Основные понятия и определения технической термодинамики

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

Техническая термодинамика – раздел термодинамики, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энер­гии с помощью тел, называемых рабочими телами. Она является осно­вой теории работы тепловых двигателей и других промышленных уста­новок, так или иначе связанных с взаимопревращениями указанных видов энергии.

Преобразование теплоты в механическую работу происходит с по­мощью рабочего тела. Наиболее эффективны рабочие тела, обладаю­щие резко выраженными упругими свойствами, которые позволяют их значительно деформировать (изменять свой объем) под влиянием механических сил (давления), термических (теплоты) или комбиниро­ванных термомеханических воздействий.

Наиболее целесообразными рабочими телами для применения их в различных тепловых устройствах являются газы или пар. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобра­зования теплоты в механическую работу; так как газы и пар, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им же 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 теплоты 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 состояния входят:

 абсолютная температура;

 абсолютное давление;

 удельный объем v.

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

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

Т= t + 273,15.

В США, Канаде и других странах применяют шкалу Фаренгейта, в которой за нуль градусов 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 температур, измеренных по шкалам Фа­ренгейта и Цельсия, будет иметь вид

t (°F) = 9/5 t (°С) + 32.

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.

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

В теплотехнических установках приборы чаще всего градуированы в системе МКГСС, в которой за единицу давления принята атмосфера (ат):

1 ат = 1 кгс/см² = 104 кгс/м².

C округлением 1 ат = 0,1 МПа.

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

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

Под плотностью (р) рабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т. е. массу вещества в 1 м³ рабочего тела. Плотность измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м³).

4.2 Внутренняя энергия, работа расширения, первый закон термодинамики

Известно, что эквивалентность теплоты и работы является опыт­ным подтверждением всеобщего закона сохранения и превращения энергии, согласно которому энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит в различных физических (а также химических) про­цессах из одного вида в другой.

Закон сохранения и превращения энергии в применении к поняти­ям термодинамики носит название первого закона термодинамики.

Опыт показывает, что подвод теплоты Q к какому-либо телу (так же, как и отвод теплоты) обычно связан с изменением температуры тела Т и его объема V.

Изменение температуры тела обусловлено изменением энергии движения молекул вещества. Этот вид энергии называется внутрен­ней энергией. Она представляет собой сумму кинетической и потенци­альной энергий атомов и молекул тела. В общем случае внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, потенциальной энергии сил сцепления (отталкивания) между молекулами, внутримо­лекулярной, внутриатомной и внутриядерной энергии.

Изменение объема тела при нагревании (или охлаждении) связано с работой, которую производят возникающие в этом процессе силы, про­являющиеся в форме давления на поверхность тела. Работа этих сил в про­цессе подвода теплоты Q называется внешней работой L. Отсюда следует, что затрата теплоты Q при изменении температуры и объема тела связана с изменением внутренней энергии ∆U и совершением внешней работы L, и следовательно, в соответствии с законом сохранения энергии

                                                     Q = ∆U+L.                                                                               (4.1)

Соотношение (4.1) называют обычно аналитическим выражением первого закона термодинамики для неподвижного тела. Это выраже­ние устанавливает, что в данном термодинамическом процессе теплота расходуется в двух направлениях: на изменение внутренней энергии и на совершение внешней работы.

В технической термодинамике принимают, что основной формой преобразования теплоты во внутреннюю энергию является изменение кинетической энергии движения молекул (как функции изменения температуры) и потенциальной энергии сил сцепления между молеку­лами (как функции изменения удельного объема).

Для идеальных газов силы сцепления между молекулами равны нулю, и следовательно, внутренняя энергия таких газов зависит только от их абсолютной температуры.

Работа расширения (сжатия) неподвижного тела проявляется в из­менении объема тела V под действием давления р.

Техническая работа. Если теплота сообщается движущемуся в про­странстве телу, например потоку газа или пара, текущему по каналу про­извольной формы, то получаемая при этом внешняя работа, кроме ра­боты расширения, включает еще и другие виды механической энергии. Каждый элемент объема вытесняет равный ему объем вещества, т. е. совершает так называемую работу проталкивания