1 Вопрос. Основные понятия термодинамики.

Термодинамика - это наука о свойствах энергии в различных ее ви­дах, а также о закономерностях перехода от одних тел к другим и из одно­го вида в другой. Основой этой науки являются два закона природы, дос­товерность которых подтверждается всем опытом человечества - первый и второй законы термодинамики.

Фундаментальными понятиями технической термодинамики являют­ся теплота и работа. Оба эти понятия неразрывно связаны с процессами передачи энергии от одних тел к другим.

Совокупность тел, участвующих в таких процессах, рассматривае­мая в энергетическом взаимодействии с внешней средой, называется тер­модинамической системой. Если термодинамическая система не может отдавать энергию в ка­кой бы то ни было форме вовне и не может получать извне, то она называ­ется изолированной; если система не может обмениваться теплотой с ок­ружающими телами, но способна совершать над ними работу или быть объектом внешней работы, то она называется термически изолированной; наконец, если система не может совершать работу над окружающими те­лами или быть объектом внешней работы, но способна к взаимному тепло­обмену с этими телами, то она называется механически изолированной.

Внутренняя энергия тела обусловлена невидимым движением со­ставляющих его молекул и наличием сил взаимодействия между ними. Суммарный запас ки­нетической и потенциальной энергий всех молекул тела образует его внут­реннюю или тепловую энергию, обозначаемую в дальнейшем буквой U.

Передача энергии от одного тела к другому может происходить дву­мя принципиально различными способами. первое тело совершает над вторым механическую работу, измеряемую произведением силы на путь. При этом величина работы равна убыли запаса энергии у тела, совершающего рабо­ту, и увеличению запаса энергии у тела, над которым совершается работа.

энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому телу непосредственно, без совер­шения механической работы. В этом случае передаваемая энергия называ­ется теплотой, а сам процесс передачи энергии - теплообменом. В ре­зультате теплообмена тепловая энергия у более нагретого тела уменьшает­ся, а у менее нагретого - увеличивается.

Для осуществления такого процесса в тепловом двигателе рабочее тело, с помощью которого он совершается, должно обладать способностью легко и быстро расширяться или сжиматься. Этому требованию удовле­творяют газы и пары, поскольку вследствие хаотического движения слабо связанных между собой молекул они всегда занимают весь предоставлен­ный им объем.

одной из важнейших задач технической термоди­намики является изучение физических свойств газов и паров. У газов размеры молекул исчезающе малы по сравнению с расстоянием между ними и силы взаимного притяжения ничтожны. По­этому для простоты, без существенной погрешности, их можно отнести к идеальным газам, у которых силы молекулярного притяжения вообще отсутствуют, а сами молекулы представляют собой материальные точки, объем которых равен нулю.

В противоположность этому такое упрощение применительно к па­рам и дает большую погрешность, поэтому в технической термодинамике они относятся к реальным газам, и их свойства изучаются с учетом как сил взаимного притяжения молекул, так и конечности их объема.

2 вопрос параметры состояния рабочего тела

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 величин, называемых термоди­намическими параметрами. Это означает, что каждому состоянию газа со­ответствует одно и только одно значение каждого из термодинамических параметров.

Чтобы однозначно характеризовать состояние газа ис­пользуются три параметра, которые имеют конкретный физический смысл и могут быть непосредственно измерены техническими средствами - удельный объем, давление и температура. Совокупность этих трех пара­метров характеризует тепловое состояние тела, поэтому их называют тер­мическими параметрами.

Удельным объемом газа, обозначаемым буквой 3, м /кг, называется объем, занимаемый 1 кг данного газа. Так, если масса всего газа равна М кг, а полный объем V м .

Абсолютное давление газа, обозначаемое буквой p, является сред­ним результатом ударов молекул о поверхность, ограничивающую объем, занимаемый газом. Оно представляет собой силу, отнесенную к единице площади этой поверхности и действующую со стороны газа в направле­нии, нормальном по отношению к ней. Поэтому в системе СИ основной единицей давления является 1 Н/м . Кроме того, в технике широко применяются удобные для практики единицы: бар (1 бар = 10 Н/м ), атмосфера (1 ат = 10000 кгс/м ), миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст =

13,6 кгс/м ), миллиметр водяного столба (1 мм вод. ст. = 1 кгс/м ).

Давление земной атмосферы зависит от высоты и метеорологических условий в данный момент. В среднем над уровнем моря оно равно 760 мм рт. ст. = 1,03 ат. Эта величина называется нормальным давлением.

Если абсолютное давление газа в сосуде больше атмосферного, то разность между ними называется избыточным давлением. Если же абсо­лютное давление газа меньше атмосферного, то разность между ними на­зывается разрежением или вакуумом.

Абсолютная температура газа, обозначаемая буквой Т, является ме­рой интенсивности хаотического движения его молекул и измеряется в градусах. При тепловом равновесии двух тел, когда теплообмен между ними отсутствует, температуры их одинаковы. А поскольку при этом рав­ны и средние кинетические энергии поступательного движения молекул этих тел, то очевидно, что между ними существует прямая связь.

абсолютная температура всегда положительна, а нулевое значение ее соответствует состоянию пол­ного покоя молекул.

Шкала, в которой температура отсчитывается от этого состояния, на­зывается шкалой Кельвина. Измеренная по этой шкале температура обо­значается через Т, К. В технике же принята международная стоградусная шкала (шкала Цельсия), в которой отсчет ведется от состояния тающего льда при нормальном давлении (соответствующая абсолютной температу­ре Т = 273,15 К). Измеренная по этой шкале температура обозначается че­рез t ⁰С.

наиболее естественным является такое состояние газа, при котором удельный объем, давление и температура, а вместе с ними и все остальные параметры, име­ют одинаковое значение во всех точках объема, занимаемого газом. Такое термодинамическое состояние газа называется равновесным. Внешние воз­действия (например, односторонний нагрев или перемещение поршня в цилиндре, заполненном газом) нарушают равновесие, и параметры газа перестают быть одинаковыми во всех точках, но после того, как внешнее возмущение прекратится, газ вновь приходит самопроизвольно к состоя­нию равновесия.

всякий реальный процесс перехода газа из одного состояния в другое неизбежно связан с нарушением термодинамического равновесия, и каждое из промежуточных состояний его является неравно­весным.

Однако в технической термодинамике реальные условия идеализи­руются. В ней рассматриваются только равновесные состояния газа, а вся­кий процесс перехода его из одного состояния в другое рассматривается как непрерывная последовательность переходов газа от одного равновес­ного состояния к другому, бесконечно близкому к нему равновесному со­стоянию. Это дает возможность характеризовать каждое из промежуточ­ных состояний газа конкретными значениями рассмотренных выше терми­ческих параметров p, 3 и Т.

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 га­за имеют вполне определенную величину.

f (p,3,T) = 0,

называется термическим уравнением состояния.

Выражая каждый из термических параметров как явную функцию двух остальных, данное уравнение можно предоставить в одной из сле­дующих формул

p = f1(3,T );3 = f2( p,T );T = f3( p,3).

Эти уравнения показывают, что из трех параметров, определяющих состояние газа, независимыми являются только два, а третий является их функцией. Следовательно, термодинамическое состояние газа можно счи­тать известным, если заданы значения двух его параметров, поскольку тре­тий параметр может быть вычислен из уравнения состояния.