Материал темы №2 составлен на основе сведений из следующих источников:

1. Петунин, Б.В. Теплоэнергетика ядерных установок / Б.В. Петунин. – М.: «Атомиздат», 1960. – 232 с.

2. Красин, А.К. Реакторы атомных электростанций / А.К. Красин. – Мн.: «Наука и техника», 1971. – 144 с.

3. Красин, А.К. Ядерная энергетика и пути ее развития / А.К. Красин. – Мн.: «Наука и техника», 1981. – 207 с.

4. Детская энциклопедия: в 12 т / редколлегия: А. Маркушевич (гл. ред.) и др. – М.: «Педагогика», 1973. – ТЗ: Вещество и энергия / И. Петрянов (научн. ред.) и др. – 1973. – 544 с.

5. Нестеренко, В.Б. Физико-химические основы применения диссоциирующих газов как теплоносителей и рабочих тел атомных электростанций / В.Б. Нестеренко. – Мн.: «Наука и техника», 1971. – 312 с.

II. Введение в техническую термодинамику

Тема 3. Основы технической термодинамики

Реферативное изложение темы

Три раздела термодинамики. Определения, терминология. Термодинамическая система. Термодинамические параметры состояния системы. Единицы измерения термодинамических величин. Термодинамический процесс. Уравнение состояния. Внутренняя энергия.

Термодинамика – наука о закономерностях превращения одного вида энергии в другой. Различают три самостоятельных раздела термодинамики: химическая, техническая и статистическая термодинамика. Не вдаваясь в тонкости, рассмотрим некоторые понятия технической термодинамики.

Техническая термодинамика ограничивается рассмотрением преимущественно тех частей общей термодинамики, которые необходимы для изучения основных принципов работы тепловых машин и теплообменных аппаратов, как в идеальных, так и в реальных условиях. Наиболее подробно в технической термодинамике изучается превращение тепла (тепловой энергии) в механическую работу.

Теплота и работа представляют собой различные формы движения материи. Теплота является результатом молекулярного и внутримолекулярного хаотического движения частиц материи, тогда как работа предполагает наличие направленного движения тела, происходящего под действием внешних сил.

Отступление. Тепло и теплота.

Не следует смешивать понятия теплоты и тепла (тепловой энергии) тела. Тепловая энергия перегретого водяного пара обусловлена количеством энергии хаотического теплового движения в системе, состоящей из молекул этого пара. Но количество теплоты, которое может выделиться из этой системы при ее охлаждении гораздо больше: сначала охладится пар, потом он начнет конденсироваться в жидкую воду, затем охладится вода и, наконец, вода замерзнет. Это объяснение отличия тепла (тепловой энергии) от теплоты, приведенные в [Детской энциклопедии, Т.З, 1973г., с. 130] кажется убедительным лишь с позиции технической термодинамики, в сугубо практическом ракурсе. Уже на стр. 132 этого же издания говорится: «…при любой температуре молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. Сумма их кинетических энергий определяет тепловую энергию тела». Т.е. вопрос не прост и пока открыт.

В качестве единицы измерения энергии в системе СИ (система интернациональная принята в 1960 году) принят джоуль (Дж), а величиной в 1000 раз большей – килоджоуль (кДж), в 10⁶ раз большей – мегаджоуль (МДж). Теплоту обычно продолжают измерять внесистемной единицей – килокалорией (ккал). Для измерения работы применяется килограммометр (кг с · м – килограмм силы, умноженный на метр). Электроэнергию принято измерять в киловатт-часах (кВт · ч).

Джоуль – это работа силы в 1 ньютон (Н) по перемещению тела на расстояние 1 метр (м), т.е. 1 Дж = 1 Н · м. Ньютон – сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1м/с²; т.е. 1 Н = 1 кг · м/с². 1 кгс = 9,8067 кг · м/с² = 9,8067 Н.

Разъяснение. Сила (вес) и масса.

Раньше (лет 50 назад), чтобы отличать килограмм силы (или веса) от килограмма массы, по разному их писали: кг – килограмм силы; – килограмм массы. Сейчас для различия силу обозначают кгс или уточняют словами (килограмм силы) в отличие от килограмма массы кг.

Соотношения между основными единицами измерения энергии приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Соотношения между основными единицами разных видов энергии

Единицы измерения	кДж (1010 эрг)	ккал	кгс · м (9,8067 Н·м)	кВт · ч
Теплоты: килоджоуль (кДж) килокалория (ккал)	1 4,1868	0,23885 1	101,97 426,44	277,78 · 10-6 1,163 · 10-3
Работы: килограммометр (кгс · м)	9,8067 · 10-3	2,3423 · 10-3	1	2,7241 · 10-6
Электроэнергии: киловатт-час (кВт · ч)	3,6 · 103	859,86	3,6709 · 105	1

* В прошлой лекции мы говорили об энергии деления ядер делящихся изотопов, которую принято измерять в Мэв; 1 Мэв = 10⁶ эв = 1,6021 · 10^-13 Дж.

Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. За единицу мощности принят ватт (Вт). 1 Вт = 1 Дж/с. В некоторых случаях в качестве единицы мощности используется лошадиная сила (л.с.), которая эквивалентна 75 килограмм силы, умноженным на метр и деленным на секунду.

1 л.с. = 75 кгс · м/с = 75 · 9,8067 ≈ 736 = 736 Вт = 0,736 кВт.

1 кВт ≈ 1,36 л.с.

Для превращения тепла в работу требуется определенная совокупность источников тепла и материальных тел (в теплоэнергетических установках ТЭУ – это теплоноситель – рабочее тело), находящихся между собой в тепловом и механическом взаимодействии и образующих так называемую термодинамическую систему. Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используется ряд показателей, называемых термодинамическими параметрами состояния этой системы. В число основных параметров термодинамической системы (теплоносителя – рабочего тела ТЭУ) входят: абсолютная температура Т, абсолютное давление Р и удельный объем ν (или величина, обратная удельному объему – плотность ).

Отступление. Интенсивные и экстенсивные свойства вещества

Показатели Р, ν, Т не зависят от количества вещества в системе и называются интенсивными свойствами вещества (системы). А такие показатели, как (объем – V, м³; масса – m, кг; длина – , м), зависящие от количества вещества, называются экстенсивными свойствами.

Последовательность изменения состояния теплоносителя – рабочего тела (термодинамической системы) называют термодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Три основных параметра состояния (Р, ν, Т) однозначно связаны между собою зависимостью, которую называют уравнением состояния F (P, ν, T) = 0. Непосредственное превращение тепловой энергии в механическую в ТЭУ происходит в турбине, где рабочее тело находится в паровом (газовом) состоянии. Если молекулы газа (пара) представить условно в виде материальных точек, обладающих массой, но не имеющих объема; не взаимодействующих между собой, то для 1 кг такого идеального газа уравнение состояния вывел петербургский ученый француз Клапейрон

Pν = RT (3.1)

Это уравнение применимо в области низкого давления, где газ занимает настолько большой объем, что объемом самих молекул можно смело пренебречь; а еще в области высокой температуры, где молекулы обладают такой большой энергией и такой большой скоростью, что взаимное притяжение не влияет на их движение.

Отступление. Поправки Ван-дер-Ваальса в уравнение Клапейрона.

В действительности нельзя пренебречь ни собственными размерами молекул, ни их взаимным притяжением. Истинный свободный объем, в котором могут двигаться молекулы (V_г – V_м), будет меньше объема газа (V_г), т.к. часть этого объема (V_м) занимают молекулы. В удельном виде поправка объема выглядит так (ν-b). А давление, под которым находится газ (пар), несколько больше внешнего давления, потому что из-за межмолекулярного притяжения газ испытывает как бы дополнительное сжатие: . Эти поправки в уравнение идеального газа ввел голландский ученый Ван-дер-Ваальс. Он предложил уравнение состояния

, (3.2)

которое называется его именем или уравнением реальных газов. R – газовая постоянная. Поправки «a» и «b» определяются из опытных данных. Кроме этих двух были предложены десятки различных форм уравнений состояния, описывающих поведение различных веществ с возможно большей степенью точности.

В уравнениях состояния температура измеряется в градусах Кельвина (Т, К). Т, К = t, + 273,15. В системе СИ за единицу давления принят Паскаль (Па); 1 Па = 1 . В теплотехнических установках (отечественного, старого производства) приборы чаще всего градуированы в старой системе, в которой за единицу давления принята атмосфера (ат). А в старых справочниках иногда применяется бар; 1 бар = 0,1 МПа.

1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м² ≈ 9,81 · 10⁴ Н/м² = 9,81 · 10⁴ Па =

=0,0981 МПа = 0,981 бар.

Давление, создаваемое атмосферным воздухом, называется барометрическим Р_б. Давление газообразной среды в любом замкнутом объеме измеряется манометрами (если оно выше барометрического), или вакуумметрами (если оно ниже барометрического). Как манометр, так и вакуумметр показывают не абсолютное давление среды Р_а, а разность между абсолютным и атмосферным (барометрическим) давлениями, т.е. избыточное давление P_u. Абсолютное давление, таким образом, есть сумма барометрического (атмосферного) и избыточного Р_а = Р_б + Р_u. Поскольку Р_u зависит от Р_б, которое может меняться независимо от теплового состояния тела, то Р_u не является термодинамическим параметром, которым может служить лишь величина абсолютного давления. Удельный объем вещества ν – это отношение объема этого вещества «V» к его массе «m»; ν = V/m, м³/кг.

Подвод тепла Q к какому-либо телу (так же, как и отвод тепла), обычно связан с изменением температуры тела Т и его объема V.

Исключение составляет область насыщения и другие области фазовых переходов, где при подводе (или отводе) тепла температура не меняется; об этом поговорим подробнее в другой лекции.

Изменение температуры обусловлено изменением энергии движения молекул вещества. Этот вид энергии принято называть внутренней энергией, понимая под этим сумму кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул тела. В общем случае внутренняя энергия тела U складывается из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, потенциальной энергии сил сцепления (отталкивания) между молекулами, внутримолекулярной, внутриатомной и внутриядерной энергии.

Если количество внутренней энергии тела до начала подвода тепла к этому телу обозначить через U₁, а после окончания подвода тепла через U₂, то результатом процесса будет изменение внутренней энергии ΔU = U₂ – U₁. Для определения разности ΔU нет необходимости знать, по какому закону происходил подвод тепла к телу. Поэтому внутренняя энергия тела может быть отнесена к группе параметров состояния.