Вопрос 1 Основные понятия и определения технической термодинамики

Термодинамическая система (ТС) – совокупность материальных тел, взаимодействующих как между собой, так и с окружающей средой в виде обмена энергией или веществом.

С окружающей средой термодинамическая система взаимодействует через контрольную поверхность (оболочку).

Термодинамические системы делятся на несколько видов.

Открытая термодинамическая система – это система, которая обменивается с окружающей средой, как веществом, так и энергией.

Закрытая термодинамическая система – это система, которая не обменивается с окружающей средой веществом, а обменивается только энергией.

Изолированная термодинамическая система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Адиабатная термодинамическая система – это система, которая не обменивается с окружающей средой теплотой, т.е. энергия в окружающую среду может передаваться только в виде работы.

Термодинамические параметры состояния ТС – это величины, характеризующие свойства термодинамической системы. Основными термодинамическими параметрами являются давление, температура и удельный объем.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.

Если между различными точками в системе существуют разность температур, давлений и т. д., то она является неравновесной. В неравновесной системе под действием разности параметров возникают потоки теплоты и вещества, стремящиеся вернуть систему в состояние равновесия.

Совокупность изменений состояния ТС при переходе из одного равновесного состояния в другое называете равновесным термодинамическим процессом.

Термодинамический процесс – любое изменение состояния термодинамической системы во времени.

Виды энергии и формы ее передачи.

Энергия – это количественная мера движения материи. Энергия может передаваться в форме работы и в форме теплоты.

Все виды энергии можно разделить на две группы: виды энергии направленного движения и виды энергии хаотического движения. Почти все виды энергии (механическая, электрическая, химическая, внутриядерная, потенциальная энергия различных физических полей) являются энергиями направленного движения. Тепловая энергия представляет собой энергию хаотического движения. Коренным отличием этих двух групп является то, что виды энергии направленного движения могут быть преобразованы в любые другие виды; превращение же тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Любая термодинамическая система (рабочее тело) в каждом состоянии обладает запасом полной энергии E, которая состоит из внутренней энергии U, зависящей от внутреннего состояния тела, и внешней энергии, связанной с движением тела как целого и положением его в каком-либо физическом поле сил (гравитационном, магнитном, электрическом и т.д.), т.е.

Е=U+ E_внеш

Внутренняя энергия (U, Дж) – это собственная энергия неподвижного тела (системы). Она зависит только от его внутреннего состояния и включает в себя энергию хаотического движения всех микрочастиц (молекул, атомов, ионов и др.), энергию взаимодействия этих частиц, внутриядерную энергию и т.д.

Внутреннюю энергию тела или системы можно определить как сумму кинетической энергии всех молекул, атомов и других микрочастиц и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Кинетическая энергия молекул является функцией температуры; потенциальная энергия зависит от среднего расстояния между молекулами, а значит, является функцией занимаемого газом объема. Таким образом, внутреннюю энергию можно выразить через любые два термодинамических параметра состояния системы: U=f₁(T,V); U=f₂(p,T); U=f₃(p,V).

Внутренняя энергия является функцией состояния системы, а это значит, что ее изменение U в термодинамическом процессе не зависит от характера процесса, а определяется только конечным и начальным состоянием системы независимо от пути, по которому совершался процесс

.

Удельная внутренняя энергия - это отношение внутренней энергии системы к массе вещества в системе (внутренняя энергия единицы массы вещества)

, Дж/кг.

Так как внутренняя энергия является функцией состояния термодинамической системы, то ее изменение в круговом процессе будет равно нулю

Как уже отмечалось выше, энергия может передаваться в форме работы или теплоты.

Работа (L, Дж) - это макрофизическая форма передачи энергии. Работа в термодинамике, как и механике, определяется произведением действующей на рабочее тело силы на путь ее действия.

Рассмотрим газ под поршнем.

Если к газу подвести некоторое количество теплоты, то он будет расширяться, совершая работу против сил внешнего давления, оказываемого на него поршнем. Газ действует на поршень с силой равной р∙S и передвигает поршень на расстояние dy, совершая при этом работу δL=p∙S∙dy. Но S∙dy - это увеличение объема системы на величину dV: S∙dy = dV. Поэтому

δL=p∙dV

При конечном изменении объема получим

.

Эта работа против сил внешнего давления, связанная с увеличением объема системы, называется работой расширения или работой изменения объема.

Удельная работа изменения объема – работа, совершаемая системой, содержащей 1 кг рабочего тела

, Дж/кг.

Работа l эквивалентна площади под кривой в диаграмме р, v и зависит от характера термодинамического процесса, то есть работа – это функция процесса.

Теплота (Q, Дж) – это микрофизическая, осуществляемая на молекулярном уровне под действием разности температур форма передачи энергии. Теплота может передаваться непосредственным контактом (теплопроводностью или конвекцией) и на расстоянии (излучением).

Теплота определяется по формулам

или ,

где с – массовая (удельная) теплоемкость, Дж/(кгК);

s – удельная энтропия, Дж/(кгК).

Для твердых тел и жидкостей с≈const, тогда при М= const получаем

Удельная теплота

, Дж/кг.

Видно, что теплота, как и работа, – это функция процесса, т.е. количество переданной теплоты зависит от характера процесса. Теплота q эквивалентна площади под кривой в диаграммах T, s или с, Т.