Глава 1. ОСНОВЫТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия тепловых машин, аппаратов и устройств.
Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и является (вместе с теорией теплообмена) теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование тепловых двигателей – паровых и газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, а также всевозможного технологического оборудования – компрессорных машин, сушильных и холодильных установок и т.д.
Рассматривая только макроскопические тела, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов).
Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическими и термодинамическими методами. Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет собой содержание статистической физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных представлений о структуре веществ и является феноменологическим (т.е. рассматривает «феномены» – явления в целом).
Термодинамическая система
Термодинамическая система представляет собой совокупность мате-риальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами.
Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). (Для простейшей системы – газа, заключенного в тонком цилиндре под поршнем, внешней средой является воздух, а контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень.)
Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляют через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (Механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема.) Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой.
В общем случае система обмениваться со средой веществом (массообменное взаимодействие) - открытая. Если вещество не проходит через границы – система закрытая. Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплом с окружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной (или замкнутой).
Сами системы, осуществляющие взаимное превращение теплоты и работы (обычно это газы или пары) - называются рабочими телами.
Основные термодинамические параметры состояния
Свойства каждой системы характеризуется рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Основными: температура, давление и удельный объем.
Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением:
, (1.1)
где n – число молекул в единице объема;
m – масса молекулы;
– средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул.
В Международной системе единиц (СИ) давление измеряется в паскалях Па
1 Па = 1 Н/м2
1 кгс/см2 = 1 ат = 98066,5 Па
1 гПа = 102 Па
1 кПа = 103 Па
1 бар = 105 Па
1 МПа = 106 Па.
1 мм. вод. Ст. = 9,81 Па
1 мм. рт. ст. ~ 133,33 Па
Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.
Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, представляющее собой разность между пол
ным или абсолютным давлением р измеряемой среды и атмосферным давлением р атм:
р изб = р – р атм.
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называют вакуумметрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума)
р в = р атм – р,
т.е. избыток атмосферного давления над абсолютным.
Параметром состояния является абсолютное давление. Именно оно входит в термодинамические уравнения.
Ратм = Рt·(1 – β·10-4·t)
Ратм = Рt·(1 – 1,72·10-4·t)
Температура есть мераинтенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение однозначно связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества:
(1.2)
где k – постоянная Больцмана, равная 1,380662∙10-23 Дж/К. Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.
В системе СИ единицей измерения температур является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (°С).
Т, К = t,°C + 273,15.
Удельный объем n - это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой m занимает объем V, то по определению n = V / m.
В системе СИ единица измерения удельного объема есть м3/кг. Связь между удельным объемом вещества и его плотностью:
n = 1/ r.
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные условия»: физические: P = 760 мм рт.ст.= 101,325 кПа; T = 273,15 К; технические: P = 735,6 мм рт. ст. = 98 кПа; t =15°С.
В технической термодинамике обычно используют физические нормальные условия.
Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.
Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и т.д., то она является неравновесной. В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, веществ и т.д., стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может.В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.
Уравнение состояния
Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния. Опыт показывает, что объем, температура и давление простейших систем, которыми являются газы, пары и жидкости, связаны термическим уравнением состояния вида
f (p, n, T) = 0.
Т.е p = f 1 (n, T), n = f 2 (p, T),
T = f 3 (p, n).
Эти уравнения показывают,чтоиз трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых.
В термодинамических системах в качестве рабочего тела часто рассматривают идеальный газ и не учитывают силы взаимодействия молекул, представляющих материальные точки, не имеющие объема.
Уравнением состояния идеального газа является уравнение Клапейрона:
p n = RT (1.3)
или (n = V / m)
p V = mRT, (1.4)
где R – газовая постоянная, характеризующая работу 1 кг идеального газа при постоянном давлении и изменении температуры на 1 К.
Газовые постоянные для различ-ных рабочих тел различны. Умножив обе части уравнения (1.3) на m (молекулярную массу), получим уравнение Клапейрона – Менделеева:
р m n = m R T, (1.5)
где mn – объем киломоля газа при нормальных физических условиях, mn = 22,4 м3/кмоль; m R – универсальная газовая постоянная, m R = 8314 Дж/(кмоль∙К).
Газовая постоянная конкретного рабочего тела в Дж/ (кг∙К):
R = 8314/ m. (1.6)