Глава 2. Термодинамика

1. Общая схема преобразования тепла в работу

Основным процессом, осуществляемым в тепловых двигателях, является процесс преобразования тепла в механическую энергию (в работу).

Одним из наиболее простых и в то же время наиболее распространенных способов преобразования тепловой энергии в механическую является способ, показанный на рис. 2.1. Цилиндр и поршень образуют герметичную камеру, внутри которой находится рабочее тело, например какой-либо газ. Газ, обладая тепловой энергией, оказывает давление на стенки камеры. Под давлением газа поршень перемещается, совершая работу. Таким образом, тепловая энергия газа преобразуется в механическую. Изучение тепловых процессов, в том числе процессов преобразования тепла в механическую энергию, составляет задачу технической термодинамики.

Рис. 2.1. Схема преобразования тепла в работу:

1 - рабочее тело; 2 - цилиндр; 3 - поршень

Термодинамика - это наука о закономерностях превращения энергии. Ос­новы термодинамики были заложены в Х1Х веке, когда в связи с развитием тепло­вых двигателей возникла необходимость изучения закономерностей превращения тепла в работу. Затем метод термодинамики перешагнул пределы теплотехники и нашёл широкое применение в физике, химии и других областях науки.

Принцип построения термодинамики прост. В основу положены два ос­новных закона, установленных опытным путем. Первый закон термодинамики характеризует количественную сторону превращения энергии, а второй закон устанавливает направленность процессов, происходящих в физических системах.

2. Термодинамическое рабочее тело и его параметры

Термодинамическим рабочим телом (ТДРТ) называют вещество, при расширении которого в тепловом двигателе тепло преобразуется в работу.

h

Рис. 2.2. Схема измерения давления с помощью U-образного манометра

В трубке находится какая-либо жидкость. На поверхность жидкости в ле­вом колене действует давление, равное давлению в сосуде, в правом колене - барометрическое давление. Давление, которое оказывает газ на стенки сосуда, назовем абсолютным Р_АБС.

Рассмотрим несколько возможных вариантов:

1. При давлении в сосуде Р_АБС, равном барометрическому давлению Р_БАр, поверхность жидкости в обоих коленах будет находиться на одном уров­не (рис. 2.2, а).

2. Если в сосуде поднять давление на какую-либо величину АР относи­тельно барометрического, то уровень жидкости в левом колене начнет опус­каться, а в правом подниматься до тех пор, пока разность давлений не будет уравновешиваться весом столба жидкости h (рис. 2.2, б).

В данном случае разность давления в сосуде и барометрического давления называется избыточным Р_ИЗБ,. т.е. АР = Р_ИЗБ. Другими словами, избыточным дав­лением можно назвать превышение давления в сосуде над барометрическим:

^АР = ^РИЗБ = ^РАБС ^{- Р}БАР ^{или Р}АБС ^РИЗБ + ^РБАР.

Высота столба жидкости h пропорциональна величине избыточного дав­ления в сосуде, т.е. по высоте столба жидкости h можно судить о значении дав­ления в сосуде.

3. В случае если давление в сосуде снизить на какую-либо величину АР, то уровень жидкости в левом колене начнет подниматься, а в правом опускать­ся до тех пор, пока разность давлений не будет уравновешена весом столба жидкости h (рис. 2.2, в).

Разность давления в сосуде и барометрического давления в данном слу­чае называется вакууметрическим давлением Р _ВАК:

^АР = ^Р ВАК = ^Р БАР ^{- Р} АБС ^{или Р} АБС = ^Р БАР ^{- Р} ВАК.

Таким образом, давление можно разделить на 4 вида:

1. барометрическое Р _БАР - атмосферное давление;

2. избыточное Р_ИЗБ - превышение давления в сосуде над барометриче­ским давлением;