Материал: Белозеров В.И. Учебное пособие по курсу Техническая термодинамика (оригинал)

1. Основные понятия и определения.

Термодинамическая система, окружающая среда,

рабочее тело

Термодинамика – это наука о свойствах энергии в различных ее видах, а также о закономерностях перехода энергии от одних тел к другим и из одного вида в другой. Основой этой науки являются два закона природы – первый и второй законы термодинамики. Используя только эти законы, можно путем математического анализа различных энергетических процессов получить характеристику как самих процессов, так и отдельных теплофизических свойств участвующих в них веществ, не касаясь их микроструктуры.

В процессе развития термодинамика вышла за пределы теории тепловых двигателей, и ее законы в обобщенном виде нашли применение во многих других областях науки и техники. В результате был создан

термодинамический метод исследования любых макроскопических процессов, в которых так или иначе проявляются свойства энергии.

В чистом виде этот метод является строго феноменологическим, т.е. он базируется на эмпирических данных, устанавливает связи только между макроскопическими характеристиками процессов и оставляет в стороне молекулярно-кинетическое представление о строении вещества. Можно привести много примеров того, как термодинамический метод исследования сочетается с молекулярной и статистической физикой.

С развитием общей термодинамики как науки чисто феноменологи- ческой всегда существовала и развивалась прикладная наука, которая в отечественной литературе получила название технической термодинамики, и в ней термодинамический метод синтезируется с теорети- ческими и экспериментальными достижениями молекулярной физики и других наук, а на основе этого синтеза изучаются вопросы технического характера.

Техническая термодинамика вместе с теорией тепло- и массообмена является теоретической базой всей современной теплотехники, и этим предопределяется ее содержание.

Термодинамика изучает различные термодинамические системы.

Термодинамической системой (или просто системой) называется произвольная система физических тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими их физическими телами, или иначе, с внешней средой.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Физико-энергетический факультет

В.И. Белозеров

ТЕХНИЧЕСКАЯ

ТЕРМОДИНАМИКА

Учебное пособие для студентов теплоэнергетических

специальностей

Обнинск 2006

3

лемиустановкисзакритическими.параметрами кихустановок,втомчислеустановкисжидкометаллическимтеплоноситеновки,внеговключеныосновныесведенияоциклахядерныхэнергетичесориентированонастудентов,изучающихядерныепаропроизводящиеустатановок,циклыхолодильных.машинПосколькупособие,впервуюочередь, лыдвигателейвнутреннегосгорания,газотурбинныхипаротурбинныхус- .ровДостаточноподробноизложеныпроцессысжатиявкомпрессорах,цик- рассмотреныосновныетермодинамическиепроцессыистечениягазовипаКромефундаментальныхзаконовтермодинамикивнастоящемпособии чаяхоставаться.неизменной ся,аполнаяэнтропияможеттольковозрастатьиливидеализированныхслугосостояниявдругое,полнаяэнергияостаетсянеизменной,.е.тсохраняетсистемаобладаетэнергиейи.энтропиейКогдавеществопереходитизодно- носитсякпонятию«энергия»,адругое–кпонятиюКаждая.«энтропия» Восноветермодинамикилежатдвазакона,илиначала:одноизначалотвановтороеначало.термодинамики лированыидеи,заложившиеосновутермодинамики,ифизическиобосноогняиомашинах,способныхразвиватьэтусилу»,вкоторойбылисформуопубликовалфундаментальнуюработу«Размышленияодвижущейсиле богатства.народовВ1824.гвыдающийсяфранцузкийученыйСаддиКарно источникомтепладлярабочих,нооннеувиделвуглескрытыйисточник причинахбогатстванародов»,вкоторомонподчеркнул,чтоугольслужит В1776.гАдамСмитопубликовалсвойтруд«Исследованиеоприродеи движение,онне.смог поддействиемпара,ноответитьнавопрос,какимобразомпарпорождает выполнилопыт,вкоторомсферическийсосудвращалсявокругсвоейоси совершения.работы)ПочтидветысячилетназадГеронАлександрийский «термодинамика»интерпретируетсяследующимобразом:силакаксредство ческогоязыкаtherme–теплоиdynamic–сила(врусскомпереводеслово превращения.энергииСловотермодинамикаобразованоиздвухсловгре- Внаиболееобщемсмыслетермодинамика–наукаозакономерностях гатель–поршневуюпаровую.машину средствомнагретоговоздуха»,аДжеймсУаттсоздалпервыйтепловойдвиXVIII,.вкогдаСтирлингзапатентовал«машину,котораяпроизводитсилупоОсновытермодинамикикакнаукибылизаложенывовторойполовине особоеместозанимает.термодинамика шенныетребованиякзнаниюфундаментальныхдисциплин,средикоторых тикуновыхметодикрасчетаиконструирования–всеэтопредъявляетповы- освоениемновыхтиповсхемиэлементовоборудования,внедрениемвпракИнтенсивноеразвитиеэнергетикиРоссии,связано,впервуюочередь,с

260.с студентовтеплоэнергетических.специальностей–Обнинск,.2006– Белозеров.И.ВТехническаятермодинамика:Учебноепособиедля

лютное давление, а не избыточное или разряжение.

С физической стороны давление объясняется тем, что молекулы газа или жидкости, находясь в движении, ударяются о стенки. При ударе молекулы изменяется количество ее движения, что вызывает соответственный импульс силы. Величина давления связана с количеством молекул, ударяющихся в единицу времени об единицу площади, и скоростьюпоступательногодвижениямолекул.Дляидеальногогаза,когдамежду молекулами нет взаимодействия, величина давления

где m – масса молекулы газа; C – скорость поступательного движения

i

i-ой молекулы; n – число молекул в единице объема.

Абсолютная температура вещества, обозначаемая Т, является мерой интенсивности хаотического движения его молекул и измеряется в градусах.

Средняя величина кинетической энергии поступательного движения молекул

где n – число молекул в единице объема.

MC2

ãäå k = 1.38 10-23 Дж/град – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Учитывая два предыдущих соотношения, получим

Выражение (2.3) показывает, что абсолютная температура всегда положительна, а нулевое значение ее соответствует состоянию полного покоя молекул. Шкала, в которой температура отсчитывается от этого состояния,называетсяшкалой Кельвина.Измереннаяпоэтойшкалетемпература обозначается Т К.

Изолированной или замкнутой системой является система, не взаимодействующая с окружающей средой, т.е. когда невозможно как тепловое, так и механическое взаимодействие ее с окружающей средой.

Преобразование теплоты в работу осуществляется с помощью рабочего тела и сопровождается изменением его состояния. Рабочим телом называется вещество, способное воспринимать теплоту и совершать работу. Изменение состояния рабочего тела происходит вследствие взаимодействия его с окружающей средой. Это взаимодействие может заключаться

•в подводе теплоты к рабочему телу от какого-либо другого тела (теплоотдатчика) или в отводе теплоты от рабочего тела к другому телу (теплоприемнику);

•в преодолении рабочим телом внешних сил и совершении им работы расширения (или сжатия рабочего тела внешними силами с затратой работы извне).

2. Термические (основные) и калорические

параметры состояния системы и их единицы

измерения

В зависимости от внешних условий один и тот же газ может находиться в различных состояниях. Каждое из таких состояний может быть охарактеризовано конкретными значениями ряда макроскопических (т.е. относящихся ко всему газу в целом) величин, называемых термодинамическими параметрами. Это означает, что каждому состоянию газа соответствует одно и только одно значение каждого из термодинамических параметров.

Чтобы однозначно охарактеризовать состояние вещества, нет необходимости задавать значения всех параметров. Вполне достаточно для этого трех (любых), поэтому в технической термодинамике в качестве основных используются те три параметра, которые имеют конкретный физический смысл и могут быть непосредственно измерены техническими средствами – удельный объем, давление и температура. Совокупность этих параметров характеризует тепловое состояние тела, поэтому их называют термическими параметрами.

Удельным объемом газа, обозначаемым буквой v, называется объем, занимаемый 1 кг данного газа. Так, если масса всего вещества

М кг, а полный объем V м3, то удельный объем его составляет

7

f

6

ÁÁ

ность равновесных состояний системы (например, все части системы имеют одинаковую температуру и одинаковое давление). Неравновесным называется процесс, при протекании которого система не находится в состоянии равновесия (например, различные температуры, давления, плотности, концентрации и т.д.).

Линия, изображающая изменение параметров в процессе, называется кривой процесса, каждая точка которой характеризует равновесное состояние системы. Графически могут быть изображены лишь процессы, представляющие собой непрерывную последовательность равновесных состояний системы, т.е. равновесные процессы.

Замкнутый процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в начальное работоспособное состояние, называется циклом. Замкнутые термодинамические процессы имеют очень большое практи- ческое значение, т.к. они позволяют непрерывно использовать теплоту для совершения работы, а также передавать теплоту с низшего температурного уровня на высший.

Эффективность превращения теплоты в работу в цикле характери-

зуется термическим к.п.д. цикла Κ , который представляет собой отно-

t

шение работы цикла l к подведенному к системе количеству теплоты q :

Принциппостроения абсолютной (термодинамической) шкалы впервые предложил в 1848 г. английский физик У. Томсон (Кельвин).

В технике же принята международная стоградусная шкала (шкала Цельсия), в которой отсчет ведется от состояния тающего льда при физической атмосфере (соответствующего абсолютной температуре

Т = 273,15 К). Измеренная по этой шкале температура обозначается че- рез t°С. Величина градуса в обеих шкалах одинакова, поэтому пересчет с одной шкалы в другую производится по формуле

T Ê = tîÑ + 273,15 | tîÑ + 273.

Значение каждого из термических параметров определяется одними и теми же факторами, а именно, скоростью движения молекул и средним расстоянием между ними, которые для каждого конкретного состояния вещества имеют вполне определенную величину, поэтому они связаны зависимостью

которая называется термическим уравнением состояния.

Для идеальных газов уравнение состояния может быть получено теоретически из уравнения (2.4):

Pnm kT, m

где m – масса молекулы; nm – масса кубического метра газа, т.е. плотность;

m

(2.6) Выражение (2.6) представляет собой термическое уравнение состо-

яния идеального газа.

Кроме основных (термических) параметров состояния большое зна- чение имеют калорические параметры состояния. Примером калорического параметра состояния является внутренняя энергия рабочего тела U. Обычно для экспериментального определения калорического параметра приходится учитывать количество тепла, т.е. проводить опыт