1. Предмет и метод термодинамики

Термодинамика изучает зако­ны превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопи­ческих системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопиче­ской системой называется любой матери­альный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопиче­ских систем несоизмеримо больше разме­ров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче­скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свой­ства тел, участвующих в этих превраще­ниях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществля­ют расчет и проектирование всех тепло­вых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопиче­ские системы, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движе­ния материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущих­ся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, ато­мов, ионов).

Физические свойства макроскопиче­ских систем изучаются статистическим и термодинамическим методами. Стати­стический метод основан на использова­нии теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и пред­ставляет собой содержание статистиче­ской физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных пред­ставлений о структуре вещества и явля­ется феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — яв­ления в целом). При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодина­мического метода мы будем для нагляд­ности использовать молекулярно - кинетические представления о структуре ве­щества.

2. Термодинамическая система

Термодинамическая система представляет собой совокуп­ность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодей­ствиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»). Выбор системы произволен и дикту­ется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окру­жающей средой. Систему отделя­ют от окружающей среды контроль­ной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей систе­мы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окру­жающий воздух, а контрольными повер­хностями служат стенки цилиндра и по­ршень.

Механическое и тепловое взаимодей­ствия термодинамической системы осу­ществляются через контрольные повер­хности. При механическом взаимодейст­вии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также элек­трические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет со­вершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодина­мики, но нами в дальнейшем рассматри­ваться не будут). В нашем примере ме­ханическая работа производится при пе­ремещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимо­действие заключается в переходе тепло­ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.

В самом общем случае система мо­жет обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Пото­ки газа или пара в турбинах и трубопро­водах - примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальнейшем, если это специально оговаривается, мы будем рассматри­вать закрытые системы.

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют теплоизолированной или адиа­батной. Примером адиабатной систе­мы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной теп­ловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляци­онную оболочку называют адиабатной.

Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве­ществом, называется изолирован­ной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутрен­него сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

Молекулярное строение вещества предполагает наличие сил сцепления (притяжения и отталкивания) между непрерывно дви­жущимися молекулами. В твердом теле расстояния между моле­кулами весьма малы, а силы сцепления настолько значительны, что движения молекул крайне ограниченны и поэтому объем его остается практически неизменным. Для изменения формы твердого тела требуется приложить значительные усилия, намного превос­ходящие силы сцепления молекул.

В жидкостях расстояния между молекулами значительны и силы сцепления слабее, нежели в твердом теле, поэтому жидкость, обладая текучестью, способна принять любую форму в зависимо­сти от геометрии сосуда, в котором она содержится. Однако силы сцепления молекул в жидкости все же настолько значительны, что объем ее практически остается неизменным, что и обусловли­вает несжимаемость жидкостей. Что же касается газов (паров), то силы сцепления молекул в них ничтожно малы настолько, что газ не имеет ни постоянной формы, ни постоянного объема. Как известно, газ занимает любой предоставленный ему объем и любую форму сосуда, в котором он помещен.

Здесь уместно ввести понятие об идеальном газе, молекулы которого обладают ничтожно малыми объемами, лишены сил сцеп­ления и непрерывно совершают хаотические движения. Очень многие реальные газы (например, водород, гелий, кислород, азот, воздух и многие другие), имеющие важное значение в технике, при обычных условиях настолько удалены от состояния жидкости, что к ним можно применять законы идеальных газов.

Преобразование теплоты в механическую работу происходит с помощью рабочего тела. Наиболее эффективными рабочими телами будут те, которые обладают резко выраженными упругими свойствами, позволяющими в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механических сил (давления) или, термических воздействий (тепла, температуры), или, проще говоря, под влиянием комбинированных термомеханических воз­действий.

Наблюдая за поведением тел в природе, в их различных агре­гатных состояниях, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для использования их в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им же свойственны значитель­ные (сравнительно с другими агрегатными состояниями тел) по величине коэффициенты объемного расширения. Оказывая направ­ленное термическое (нагрев, охлаждение) либо механическое (сжа­тие, расширение), либо комбинированное термомеханическое воз­действие на рабочее тело, можно заставить последнее непрерывно менять свои параметры состояния.

Физические величины, характеризующие макроскопическое со­стояние тел, называются параметрами состояния. Величины, определяемые однозначным заданием этих параметров, называются функциями состояния. Совокупность таких непрерывно меняю­щихся состояний рабочего тела называют термодинамическим процессом.