления и единицами давления в СИ.

Таблица 1.1 Соотношения между еди­ницами измерения давления

Различают атмосферное или барометрическое давление р_б, абсолютное давление р_а, манометрическое или избыточное р_изб, разрежение или вакуум р_вак.

Давление, создаваемое атмосферным воздухом, называется барометрическим или атмосферным.

Абсолютным давлением р_а называется давление, отсчитываемое от нуля (абсолютного вакуума).

Избыточным или манометрическим давлением называется давление сверх атмосферного, то есть избыточное давление — это разность между абсолютным и барометрическим давлениями: р_изб = р_а - р_б.

Разрежением или вакуумом называется разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением той среды, где измеряется давление. Если абсолютное давление газа или пара в сосуде ниже барометрического, то есть _б, то разностьр_а - р называется разрежением или вакуумом.

Вакуум показывает, насколько дав­ление газа (пара) меньше давления окружающей среды.

Давление атмос­ферного воздуха измеряется баромет­рами, избыточное давление — мано­метрами, а давление разрежения — вакуумметрами.

В термодинамических уравнениях всегда используют значения абсолютного давления ввиду того, что оно является параметром, характеризующим состояние термодинамической системы.

Атмосферное давление — величина переменная, поэтому в технике применяется нормальное атмосферное давление, р_о = 101325 Па (760 мм рт. ст.).

Температура тела есть мера его нагретости. Температура определяет направление передачи теплоты. Если два тела А и В имеют соответственно температуру Т₁ и Т₂ и Т₁>Т₂, то теплота переходит от тела А к телу В. При этом температура тела А уменьшается, а тела В - увеличивается.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории температура есть мера интенсивности теплового движения молекул.

В термодинамике рассматривают температуру как среднестатистическую величину, которая характеризует систему, состоящую из очень большого числа молекул (частиц), находящихся в хаотическом (тепловом) движении. Поэтому к единичным молекулам понятие температуры не применимо. При температуре абсолютного нуля тепловое движение молекул отсутствует. Эта предельная минимальная температура называется абсолютным нулем и является началом для отсчета температур. Понятно, что не может быть , то есть абсолютная температура всегда положительна.

Температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, называется абсолютной, а шкала температур называется шкалой Кельвина.

Практически измерять кинетическую энергию молекул газа непосредственно невозможно. Поэтому для измерения температуры используют различные косвенные методы. Температура измеряется при помощи различных термодинамических устройств - термометров).

Использование термометров основано на том факте, что два соприкасающихся тела с разными температурами через некоторое время приходят к состоянию теплового равновесия и принимают одинаковую температуру.

Численный отсчет температуры производится по шкале температур. За основную единицу измерения температуры принимают градус, имеющий разную величину в различных температурных шкалах. Шкала температур устанавливается путем деления разности показаний термометра в двух произвольно выбранных постоянных температурных точках, называемых реперными или опорными, на некоторое число равных частей — градусов.

Ввиду того, что выбор постоянных температурных точек и цены деления шкалы является произвольным, имеется ряд различных шкал температу­ры.

В настоящее время применяются следующие температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, Ранкина.

По шкале Цельсия приняты следующие значения постоянных реперных точек: 0°C - температура таяния льда, 100°C - температура кипения воды при нормальных физических условиях (давление 101325 Па).

В 1724 г. Фаренгейт предложил термометр, в качестве реперных точек которого приняты: +212°F — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении; +32°F - температура таяния льда. Разность температур кипения воды и таяния льда по шкале Фаренгейта равна 212°- 32° = 180 °F, а по шкале Цельсия - 100°C. Следовательно, 1°F соответствует 5/9 °C, а 1°C - 1,8°F.

Шкала Реомюра имеет следующие реперные точки: О°R - температура таяния льда, 80°R - температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Шкала Ранкина - это шкала Фаренгейта, отсчитанная от абсолютного нуля. В этой шкале температура таяния льда (T₀=273,15 К) соответствует 491,67°Ra, а температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении (T₀=373,15 К) соответствует 671,67°Ra.

Решением Международного комитета мер и весов приняты две шкалы: термодинамическая температурная шкала (Кельвина), которая принята основной и Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), выбранная таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической. В основу построения термодинамической шкалы положен тот факт, что в циклах Карно, располагающихся между двумя адиабатами, разность температур изотерм считается постоянной, если в механическую работу превращаются одинаковые количества теплоты. Наиболее универсальной шкалой температур является абсолютная термодинамическая шкала температур — шкала Кельвина.

В шкале Кельвина используется единственная экспериментальная реперная точка — тройная точка химически чистой воды (в термодинамичес­ком равновесии находятся три агрегатных состояния; лед, жидкая вода и пар). Этому состоянию соответствует температура 273,15К (0,01°С). Второй постоянной точкой является абсолютный нуль температур (⁰К). Кельвин — единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале, равная 1/273,15 части интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки воды.

Практическим осуществлением термодинамической шкалы температур является Международная практическая температурная шкала. В этой шкале используется одиннадцать реперных точек. В табл. 1.2 приведены значения основных реперных точек .

Таблица 1.2 Значения основных реперных точек

Удельный объем вещества v - это объем, занимаемый единицей массы данного вещества.

Величина, обратная удельному объему и определяющая количество вещества, заключенного в единице объема называется плотностью вещества .

Единица плотности в СИ - кг/м³, в системе СГС - г/см³. Плотность и удельный объем зависят от температуры и давления, то есть от термодинамического состояния вещества. Обычно в справочниках приводятся их значения при нормальных физических условиях. За нормальные физические условия принимают давление, равное 101,325 кПа (760 мм рт. ст.) и температуру, равную 0 °С.

Количество вещества — это физическая величина, определяемая числом структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов). Единицей количества вещества в СИ является моль. Кроме моля применяют кратные и дольные части от моля (кмоль, Ммоль и др.). Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Молярной массой вещества называют отношение массы вещества к его количеству:

где μ - молярная масса. Если m задать в кг, а n - в молях, то μ - выразится в кг/моль.

1.4.2 Калорические параметры состояния

К калорическим параметрам состояния относятся, как уже отмечалось, внутренняя энергия , энтальпия Н и энтропия . Своим названием эти параметры обязаны тому, что ранее измерялись в калориях.