Термодинамика

6. Основные понятия и определения

6.1. Термодинамика

Термодинамика – это наука о закономерностях трансформации энергии. Основы ее были заложены в связи с развитием тепловых двигателей, когда возникла необходимость изучения закономерностей превращения теплоты в работу. Со временем термодинамика вышла за пределы теплотехники.

Название науки произошло от греческих слов (терме – теплота) и (динамик – сила).

Сейчас термодинамика разделена на физическую термодинамику, химическую термодинамику и техническую термодинамику.

Техническая термодинамика изучает процессы взаимного преобразования теплоты и работы в тепловых двигателях и тепловых машинах (в двигателях внутреннего сгорания, в реактивных двигателях, в паровых и газовых турбинах, в холодильных установках), а также свойства тел, участвующих в этих преобразованиях.

В основу термодинамики положены два основных закона (два начала).

Первый закон термодинамики характеризует количественную связь процессов превращения энергии. Это закон сохранения и превращения энергии. Он универсален и справедлив для всех тел участвующих в процессах.

Второй закон описывает направленность (качественную сторону) процессов, происходящих в физических системах. Он менее универсален и поэтому имеет ограниченное применение.

6.2. Термодинамические параметры и процессы

6.2.1. Термодинамическая система, окружающая среда и рабочее тело

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, поведение которых изучается термодинамическими методами. Все остальные тела, не входящие в состав термодинамической системы объединяются понятием – окружающая среда.

Термодинамические системы состоят из источников теплоты, приемников теплоты и рабочего тела.

Если система не обменивается энергией с окружающей средой, она считается изолированной.

Если же система не изолирована и обменивается энергией с окружающей средой, то ее состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической системы в результате обмена энергии с окружающей средой называется термодинамическим процессом.

Рабочим телом называется промежуточное тело, при помощи которого осуществляется трансформация тепловой энергии в механическую в тепловых двигателях.

В качестве рабочего тела можно использовать твердое, жидкое или газообразное вещество, но наиболее эффективно тепло переходит в работу в телах, способных резко менять свой объем.

Основные типы тепловых двигателей – паротурбинные установки (ПТУ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В ПТУ тепло от продукта сгорания передается кипящей воде, которая превращается в пар, перегревается и поступает на рабочую часть турбины. Температура и давление пара перед турбиной гораздо выше, чем эти параметры окружающей среды, поэтому пар способен совершить работу, расширяясь в проточной части турбины. При этом давление и температура его понижается и отработанный пар поступает в конденсатор и сконденсированная вода насосом подается в котел. Цикл замыкается.

При работе ДВС рабочее тело получается в результате горения горючей смеси в пространстве над поршнем. И так как температура и давление рабочего тела больше температуры и давления окружающей среды, оно совершает работу, расширяясь и передвигая поршень. В ПТУ рабочее тело – пар, в ДВС – газ.