ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика - наука об энергии и ее свойствах, изучающая закономерности превращения энергии в различных физических, химических и других процессах. С точки зрения термодинамики, все превращения одних видов энергии в другие осуществляются в двух единственно возможных формах: в форме работы и в форме теплоты.
Основы термодинамики были заложены в первой половине XIX в. С. Карно, изучавшим закономерности превращения тепловой энергии в механическую в тепловых двигателях, поэтому и наука получила название термодинамики (от греческих слов "термос" - теплота и "динамис" - сила), т. е. наука о силах, связанных с теплотой. Задачей термодинамики XIX в., получившей название технической термодинамики, было создание теории тепловых двигателей (паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин) и холодильных установок; изучение свойств рабочих тел (паров и газов), с участием которых осуществляются энергетические превращения; создание диаграмм состояния рабочих тел, необходимых для расчетов теплосиловых и холодильных установок.
В настоящее время в связи с разработкой методов прямого преобразования природных видов энергии в электроэнергию и использованием ядерной и солнечной энергии задачи технической термодинамики существенно расширились.
Техническая термодинамика основывается на двух экспериментально установленных законах. Первый представляет собой выражение закона сохранения и превращения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы, второй устанавливает направление макроскопических процессов в природе. Действие второго закона ограничено макросистемами конечных размеров, доступными для непосредственного наблюдения. К микросистемам второй закон термодинамики неприменим, а следовательно, неприменимы и выводы термодинамической теории.
Метод термодинамического исследования заключается в применении законов термодинамики к различным процессам и в их логическом развитии с использованием математического аппарата.
РАБОТА И ТЕПЛОТА
В зависимости от целей и задач исследования виды энергии можно классифицировать по-разному. Например, во введении была дана технико-экономическая классификация природных энергетических ресурсов. По термодинамической классификации различают внешнюю и внутреннюю энергию тел.
Внешняя энергия тел складывается из кинетической энергии (энергии движения тела как целого) и потенциальной (энергии положения тела в силовом поле - гравитационном, магнитном и т. д.). В состав последней входит также потенциальная энергия давления, за счет которой осуществляется перемещение потока газа или жидкости в каком-либо канале (энергия проталкивания).
Внутренняя энергия тела складывается из энергии движения, положения и взаимодействия элементарных частиц, из которых оно состоит.
Любой вид энергии Е является однозначной функцией состояния тела, поэтому изменение энергии Δ E не зависит от пути перехода тела из одного состояния в другое и целиком определяется значениями этой энергии в начальном Е 1 и конечном Е 2 состояниях. Это означает, что элементарное изменение энергии dE является полным дифференциалом и, следовательно,
В общем случае состояние системы определяется совокупностью показателей, характеризующих самые разнообразные ее свойства. Например, при подъеме груза с одного этажа здания на другой в лифте и по лестнице его внешняя потенциальная энергия в поле тяготения земли изменится одинаково. В данном случае состояние тела определяется высотой подъема его над поверхностью земли.
Двум видам энергии в термодинамике соответствуют и две формы передачи энергии - работа и теплота (тепло).
Работа - это форма передачи внешней энергии, связанная с перемещением тел в силовом поле или с изменением объема тел под действием внешнего давления. В первом случае говорят о работе перемещения, во втором - о работе изменения объема. Работа перемещения имеет место в рассмотренном выше примере подъема груза. Если этот подъем осуществляется вручную, то увеличение внешней потенциальной энергии груза происходит за счет мускульной энергии человека. Примером работы изменения объема может служить работа сжатия газа в цилиндре под действием давления на поршень какого-либо груза. При этом за счет уменьшения внешней потенциальной энергии груза будет увеличиваться внутренняя энергия газа.
Теплота - форма передачи внутренней энергии от тел более нагретых к телам менее нагретым. Передача энергии в форме теплоты возможна либо при непосредственном контакте между телами (теплопроводность, конвекция), либо лучистым способом.
Всегда, когда выполняется работа или проявляется теплота, имеются, по меньшей мере, два тела. Одно из них передает энергию другому, в результате чего энергия первого тела уменьшается, а энергия второго тела увеличивается, поэтому работа и теплота являются также количественными мерами изменения энергии этих тел и в системе СИ измеряются в джоулях (Дж).
Количество работы L и количество теплоты Q, отнесенные к массе тела т (кг), называют соответственно удельной работой l = L / m и удельной теплотой q = Q / m и измеряют в Дж/кг.
В общем случае взаимодействия тел обмен энергией между ними может происходить одновременно и в форме работы, и в форме теплоты. При этом соотношение между количеством работы и теплоты будет зависеть от условий взаимодействия тел, т. е. от пути перехода тел из начального состояния в конечное. Таким образом, работа и теплота являются функциями процесса, они не проявляются, если состояние тела не меняется. Нельзя говорить об изменении работы и теплоты в том смысле, как говорят об изменении энергии. Работа может совершаться телом и затрачиваться извне, теплота может подводиться к телу и отводиться от него. Следовательно, элементарная работа δ L и элементарная теплота δ Q не являются полными дифференциалами. Работа и теплота могут быть определены интегрированием, если известны начальное и конечное состояния и условия протекания процесса:
Общность свойств работы и теплоты как форм передачи энергии не исключает их качественного различия, которое заключается в том, что работа может быть непосредственно использована для пополнения запаса любого вида энергии (электрической, механической, внутренней и др.), а теплота непосредственно может быть использована только для пополнения запаса внутренней энергии.
В рамках данной книги, как это принято в классической технической термодинамике, ограничимся рассмотрением только тех случаев, когда работа идет на пополнение запаса механической
энергии (в теплосиловых установках) или внутренней тепловой энергии (в холодильных установках).
В термодинамике принято считать: совершенную телом работу - положительной |δ L > 0|, затраченную извне - отрицательной |δ L < 0|; подведенную к телу теплоту - положительной |δ Q > 0|, отведенную - отрицательной |δ Q < 0|.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Для термодинамического изучения какого-либо явления природы из множества макроскопических тел материального мира с помощью контрольной поверхности выделяется термодинамическая система. Тела, остающиеся за пределами контрольной поверхности, называются окружающей средой. В общем случае термодинамическая система представляет собой совокупность тел, способных энергетически взаимодействовать между собой и с окружающей средой, а также обмениваться с последней веществом. В частном случае как термодинамическую систему можно рассматривать и отдельно взятое тело, например объем газа, заключенный в цилиндре с поршнем или движущийся по какому-либо каналу. В технической термодинамике среди тел, входящих в систему, различают рабочие тела, источники теплоты и приемники теплоты. Под энергетическим взаимодействием в общем случае подразумевают обмен энергией в форме работы и теплоты.
Классификацию термодинамических систем проводят в зависимости от свойств самой системы и контрольной поверхности.
Неизолированная система может обмениваться с окружающей средой и работой, и теплотой (контрольная поверхность обладает свойствами деформируемости и теплопроводности).
Адиабатная система не может обмениваться теплотой с окружающей средой (контрольная поверхность имеет идеальную тепловую изоляцию).
Изолированная система не может обмениваться ни теплотой, ни работой с окружающей средой (абсолютно жесткая контрольная поверхность с идеальной тепловой изоляцией).
Закрытая система не может обмениваться веществом с окружающей средой. Примером такой системы является объем газа в цилиндре двигателя в процессах сжатия и расширения.
Открытая система может обмениваться веществом с окружающей средой. Следовательно, для открытой системы возможен обмен энергией с окружающей средой не только в форме работы и теплоты, но и перенос энергии с массой вещества, называемый массообменом. Примером открытой системы является поток рабочего тела в турбомашинах.
Однородная система имеет во всех своих точках одинаковый состав и одинаковые свойства. Любой физически однородный вид системы называется фазой.
Гомогенная система состоит из одной фазы вещества.
Гетерогенная система состоит из нескольких гомогенных частей, отделенных друг от друга поверхностями раздела.