МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО РЫБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. П. А. СОЛОВЬЕВА
ПИРАЛИШВИЛИ Ш. А.
ТЕРМОДИНАМИКА
ТЕРМОДИНАМИКА. ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
РЫБИНСК 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
1 Термодинамика. Основные понятия и определения............... |
5 |
1.1 Введение в предмет и методы термодинамики……………………... |
5 |
1.2 Термодинамическая система и ее состояние………………………... |
6 |
1.3 Параметры состояния…………………………………………………. |
8 |
1.4 Тепловое равновесие. Нулевое начало термодинамики……………. |
9 |
1.5 Термометр и эмпирическая температура……………………………. |
9 |
1.6 Термические и калорические параметры состояния………………... |
11 |
1.7 Термодинамический процесс………………………………………… |
13 |
1.8 Обратимые и необратимые процессы……………………………….. |
14 |
1.9 Стационарные поточные процессы………………………………….. |
15 |
1.10 Круговой процесс или цикл. Прямой и обратный цикл…………... |
16 |
2 Первое начало термодинамики............................................. |
18 |
2.1 Энергия системы. Внутренняя энергия……………………………… |
18 |
2.2 Работа в термодинамике. Механическая работа и механическая энергия……………………………………………………………………… |
20 |
2.3 Работа изменения объема…………………………………………….. |
22 |
2.4 р, – диаграмма……………………………………………………… |
23 |
2.5 Уравнение первого закона термодинамики…………………………. |
24 |
2.6 Энтальпия……………………………………………………………… |
28 |
2.7 Теплоемкость газов. Уравнение Майера…………………………….. |
29 |
2.8 Зависимость теплоемкости от температуры………………………… |
33 |
2.9 Основы молекулярно-кинетической и квантовой теории теплоемкости……………………………………………………………………….. |
35 |
3 Газовые смеси………............................................................. |
38 |
3.1 Способы задания газовой смеси……………………………………... |
38 |
3.2 Термическое уравнение состояния газовой смеси………………….. |
41 |
3.3 Теплоемкость смеси газов……………………………………………. |
44 |
3.4 Энтропия газовой смеси……………………………………………… |
44 |
4 Второй закон термодинамики……........................................ |
48 |
Введение.................................................................................................. |
|
4.1 Термодинамика цикла Карно................................................................ |
|
4.2 Теорема Карно........................................................................................ |
|
4.3 Вторая теорема Карно. Неравенство Клаузиуса................................. |
|
4.4 Логарифмическая термодинамическая шкала температуры............. |
|
4.5 Шкала термодинамической температуры Кельвина.......................... |
|
4.6 Энтропия и второй закон термодинамики.......................................... |
|
4.7 Применение первого и второго законов термодинамики к изолированным системам……………………………………………………….. |
49 |
4.8 Энтропия и энтальпия несжимаемой среды………………………… |
50 |
4.9 T, S – диаграмма………………………………………………………. |
52 |
5 Политропные процессы…………….......................................... |
54 |
5.1 Анализ политропного процесса……………………………………… |
54 |
5.2 Частные случаи политропных процессов…………………………… |
59 |
5.2.1 Изохорный
процесс
|
59 |
5.2.2 Изобарный
процесс
|
60 |
5.2.3 Изотермический
процесс
|
62 |
5.2.4 Адиабатный
процесс
|
63 |
5.3 Взаимное расположение политропных процессов в р, – и T, s – диаграммах…………………………………………………………………. |
66 |
5.4 С, n – диаграмма политропных процессов………………………….. |
68 |
5.5 Экспериментальные методы определения показателя политропы... |
69 |
6 Второе начало и необратимость процессов преобразования энергии....................................................................................... |
83 |
6.1 Необратимость теплообмена…………………………………………. |
83 |
6.2 Перенос и производство энтропии…………………………………... |
85 |
6.3 Диссипация энергии………………………………………………….. |
86 |
6.4 Эксергия и анергия…………………………………………………… |
88 |
6.5 Преобразование тепла в полезную работу………………………….. |
89 |
6.6 Эксергия и анергия стационарного потока…………………………. |
93 |
6.7 Определение потерь эксергии……………………………………….. |
95 |
6.8 Диаграмма потоков эксергии и анергии……………………………. |
96 |
6.9 Влияние окружающей среды на преобразование энергии………… |
100 |
6.10 Баланс энтропии для стационарного поточного процесса……….. |
101 |
7 Термодинамические свойства чистых реальных веществ.... |
106 |
7.1 Термическое уравнение состояния. р, , T – поверхность…………. |
106 |
7.2 р, – р, Т – , T – диаграммы………………………………………… |
108 |
7.3 Опыты Эндрюса………………………………………………………. |
109 |
7.4 Ван-дер-Ваальсовский газ…………………………………………… |
111 |
7.5 Уравнение Ван-дер-Ваальса………………………………………… |
112 |
7.6 Внутренняя энергия Ван-дер-Ваальсовского газа…………………. |
113 |
7.7 Выражение критических параметров через коэффициенты a и b…. |
114 |
7.8 Экспериментальные изотермы……………………………………….. |
115 |
7.9 Фазовые превращения………………………………………………… |
116 |
7.10 Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса…………………………. |
117 |
7.11 Термическое уравнение состояния для жидкостей и газов……….. |
118 |
7.12 Условия равновесия в гетерогенной области……………………… |
120 |
7.13 Свойства вещества в критическом состоянии…………………….. |
121 |
8 Влажный пар.......................................................................... |
124 |
8.1 Процесс парообразования……………………………………………. |
124 |
8.2 Параметры состояния в области насыщения. Правило «рычага»…. |
125 |
8.3 Изохорный процесс изменения состояния пара……………………. |
127 |
8.4 Изобарный процесс изменения состояния водяного пара…………. |
130 |
8.5 Изотермический процесс изменения состояния водяного пара….. |
132 |
8.6 Адиабатный процесс изменения состояния водяного пара………... |
133 |
9 Влажный газ…........................................................................ |
139 |
9.1 Основные понятия и определения…………………………………. |
139 |
9.2 Экстенсивные свойства влажного воздуха………………………… |
142 |
9.3 Характерные особенности изменения состояния влажного воздуха…………………………………………………………………………… |
143 |
9.4 i, d – диаграмма влажного воздуха………………………………… |
145 |
9.5 Основные процессы влажного воздуха……………………………. |
147 |
9.6 Процессы в конвективной сушилке………………………………… |
149 |
9.7 Примеры решения задач на влажность…………………………….. |
151 |
10 Третье начало и элементы статической термодинамики |
156 |
10.1 Третье начало термодинамики……………………………………… |
156 |
10.2 Недостижимость абсолютного нуля……………………………….. |
158 |
10.3 Статистическая природа второго начала термодинамики……….. |
159 |
10.4 Формула Больцмана ……………………………………………….. |
161 |
10.5 Статистическая формулировка второго и третьего начала………. |
163 |
10.6 Состояние с отрицательной температурой………………………… |
163 |
11 Флуктуация…........................................................................... |
166 |
11.1 Флуктуации плотности в газе………………………………………. |
167 |
11.2 Броуновское движение……………………………………………… |
168 |
11.3 Уравнение Ланжевена ……………………………………………… |
169 |
11.4 Уравнение Фоккера-Планка……………………………………….. |
172 |
Библиографический список.......................................................... |
|
……………………………………….
……………………………………….
…………………………………
………………………………………..
|
Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое на меня произвела классическая термодинамика. Это единственная теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута. А. Эйнштейн
|
1 Термодинамика. Основные понятия
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1 Введение в предмет и методы термодинамики
Несмотря на достаточно большой срок развития, термодинамика не консервативна и продолжает совершенствоваться в наши дни. Это подчеркивается возросшим за последние два десятилетия интересом к ней как к науке. Существенно расширяются сферы ее практического приложения к различным явлениям и техническим устройствам: проблемы прямого преобразования энергии в топливных элементах, термоэмиссионных генераторах, МГД-генераторах; вопросы безотходной технологии, биоэнергетика, вторичные энергоресурсы, нанотехнологии – вот далеко не полный перечень актуальной проблематики современной термодинамики. Непрерывно продолжает расти перечень использования рабочих тел и областей их применения. Не до конца еще вскрыты внутримолекулярные и межмолекулярные связи и механизмы, управляющие теплофизическими свойствами веществ. Ждет своего термодинамического освещения явление высокотемпературной сверхпроводимости.
Современное состояние развития термодинамики в состоянии дать ответы, а также провести достаточно глубокий анализ всех этапов развития реального процесса, связанного с превращением энергии термодинамических систем (веществ) в полезную работу. На термодинамику в рамках рассматриваемого курса необходимо смотреть как на составную часть теоретических основ теплофизики и теплотехники. Этому способствует и развитие термодинамики необратимых (неравновесных) процессов, благодаря которой стало возможным изучение сложных явлений, состоящих из одновременно протекающих нескольких процессов разной физической природы. И кто знает, может быть, в будущем оправдаются мысли о реальной взаимосвязи процессов, протекающих в живой и неживой природе, то есть об общей термодинамической теории природы, базирующейся на предельно универсальной парадигме.
Термодинамика – наука, изучающая превращение энергии при протекании всевозможных макроскопических процессов изменения состояния, происходящих с различными телами, а также полями.
Энергия – один из наиболее общих и универсальных параметров состояния термодинамической системы, ибо она отражает меру движения материи, являясь ее неотъемлемой частью и обусловленную внутренними противоречиями.
Именно поэтому термодинамика является основой анализа всех макро- и микроскопических процессов, в том числе и условий равновесия термодинамических систем.
Термодинамика развита на базе аксиоматических принципов. Фундаментальные общие законы природы используются в ней в качестве отправных аксиом, которые принято называть началами (принципами) или законами термодинамики. На базе этих аксиом, путем логических умозаключений, математического описания и обобщения выводятся все следствия, описывающие поведение различных термодинамических систем и протекающих в них процессов.
Классическая термодинамика, базирующаяся на выше отмеченных началах (принципах), является феноменологической наукой, исходящей не из ограниченных по своей сути модельных представлений, а из самых общих соображений, позволяющих выявить всесторонние связи и установить соответствующие количественные соотношения. Многих ученых с мировым именем очаровала удивительная сила и плодотворность термодинамического метода.
Статистическая физика пользуется иными методами. Изучая поведение отдельных корпускул, используя аппарат математической статистики и теории вероятности, она приходит к количественным зависимостям для всего ансамбля корпускул в целом как термодинамической системы. Несмотря на различные подходы, результаты и выводы классической термодинамики и статистической физики одинаковы.