Введение техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики

Термодинамика как наука сложилась во второй половине XIX века. Первоначально она создавалась для объяснения тепловых явлений и преобразований тепловой энергии в механическую в тепловых машинах, которые в это время широко внедрялись в жизнь человека. В настоящее время термодинамика является наукой о законах превращения форм энергии в физических, химических, биологических и других процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами и не только ими, то есть, в самом общем смысле это наука об энергии и ее свойствах [1, 2, 3, 4].

Важным свойством всех видов энергии является способность каждого из них переходить в любой другой вид энергии. Этот переход дает возможность количественно сравнивать друг с другом различные виды энергии, так как он происходит в строго определенном количественном соотношении. Переход энергии от одного материального тела к другому происходит при взаимодействии тел. Количественной мерой энергетического взаимодействия тел является работа. Это наиболее общий закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Термодинамика – феноменологическая наука, то есть она основана на наблюдениях человека и его практическом опыте. Термодинамика базируется на двух экспериментально установленных законах.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии и превращения ее форм применительно к тепловым процессам. Установлен он в 40-х годах XIX столетия Г.Гессом, Р.Майером, Д.Джоулем, Г.Гельмгольцем, основные идеи его высказаны и М.В.Ломоносовым.

Второй закон термодинамики был установлен в 50-х годах XIX столетия Р.Клаузиусом и В.Томсоном на основе идей, высказанных в 1824 году Сади Карно. Этот закон отражает особенности только тепловых процессов, определяет направление их протекания в доступных для нашего наблюдения земных условиях. С помощью этого закона можно оценить возможность получения максимальной работы из теплоты и потери этой работы в реальных процессах, а соответственно и в реальных теплоэнергетических установках. Второй закон термодинамики имеет более ограниченную среду действия по сравнению с первым законом.

В начале ХХ столетия была установлена третья теорема термодинамики (теорема Нернста), важнейшим следствием которой является вывод о недостижимости абсолютного нуля температуры.

Обширная область человеческих знаний, охватываемая термодинамикой, привела к ее делению. В зависимости от области рассматриваемых явлений и целей исследования современная термодинамика делится на общую, химическую и техническую. В дальнейшем речь будет идти только о технической термодинамике.

Предметом изучения технической термодинамики являются тела и системы тел средней величины, доступные наблюдению в земных условиях. Эти тела рассматриваются на молекулярном уровне или выше, такие системы называются макросистемамами. Техническая термодинамика занимается энергетическими преобразованиями в макросистемах только двух видов энергии: тепловой и механической. Термодинамические методы недопустимо распространять на галактические и метагалактические системы и применять для объектов, состоящих из малого количества молекул.

Значение технической термодинамики для теплоэнергетики и промышленности всех отраслей народного хозяйства очевидно (рис.В.1). Вся современная энергетика базируется на преобразовании тепловой энергии, полученной в ядерном реакторе АЭС или в парогенераторе, в механическую, а затем в электрическую. Для этих преобразований используются специальные рабочие тела (газ, вода и т.д.), которые с помощью специального оборудования (турбины, насосы, подогреватели, конденсаторы и т.п.), совершая определенные процессы в этом оборудовании, осуществляют эти преобразования.

Несмотря на то, что основным источником энергии в наше время является электроэнергия, в промышленности и быту 70 % потребляемой энергии приходится на тепловую энергию, а все технологические процессы в промышленной и бытовой технике связаны с выделением или потреблением тепловой энергии.

Знание свойств рабочих тел, законов, по которым изменяются эти свойства в теплоэнергетическом, промышленном и бытовом оборудовании, пути экономичного получения электрической энергии из тепловой при меньших ее потерях – все это входит в предмет изучения технической термодинамики. Техническая термодинамика – теоретическая основа теплоэнергетики, как большой, так и малой, т.е. от промышленного до бытового уровня.