1 Предмет термодинамики, ее методы, задачи место и роль в системе подготовки инженеров

Термодинамика изучает зако-

ны превращения энергии в различных

процессах, происходящих в макроскопи-

ческих системах и сопровождающихся

тепловыми эффектами. Макроскопиче-

ской системой называется любой матери-

альный объект, состоящий из большого

числа частиц. Размеры макроскопиче-

ских систем несоизмеримо больше разме-

ров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования

рассматривают техническую или химиче-

скую термодинамику, термодинамику

биологических систем и т. д. Т е х н и ч е-

ская термодинамика изучает

закономерности взаимного превращения

тепловой и механической энергии и свой-

ства тел, участвующих в этих превраще-

ниях. Вместе с теорией теплообмена она

является теоретическим фундаментом

теплотехники. На ее основе осуществля-

ют расчет и проектирование всех тепло-

вых двигателей, а также всевозможного

технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопиче-

ские системы, термодинамика изучает

закономерности тепловой формы движе-

ния материи, обусловленные наличием

огромного числа непрерывно движущих-

ся и взаимодействующих между собой

микроструктурных частиц (молекул, ато-

мов, ионов).

Физические свойства макроскопиче-

ских систем изучаются статистическим

и термодинамическим методами. Стати-

стический метод основан на использова-

нии теории вероятностей и определенных

моделей строения этих систем и пред-

ставляет собой содержание статистиче-

ской физики. Термодинамический метод

не требует привлечения модельных пред-

ставлений о структуре вещества и явля-

ется феноменологическим

(т. е. рассматривает «феномены» — яв-

ления в целом). При этом все основные

выводы термодинамики можно получить

методом дедукции, используя только два

основных эмпирических закона (начала)

термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодина-

мического метода мы будем для нагляд-

ности использовать молекулярно-кинети-

ческие представления о структуре ве-

щества.

2 Термодинамическая система

Термодинамическая

система представляет собой совокуп-

ность материальных тел, находящихся

в механическом и тепловом взаимодей-

ствиях друг с другом и с окружающими

систему внешними телами («внешней

средой»).

Выбор системы произволен и дикту-

ется условиями решаемой задачи. Тела,

не входящие в систему, называют окру-

жающей средой. Систему отделя-

ют от окружающей среды контроль-

ной поверхностью (оболочкой).

Так, например, для простейшей систе-

мы — газа, заключенного в цилиндре под

поршнем, внешней средой является окру-

жающий воздух, а контрольными повер-

хностями служат стенки цилиндра и по-

ршень.

Механическое и тепловое взаимодей-

ствия термодинамической системы осу-

ществляются через контрольные повер-

хности. При механическом взаимодейст-

вии самой системой или над системой

совершается работа. (В общем случае на

систему могут действовать также элек-

трические, магнитные и другие силы, под

воздействием которых система будет со-

вершать работу. Эти виды работ также

могут быть учтены в рамках термодина-

мики, но нами в дальнейшем рассматри-

ваться не будут). В нашем примере ме-

ханическая работа производится при пе-

ремещении поршня и сопровождается

изменением объема. Тепловое взаимо-

действие заключается в переходе тепло-

ты между отдельными телами системы

и между системой и окружающей средой.

В рассматриваемом примере теплота мо-

жет подводиться к газу через стенки ци-

линдра.

В самом общем случае система мо-

жет обмениваться со средой и веществом

(массообменное взаимодействие). Такая

система называется открытой. Пото-

ки газа или пара в турбинах и трубопро-

водах — примеры открытых систем. Если

вещество не проходит через границы

системы, то она называется закры-

той. В дальнейшем, если это специально

не оговаривается, мы будем рассматри-

вать закрытые системы.

Термодинамическую систему, кото-

рая не может обмениваться теплотой

с окружающей средой, называют т е п-

ло изолированной или адиа-

батной. Примером адиабатной систе-

мы является газ, находящийся в сосуде,

стенки которого покрыты идеальной теп-

ловой изоляцией, исключающей теплооб-

мен между заключенным в сосуде газом

и окружающими телами. Такую изоляци-

онную оболочку называют адиабатной.

Система, не обменивающаяся

с внешней средой ни энергией, ни ве-

ществом, называется изолирован-

ной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической

системой является рабочее тело,

осуществляющее взаимное превращение

теплоты и работы. В двигателе внутрен-

него сгорания, например, рабочим телом

является приготовленная в карбюраторе

горючая смесь, состоящая из воздуха

и паров бензина.