Раздел I. Техническая термодинамика
Теплотехника наука, которая изучает методы получения, преобразования и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.
Тема 1. Основные понятия и определения
1.1. Термодинамическая система и её состояние
Техническая термодинамика рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.
Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики: I закон термодинамики закон превращения и сохранения энергии; II закон термодинамики устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц.
Объектом исследования является термодинамическая система.
Под термодинамической системой понимают тело или совокупность тел, выделенных из материального мира и являющихся объектами исследования.
Под термодинамическим процессом понимают изменение состояния системы, которое возникает в ней под влиянием внешних воздействий.
Всякий термодинамический процесс может возникнуть только при нарушении состояния термодинамического равновесия.
Свойство процессов одинаково идти в противоположных направлениях называется обратимостью.
1.2. Параметры состояния
Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния.
К ним относятся давление, температура и удельный объём.
Давлением называется величина, численно равная силе, действующей по нормали к поверхности тела и отнесенной к единице площади этой поверхности.
,
(1)
где
сила, направленная перпендикулярно
участку поверхности.
Единицы измерения: р = Па = Н/м2.
Температура.
Температура является фундаментальным физическим параметром, который не имеет строго определения.
Температура характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем выше температура тела.
Существуют различные единицы измерения температуры и соответствующие им температурные шкалы. Системной единицей измерения температуры является 1К. Шкала Кельвина берет свое начало от абсолютного нуля температур. Связь температур по шкале Цельсия и Кельвина имеет вид:
,
(4)
где Т температура, К;
температура , 0С.
Удельный объём.
Удельный объем представляет собой объём 1кг вещества.
,
м3/кг.
(5)
Плотность вещества величина, определяемая отношением массы к объёму вещества.
,
кг/м3,
(6)
.
(7)
1.3. Уравнение состояния
Параметры состояния тела находятся в зависимости один от другого. Эта зависимость может быть выражена аналитическими уравнениями, графиками и таблицами.
Наиболее удобным выражением зависимости между основными параметрами является аналитическое уравнение, которое называется уравнением состояния:
.
(8)
Если известны два параметра, то третий можно найти из следующих выражений:
Опыты показывают, что найти уравнение состояния для реальных тел, т.е. существующих в природе, очень трудно. На протяжении более 100 лет многократные попытки ученых найти точную аналитическую зависимость между параметрами состояния любого, хотя бы только парогазообразного тела, не увенчалась успехом. Эта задача полностью не решена и до настоящего времени. Только для некоторых простейших случаев удалось получить более или менее простые формулы уравнения состояния.