Лекція 1. Основні поняття і визначення
1.1. Предмет і метод термодинамічного аналізу
Розвиток цивілізації безпосередньо пов'язаний з розвитком енергетики. В застосуванні людиною енергії можна виділити такі періоди: 1) від появи людини і приблизно до V-VII ст., коли людина використовувала силу тварин, енергію сонця, а потім і теплоту вогнища; 2) з VII до XVIII ст., коли люди навчилися використовувати енергію вітру і води (вітряки, млини та інше); 3) з XVIII до 50-х років XX ст., коли використовувалася хімічна енергія палива, а основним його джерелом стала непоновлювана енергія мінерального органічного палива (вугілля, нафта та природний газ); 4) з 50-х років минулого століття до сьогодення, тобто сучасний період, який характеризується використанням традиційного палива та ядерної енергії. Як вважають спеціалісти, атомна енергетика на реакторах зі швидкими нейтронами забезпечить людство енергією на тисячоліття. Але цей період також характеризується відчутним виснаженням природних органічних джерел та забрудненням навколишнього середовища. У майбутньому, коли вичерпаються всі непоновлювані хімічні та ядерні енергетичні ресурси, людству треба буде жити в стані енергетичної рівноваги і користуватися поновлюваними ресурсами: енергією сонця, вітру, води, теплотою геотермальних вод та хімічною енергією рослин, тобто тільки розумно, обмежено використовувати енергію, щоб не нашкодити навколишньому середовищу і надати можливість людині жити в злагоді з природою Землі.
Зростаюча потреба у використанні енергії спонукала до створення науки, яка б давала можливість ефективно перетворювати один вид енергії в інший. Такою наукою стала термодинаміка. Назва термодинаміка походить від грецьких слів thermo - теплота і dynanus - сила.
Термодинаміка як окрема наука почала розвиватися на початку XIX ст. Поява її була зумовлена необхідністю дати наукове пояснення процесам взаємоперетворення теплової і механічної форм енергії в теплових двигунах. При цьому термодинамічний метод базується на фундаментальних, загальних фізичних законах (началах, принципах), які сформульовані на основі численних дослідних даних і спостережень. Це дає можливість розглядати їх як об'єктивні закони природи. Термодинаміка з'явилась як наука про теплові перетворення в теплових машинах, але в ході свого розвитку вона вийшла за рамки теплоти. Термодинаміку можна розглядати як науку про загальні властивості тіл і закони взаємоперетворення енергії, вона є фундаментальною загальноінженерною дисципліною. Перетворення енергії відіграють важливу роль у багатьох областях науки і техніки, де також використовуються закони термодинаміки, які носять універсальний характер і мають загальне методологічне значення. Це вивело термодинаміку в королеву природничих наук.
Термодинамічний метод дослідження має свої специфічні властивості і базується на використанні трьох законів термодинаміки.
Перший закон - це окремий випадок загального закону збереження і перетворення енергії відносно робочого тіла, за допомогою якого здійснюється взаємоперетворення теплової форми енергії в механічну та навпаки. Сформулював цей закон у 1842 р. Р. Ю. Майєр, який показав, що теплота не є теплецем (невагомою рідиною), і довів рівнозначність теплоти і роботи.
Другий закон термодинаміки встановлює умови, за яких можливе взаємоперетворення теплоти в роботу, і, навпаки, вказує напрямок проходження процесів та можливу межу взаємоперетворень. Другий закон термодинаміки був сформульований С. Карно в 1824 р. У 1865 р. Р. Клаузіус ввів поняття ентропії і на цій основі сформулював другий закон термодинаміки, який застосовується і зараз. У техніці другий закон дав змогу окреслити умови отримання найбільшого коефіцієнту корисної дії (ККД) енергетичних процесів, тобто умови реалізації процесів з найменшими втратами.
Третій закон термодинаміки, або "теплова теорема" Нернста, характеризує поведінку ентропії робочого тіла поблизу абсолютного нуля. Цей закон був сформульований у 1906 р. В. Нернстом.
У 1931 р. Л. Онсагер і С. де Гроот сформулювали закон, який розглядає нерівноважні процеси. Інколи його називають четвертим законом термодинаміки, хоча цей закон не випливає із перших трьох. Інколи до основних законів термодинаміки відносять існування термічної рівноваги між тілами, які мають однакову температуру. Це твердження дістало назву нульового закону термодинаміки.
Подальший розвиток термодинаміки сприяв створенню нових її розділів -технічної, хімічної, біологічної та інших термодинамік. Нашим предметом вивчення є технічна термодинаміка - наука, що вивчає закони перетворення теплової енергії в механічну в теплових машинах, а також властивості робочих тіл, які беруть участь у цих перетвореннях. Технічна термодинаміка - це теоретична база теплових машин сучасної енергетики. Технічна термодинаміка не вивчає мікроскопічну будову речовини і механізм молекулярних процесів, а розглядає явища ("феномени") в цілому і опирається тільки на результати макроскопічних досліджень, тому вона є феноменологічною наукою.
Вивченням теплових явищ займається також і молекулярна (статистична) фізика, на базі якої в XIX ст. розвинулась статистична термодинаміка. Молекулярно-статистичний метод базується на розгляданні законів теплового руху величезної кількості молекул. При цьому на основі статистичних методів установлюється взаємозв'язок між характеристиками руху великої кількості частинок і макрофізичними характеристиками системи. Окремі атоми, молекули не можуть бути предметом дослідження технічної термодинаміки. Статистична термодинаміка дає можливість вияснити фізичний зміст великої кількості термодинамічних понять, а також розрахувати деякі величини (теплоємність газів). Молекулярно-статистичний метод є наочнішим, але математичний апарат, який він використовує, є більш громіздким. Збіжність результатів досліджень підтверджує правильність статистичного методу.
Як видно, термодинамічний і статистичний методи вивчення теплових явищ виходять із різних позицій. Одначе вони не суперечать, а навпаки, доповнюють один одного.
Отже, технічна термодинаміка побудована дедуктивно, тобто згідно з фундаментальними законами природи встановлюються особливості процесів перетворення теплової енергії в механічну і навпаки, а також фізичні властивості тіл. На цій основі розробляється теорія побудови найбільш економічних циклів теплових та холодильних машин, а також технологічних процесів, що супроводжуються споживанням теплоти (сушіння, масоперенос).