Билет №1

Термодинамика как наука сложилась во второй половине XIX века. Первоначально она создавалась для объяснения тепловых явлений и преобразований тепловой энергии в механическую в тепловых машинах, которые в это время широко внедрялись в жизнь человека. В настоящее время термодинамика является наукой о законах превращения форм энергии в физических, химических, биологических и других процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами и не только ими, то есть, в самом общем смысле это наука об энергии и ее свойствах.

Количественной мерой энергетического взаимодействия тел является работа. Это наиболее общий закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Рис. В.1. Схема областей практического использования технической термодинамики (ТТД) в деятельности человека

Ж ирным шрифтом выделены области прямого использования ТТД

Билет №2

Термодинамическая система – это тот объект, который изучает техническая термодинамика. Термодинамической системой называется любая совокупность материальных тел, заключенная внутри заданных или произвольно выбранных границ. Все, что находится вне границ термодинамической системы, называется внешней средой. Термодинамические системы подразделяются:

- на гомогенные – однородные по составу и физическим свойствам во всем объеме. Например, воздух, вода, металл и т.п., находящиеся в заданном объеме (рис.1.1, а);

- гетерогенные – состоящие из разнородных тел, отделенных друг от друга поверхностями раздела. Например, кислород и азот в газообразном состоянии, находящиеся в емкости с непроницаемой перегородкой (рис.1.1, б). Если эту перегородку убрать и газы перемешаются, то система будет уже гомогенной;

- открытые или закрытые – с проницаемыми для вещества границами или нет. Например, завязанный и развязанный воздушный шарик (рис.1.2);

- неизолированные или изолированные – находящиеся в энергетическом взаимодействии с внешней средой или нет. Полностью изолированных систем в природе не бывает. Бывают только частично изолированные системы: теплоизолированные – адиабатные (рис.1.3), механически изолированные – в жесткой оболочке и т.д.

Билет №3

Термодинамическая система характеризуется определенными значениями ее свойств. Эти свойства термодинамического тела (системы) называются параметрами состояния.

Параметры состояния – любая величина, присущая телу, изменение которой определяется только начальным и конечным состоянием тела и не зависит от характера процесса изменения его состояния, при переходе тела из первого состояния во второе.

Параметры можно разделить на две группы:

интенсивные – которые не зависят от количества вещества и при взаимодействии тел выравниваются (температура, давление и т.п.);

экстенсивные – зависящие от количества вещества, следующие закону сложения или, как говорят математики, закону аддитивности (масса, объем, внутренняя энергия и т.п.).

Измерение экстенсивной величины производится сравнением ее с такой же по природе величиной, выбранной за единицу – эталон (метр, килограмм и т.п.). Измерение интенсивной величины основано на использовании объективной связи между изменениями этой интенсивной величины и какой-либо экстенсивной величины. Например, связь температуры и объема жидкости в термометре приводит к измерению температуры с помощью длины столбика жидкости в термометре.

Некоторые экстенсивные величины приобретают свойства интенсивных, если их рассматривают применительно к единице массы данного вещества (удельные объем, энтальпия и т.п.).

Все термодинамические параметры введены человеком для удобства изучения окружающего мира. Однако не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют единицы измерения работы (энергии) джоуль или калория. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия.

Билет №4

Не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют единицы измерения работы (энергии) джоуль или калория. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия. Такие параметры получили название энергетических или калорических параметров или функций состояния. Параметры, которые возможно измерить приборами, называются термическими. Например, к этим параметрам относятся температура и давление.

Основные термические параметры состояния

Понятие термических параметров состояния относится к таким параметрам, которые могут быть непосредственно измерены с помощью приборов. К основным термическим параметрам состояния относятся: удельный объем, давление и температура.

Удельный объем

Удельный объем – это объем единицы массы вещества (м³/кг):

, (1.1)

где V – объем тела, м³; m – масса тела, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью (кг/м³):

. (1.2)

В практике часто используется понятие удельного веса – это вес единицы объема тела (Н/м³):

, (1.3)

где g – ускорение свободного падения (приблизительно 9,81 м/с²).

При переводе любой величины в СИ, например  из 1 г/см³, необходимо руководствоваться следующим правилом: все величины формулы (1.3) представляют в единицах СИ и выполняют с ними действия арифметическими операторами формулы:

 = 1 г/см³ = 9,81·10^-3/10^-6 = 9,81·10³ Н/м³.

При этом надо помнить, что 1 кгс = 9,81 Н. Этим соотношением часто пользуются при переводе несистемных единиц в СИ.

Температура

Температура – представляет собой меру нагретости тел. В быту температуру отождествляют с понятиями тепло – теплый и холодно – холодный.

В технической термодинамике под температурой понимается величина, пропорциональная энергии движения молекул и атомов данного тела.

Для твердого тела с жесткой кристаллической решеткой температура будет пропорциональна внутренней энергии колебательного движения атомов в молекуле.

Для жидкого и газообразного тела абсолютная температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии беспорядочного движения молекулы, приходящейся на одну степень свободы ее движения (поступательного). Эту зависимость для газов можно выразить в виде

, (1.10)

где  – коэффициент пропорциональности;

Т – абсолютная температура, К;

m – масса одной молекулы, кг;

W – средняя скорость поступательного движения молекулы на одну степень свободы, м/с.

Температура определяет направление перехода тепловой энергии (теплоты). Теплота переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Этот процесс энергетического обмена будет самопроизвольно протекать до полного выравнивания температур обоих тел. При этом у первого тела температура будет уменьшаться, а у второго – увеличиваться до установления термического равновесия.

Температура, так же как и давление, относится к интенсивным параметрам, ее измерение осуществляется с использованием экстенсивных свойств вещества. Например, через изменение объема в жидкостных термометрах или электрического сопротивления в термометрах сопротивления, через изменение ЭДС в спае термопары и т.п.

Н а практике используются две температурные шкалы (рис.1.7). Абсолютная шкала температур Кельвина – ее нижняя граница соответствует точке абсолютного нуля, где отсутствует молекулярное движение (практически недостижима) и единственной экспериментальной точкой принята тройная точка воды, лежащая выше точки таяния льда при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт.ст.) на 0,01 ^о, этой точке присвоено значение температуры 273,16 К. Это значение выбрано для того, чтобы разность температур кипения и таяния химически чистой воды при нормальном физическом давлении составляла 100 ^о. Температура в кельвинах соответствует СИ и обозначается как Т К.

Вторая – стоградусная шкала температур Цельсия – широко используется в практике. Эта шкала имеет две опытные точки: 0 ^оС и 100 ^оС, она всем хоошо известна. Температура на ней обозначается как t ^оС. Между абсолютной температурой по шкале Кельвина и температурой по шкале Цельсия имеется соотношение:

T = t + 273,15 . (1.11)

Из (1.11) следует, что температуре 0 ^оС соответствует температура +273,15 К; а 0 К соответствует -273,15 ^оС.

В англоязычных странах и США используется шкала Фаренгейта, для которой справедливо соотношение F = 1,8t + 32.

В дальнейшем изложении материала будет использоваться абсолютная шкала температур Кельвина, как и требует Международная система единиц (СИ). В тех случаях, где практическая целесообразность диктует использование шкалы Цельсия, она будет приводиться совместно со шкалой Кельвина.

Билет №5

Не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют единицы измерения работы (энергии) джоуль или калория. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия. Такие параметры получили название энергетических или калорических параметров или функций состояния. Параметры, которые возможно измерить приборами, называются термическими. Например, к этим параметрам относятся температура и давление.