Розділ 2 - основи технічної термодинаміки

Тема №4

Основні поняття і визначення в технічній термодинаміці

План

1. Основні поняття і визначення

2. Робоче тіло та його основні параметри

3. Термодинамічниа система

4. Термодинамічний процес

5. Основні газові закони

6. Універсальна газова стала

1. Основні поняття і визначення

Термодинаміка - наука про закони теплового руху (термо) та його перетворення (динаміка) в інші види руху, що відбуваються в макроскопічних рівноважних системах і при переході систем до стану рівноваги.

Відмінна особливість термодинаміки: можемо розглянути різноманітні види енергії, які можуть проявлятися під час взаємодії тіл та полів, а також перетворення різних видів енергії в макроскопічних системах.

Розрізняють технічну і хімічну термодинаміку, термодинаміку біологічних систем тощо. Технічна термодинаміка вивчає закономірності взаємного перетворення теплоти і роботи, а також властивості тіл, що беруть участь у цих перетвореннях, і теплові процеси, що протікають у різних апаратах та установках, теплових і холодильних машинах.

Термодинаміка виникла з потреб теплотехніки. Застосування в XIX ст. теплових двигунів поставило перед наукою завдання теоретичного вивчення роботи теплових машин і визначення шляхів підвищення їхнього коефіцієнта корисної дії. Пізніше застосування термодинаміки поширилося на різні галузі технічних, біологічних, інформаційних та інших систем. На основі технічної термодинаміки виконуються розрахунки і проектування теплових двигунів, компресорних машин, холодильних установок, течії в повітро- і паропроводах, повітрообміну приміщень, кондиціонування повітря, сушіння і збереження сільськогосподарських продуктів тощо.

Термодинаміка ґрунтується на двох законах (початках), отриманих дослідним шляхом.

Перший закон термодинаміки встановлює кількісне співвідно­шення закону збереження і перетворення енергії стосовно термо­динамічних систем.

Другий закон термодинаміки вказує на якісну відмінність форми передачі енергії у вигляді теплоти і пов'язаний із принципом зміни ентропії в оборотних і необоротних процесах.

2. Робоче тіло, його основні параметри

Теоретичною основою сучасної теплотехніки є технічна термо­динаміка, яка вивчає властивості теплової енергії та, зокрема, закони взаємного перетворення теплової і механічної енергії. Для того щоб перетворити теплову енергію в механічну енергію, або роботу, треба мати робоче тіло, яке після підведення до нього тепла змінює свій стан — розширюється і, долаючи зовнішні опори, виконує при цьому роботу. Схематично цей процес зображено на рис. Нехай у циліндрі 4 під поршнем 2 буде певна кількість робочого тіла, наприклад повітря, силу тиску якого Р[Н] зрівноважує тягар F[H], покладений на поршень. Якщо нагріти робоче тіло, тобто підвести до нього тепло Q[ДжІ від якогось зовнішнього теплового джерела, робоче тіло роз­шириться і поршень з положення І - I переміститься в положення II - II, пройшовши шлях Н[м]. За рахунок подолання зовнішнього опору F = Р буде виконана робота L = Р·Н [Н • м (Дж)].

Легко зрозуміти, що найкращим робочим тілом є газ, бо в цьому агрегатному стані робоче тіло під час нагрівання найбільше розши­рюється і процес перетворення тепла в роботу відбувається найкраще.

У технічній термодинаміці для вивчення властивостей робочих тіл – газів – користуються не реальними газами, а ідеальним газом, у якому не діють сили міжмолекулярного притягання та взаємодії, а самі молекули не мають об’єму і приймаються як матеріальні точки.

Якщо робоче тіло близьке до рідини за своїм станом його вважають реальним газом, т. я неможна нехтувати силами міжмолекулярної взаємодії (водяна пара).

Як зазначалося вище, процес перетворення тепла, в роботу зво­диться до зміни стану робочого тіла під час його нагрівання або охо­лодження. Величини, що характеризують стан робочого тіла — газу, називаються параметрами. Основними параметрами робочих тіл в технічній термодинаміці є тиск, питомий об’єм і температура.