Лекция 1
Основные понятия и определения
Термодинамика, как самостоятельная наука, возникла в начале 19 века в связи с необходимостью теоретического обоснования тепловых процессов в паровых поршневых машинах. Основным содержанием термодинамики было изучение процессов взаимного превращения теплоты и механической работы, как двух форм обмена энергией.
Техническая термодинамика (ТТД) изучает взаимное превращение тепловой и механической энергий с точки зрения применения этих превращений в технике, устанавливает пути достижения наибольшей полезной работы в различных тепловых двигателях и ТЭУ.
Главным образом, ТТД исследует соотношения между параметрами термодинамических систем и совершаемой работой.
ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ
Параметры состояния – это характеристики состояния вещества, определяющие конкретные физические условия и однозначно определяющие состояние рассматриваемого вещества.
Параметры состояния бывают интенсивные и экстенсивные.
Интенсивные – параметры, не зависящие от количества вещества (давление, температура).
Экстенсивные – параметры, зависящие от количества вещества (объем, внутренняя энергия, энтропия и др.). Все экстенсивные параметры обладают свойством аддитивности (суммироваться).
Экстенсивные параметры приобретают свойства интенсивных, если их значения отнесены к единице количества вещества (удельные величины, отнесенные к 1 кг вещества; объемные величины, отнесенные к 1 м3 вещества; молярные величины, отнесенные к 1 кмоль вещества).
Параметры, отражающие внутреннюю тепловую энергию, называют калорическими (внутренняя энергия, энтальпия, энтропия).
Температура, давление и удельный объем являются основными параметрами состояния. Их также называют термическими параметрами состояния.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии.
В ТТД материальные тела, входящие в состав системы, по их роли делят на горячие и холодные источники тепла (или теплоотдатчики и теплоприемники) и рабочие тела.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Термодинамическим процессом называется всякое изменение состояние тела или системы, связанное с тепловыми явлениями.
Все процессы в термодинамической системе делятся на равновесные и неравновесные.
ТЕПЛОТА И РАБОТА
Изменение состояния термодинамической системы всегда связано с обменом энергией с окружающими ее телами. В рассматриваемых термодинамических процессах передача энергии происходит только в двух возможных формах – в форме теплоты и в форме работы.
Количество энергии, переданной в форме хаотического (теплового) движения частиц, называют количеством тепла Q, или теплотой.
Количество работы L, или также работой называют количество превращенной энергии из одного вида в другой.
ТЕПЛОЕМКОСТЬ
Теплоемкостью тела называется количество тепла, необходимое для нагрева тела на один градус, в данном процессе
С = dQ / dТ, [Дж/К]
где dQ – количество тепла, подведенное в каком-либо процессе.
ВИДЫ ЭНЕРГИЙ
Почти все виды энергии, рассматриваемые в ТТД, за исключением тепловой представляют собой энергию направленного движения.
Механическая энергия – движение тел в пространстве. Электрическая энергия – движение электронов по проводнику. Химическая энергия – потенциальная энергия атомов, выделяющаяся при образовании новых молекул. Атомная (внутриядерная) энергия – потенциальная энергия, выделяющаяся при делении ядер атома или при синтезе.
Свойством, присущим всем видам энергий, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном соотношении.
Единица измерения – 1 Дж = 1 Н∙м = 1 кг∙м2/с2.
Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии.
При течении газа (или жидкости) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока, каждый кг этого газа (жидкости), кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себя энергией проталкивания.
РАБОТА РАСШИРЕНИЯ
Работа против сил внешнего давления окружающей среды, связанная с увеличением объема системы называется работой расширения
dl = p∙dv.
ТЕХНИЧЕСКАЯ РАБОТА
Работа газа, находящегося в сплошном потоке, от подвода тепла dq при отсутствии трения будет состоять из работы расширения p∙dv и приращения энергии проталкивания (р∙v)
.
Поскольку в технических системах (тепловых двигателях, ТЭУ) все процессы работы совершаются, как правило, в непрерывном сплошном потоке, величину работы называют технической работой и обозначают через lтех.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Всеобщий закон сохранения энергии и ее превращениях: энергия не исчезает и не возникает, она лишь переходит из одного вида в другой в различных процессах.