Техническая термодинамика

Название науки «термодинамика» происходит от греческих слов «термос» – тепло и «динамис» – сила. Таким образом, термодинамика – наука, изучающая законы превращения теплоты в работу и наоборот – работы в теплоту. Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), которые обобщают наблюдения за процессами в природе, независимо от конкретных свойств тел.

Основные понятия термодинамики

Для взаимного превращения теплоты в работу необходимо иметь такое вещество, которое может легко изменять свой объем. Это вещество называется рабочим телом. В качестве рабочего тела применяют различные газообразные вещества.

В термодинамике в качестве рабочего тела используется идеальный газ. Он обладает следующими свойствами:

1) молекулы находятся в постоянном хаотическом движении;

2) отсутствует собственный объем молекул, то есть ничтожно мал по сравнению с межмолекулярным объемом;

3) между молекулами отсутствуют силы взаимодействия.

Объект термодинамического исследования называют системой.

Термодинамическая система – это группа рабочих тел или одно рабочее тело, выделенное для изучения.

Все что не включено в систему, но может взаимодействовать с ней, называется окружающей средой.

В общем случае взаимодействие системы и окружающей среды может состоять в обмене веществом и передаче энергиитеплотой и работой, под которой понимают как механическую, так и немеханическую виды работ.

Термодинамическая система называется закрытой, если она не обменивается с окружающей средой веществом.

Термодинамическая система называется открытой, если она обменивается с окружающей средой веществом.

Термодинамическая система, абсолютно не взаимодействующая с окружающей средой, называется изолированной. Термодинамическая система называется адиабатной, то есть термоизолированной, если она не обменивается с окружающей средой теплотой.

При взаимодействии с окружающей средой рабочее тело переходит из одного состояния в другое, о чем можно судить по изменению параметров, поддающихся прямому измерению.

Физические величины, характеризующие систему в состоянии равновесия, называют параметрами состояния. Они относятся к системе в целом и не зависят от вида процесса.

Если параметры рабочего тела сохраняют постоянные значения, и равны соответствующим параметрам окружающей среды, то такое состояние термодинамической системы называют равновесным. В противном случае состояние рабочего тела называют неравновесным.

Параметрами состояния рабочего тела являются удельный объем, давление, температура.

Удельный объем – это объем, занимаемый одним килограммом рабочего тела. Он равен отношению объема газа V к его массе M:

v = , м / кг (1.1)

Удельный объем является величиной, обратной плотности ρ:

v = (1.2)

В случае замкнутой системы изменение удельного объема обусловлено только изменением ее объема. При этом, если удельный объем уменьшается, то система подвергается сжатию. Если удельный объем увеличивается, то система расширяется.

Абсолютное давление Р – сила, действующая на единицу поверхности рабочего тела:

1 Н/м = 1 Па

Давление газов обусловлено ударами молекул о стенки резервуара.

Абсолютная температура – это величина, пропорциональная средней кинетической энергии частиц (молекул газа), из которых состоит система.

Единицей измерения температуры является Кельвин (К) или градус Цельсия (0°С).

Термодинамическая температурная шкала установлена по температуре, при которой лед, вода и пар находятся в равновесии друг с другом. Ей соответствует температура, равная 273, 16 К и 0, 01°С. Один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия, и температура Т, выраженная в Кельвинах, связана с t, выраженной в Цельсиях, соотношением:

Т = t + 273, 15 К (1.3)

Температура тела характеризует его способность к теплообмену с окружающей средой или другими телами, включенными в рассматриваемую систему. Теплообмен возможен только при наличии хотя бы бесконечно малой разности температур. Это означает, что температура позволяет судить о наличии или отсутствии теплового равновесия между телами, находящимся в тепловом контакте друг с другом.

Термодинамический процесс – это последовательное изменение равновесных состояний рабочего тела.

Если в результате прямого и обратного процессов рабочее тело возвращается в исходное состояние и при этом не изменяет окружающую среду, то такой процесс называется обратимым.

Если при прямом и обратном процессах рабочее тело возвращается в исходное состояние, но при этом отдает часть теплоты окружающей среде, то такой процесс является необратимым.

Все действительные процессы в земных условиях являются необратимыми. Однако, при изучении элементарных термодинамических процессов, они рассматриваются как обратимые процессы, в которых теплота и работа преобразуются в эквивалентных количествах.

1 .2 Уравнение состояния идеального газа.

Параметры состояния равновесной термодинамической системы связаны между собой зависимостью, называемой уравнением состояния.

В термодинамике пользуются уравнениями состояния, полученными из опыта или найденными методами статистической физики. В основном это дифференциальные уравнения.

Использование понятия идеального газа позволяет получать термодинамические соотношения в наиболее простой форме.

Для 1 кг идеального газа уравнение состояния идеального газа имеет вид:

, (1.4)

где P – абсолютное давление, Н/м² ;

v– удельный объем, м³/кг;

T – абсолютная температура, К;

R – удельная газовая постоянная, [Дж/кг*К].

Удельная газовая постоянная показывает, какую работу нужно совершить, чтобы изменить температуру 1 кг газа на 1 К, в изобарном процессе (Р = const).

Для произвольной массы газа М, пользуются уравнением состояния идеального газа в виде:

pּ V = Mּ Rּ T, (1.5)

где V – полный объем газа, м³;

М – масса газа, кг.

Величина удельной газовой постоянной, входящей в уравнения (1.4), (1.5) зависит от молярной массы газа μ, кг/моль, и определяется по формуле:

R = , (1.6)

где R_μ – универсальная газовая постоянная; R_μ = 8, 314ּ 10³ [Дж/моль*К]

Уравнение состояния идеального газа применимо для описания поведения реальных газов при их сравнительно малых плотностях. Если это условие не соблюдается, то возникает проблема учета конечного объема молекул и межмолекулярных сил.

Простое уравнение состояния для неидеальных газов было предложено в 1873 г. Ван-дер-Ваальсом:

(Р + )ּ (V – b) = Rּ T, (1.7)

где a – величина, зависящая от сил взаимодействия между молекулами данного газа;

b – величина, учитывающая собственный объем молекул и силы отталкивания, возникающие между ними.