Введение

Термодинамика – наука о взаимных превращениях различных видов энергии. Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы, сформулированные в соответствующих понятиях – начала термодинамики. Совокупность инженерных приложений термодинамики образует ее раздел, называемый технической термодинамикой.

Объект термодинамического исследования называют системой, которая формируется (выбирается) в соответствии с решаемой задачей. Все, что не включено в систему, но может взаимодействовать с ней, называют окружающей средой. Во многих случаях в качестве системы берут макроскопическое тело, состоящее из большого числа частиц. При решении технических задач такую систему называют рабочим телом. Рабочее тело является необходимым посредником, с помощью которого в тепловых машинах и установках получают работу, теплоту или холод. Оно может состоять как из одного, так и из нескольких индивидуальных веществ, называемых его компонентами. Чаще всего речь идет о газообразном теле, способном существенно изменять объем при взаимодействии с окружающей средой. Реальное рабочее тело может представлять собой гомогенную или гетерогенную систему.

Гомогенной (однородной) называют систему, состоящую из одной фазы вещества и имеющую одинаковые физические свойства во всех своих частях. Система, не отвечающая этим требованиям, гетерогенна.

Под фазой понимают совокупность всех гомогенных частей системы, которые при отсутствии взаимодействий с окружающей средой являются физически однородными. Понятие фазы не полностью совпадает с понятием агрегатного состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазма). В пределах одного и того же агрегатного состояния вещество может иметь несколько фаз. Так, для воды известно несколько модификаций твердого состояния (льда), являющихся ее различными твердыми фазами.

В общем случае взаимодействие системы и окружающей среды может состоять в обмене веществом и передаче энергии теплотой (теплообмен) и работой, под которой понимают как механическую, так и немеханические виды работ (электрическую, работу сил поверхностного натяжения, и т.п.).

В соответствии с этим окружающая среда может рассматриваться как набор аккумуляторов (резервуаров) работы, теплоты и вещества. Система отделяется от окружающей среды реальной или мысленной границей - контрольной поверхностью, которой могут быть приписаны определенные свойства. Система, заключенная в недеформируемую и непроницаемую для потоков теплоты и массы оболочку, абсолютно не взаимодействует с окружающей средой и называется изолированной. Если система не обменивается с окружающей средой веществом, ее называют закрытой или замкнутой. В противном случае система является открытой. Систему, не обменивающуюся с окружающей средой теплотой, называют термически изолированной или адиабатной. Если система способна к энергообмену только в формах теплоты и механической работы, то ее называют термодеформационной или термомеханической. Количество возможных форм взаимодействия системы с окружающей средой называют числом степеней свободы системы.

Источником теплоты, как правило, является элемент окружающей среды, приведенный в контакт с системой. Обычно принимается, что теплоемкость источника столь велика, что его температура не изменяется независимо оттого, какое влияние он оказывает на систему. Если температура источника выше температуры системы, то его называют горячим, если ниже, то холодным.

При взаимодействии с окружающей средой рабочее тело переходит из одного состояния в другое, о чем можно судить по изменению его макропараметров, поддающихся прямому измерению. Физические величины, свойственные конкретному состоянию рабочего тела, подразделяют на интенсивные (не зависящие от количества вещества в системе) и экстенсивные (аддитивные). Все удельные, т.е. отнесенные к единице количества вещества макропараметры являются интенсивными.

Состояние рабочего тела является стационарным, если оно не изменяется во времени. Стационарное состояние рабочего тела называют равновесным, если его одноименные интенсивные макропараметры имеют одно и то же значение во всех точках занимаемого им пространства. В противном случае состояние рабочего тела называют неравновесным. Равновесные состояния свойственны только изолированным системам. Если к моменту наложения изоляции внутри системы интенсивные макропараметры, например, температура, концентрация компонентов, давление и т.п., были распределены неравномерно, то по истечении характерного времени, называемого временем релаксации, система перейдет в состояние внутреннего равновесия и будет находиться в этом состоянии до тех пор, пока она будет оставаться изолированной.

Макроскопические физические величины, характеризующие систему в состоянии равновесия, называют термодинамическими параметрами состояния системы. Они относятся к системе в целом, не зависят от ее истории и изменяются только в результате взаимодействия системы с окружающей средой. Параметрами состояния однородной газообразной закрытой термомеханической системы являются абсолютное давление, абсолютная температура, удельный объем.

Абсолютное давление [Па] – интенсивная величина, характеризующая среднюю по времени силу, с которой частицы системы действуют на единицу площади стенки сосуда, в котором заключена система. В общем случае абсолютное давление определяют по показаниям двух приборов - барометра и манометра (вакуумметра). Если абсолютное давление р в сосуде больше барометрического В, то . Если же в сосуде разрежение, то . Пересчет других единиц измерения давления, используемых на практике, в паскали, производится по следующим соотношениям:

Абсолютная температура [К] – интенсивная величина, пропорциональная средней кинетической энергии частиц (молекул газа), из которых состоит система. Переводной коэффициент от энергетических единиц к кельвину называют постоянной Больцмана:

.

Абсолютная температура Т, и температура , измеренная в градусах шкалы Цельсия, связаны соотношением

.

В ряде стран используют температурные шкалы Фаренгейта и Ренкина, пересчет температуры которых в градусы Цельсия, соответственно,

;

.

Температура тела характеризует его способность к теплообмену с окружающей средой или другими телами, включенными в рассматриваемую систему. Теплообмен между телами возможен только при наличии хотя бы малой разности их температур. Это означает, что температура является параметров, позволяющим судить о наличии или отсутствии теплового равновесия между телами, находящимися в тепловом контакте друг с другом.

Удельный объем – интенсивная величина, представляющая собой отношение объема V системы к заключенной в нем массе m:

.

В случае замкнутой системы изменение удельного объема обусловлено только изменением ее объема. При этом, если удельный объем уменьшается, то система подвергается сжатию (давление при этом может оставаться неизменным); если удельный объем увеличивается, то система расширяется (даже если при этом давление увеличивается).

Величину, обратную удельному объему, называют плотностью:

.

Плотность, как и удельный объем, является интенсивной величиной. Иными словами, если находящуюся в состоянии термодинамического равновесия систему разделить на несколько подсистем, то плотность (и удельный объем) каждой из подсистем будет таким же, как и плотность (удельный объем) всей системы в целом.

Параметры состояния равновесной термодинамической системы связаны между собой уравнением состояния, имеющее вид функциональной зависимости

.

Уравнение состояния дает возможность выразить каждый из параметров состояния как функцию двух других:

; ; .