7.2 Основные параметры и единицы их измерения

1) Температура. Температуры могут быть выражены в градусах Кельвина (Т, К) и в градусах Цельсия (t °С). Соотношение между t °С и Т К: приближен­но t = Т-273 °С.

2) Давление. Основной единицей измерения давления является паскаль (Па), т.е. сила в 1 ньютон (Н), приходящаяся на 1 м² площади (1 Па = 1 Н/м²). Эта единица давления очень мала, поэтому применяют укрупненные единицы - килопаскаль и мегапаскаль (кПа и МПа соответственно).

3) Плотность. Плот­ностью вещества (кг/м³) называют величину, численно равную мас­се единицы его объема.

4) Энтропия — это функция состояния термодинамической систе­мы, характеризующая направление протекания процесса теплооб­мена между системой и внешней средой. В термодинамических рас­четах используют не абсолютное значение энтропии, а ее измене­ние в процессе теплообмена, которое определяется отношением количества подведенной (или отведенной) теплоты к средней тер­модинамической температуре рабочего тела: , где S₁, S₂ — соответственно начальная и конечная энтропия , Дж/К: Q — теплота, подведенная к рабочему телу или отведенная от него, Дж.

Процессы без подвода или отвода теплоты называются адиа­батными и протекают при S = const.

5) Энтальпией называется полная энергия рабочего тела. Удель­ная энтальпия равна сумме удельной внутренней энергии U и по­тенциальной энергии давления рv:

Для нагревания одинакового количества различных физических тел одной и той же массы на одно и то же число градусов необхо­димо подвести различное количество теплоты. Это объясняется различной теплоемкостью тел.

6) Теплоемкость — это отношение количества теплоты Q, сообщаемо­го телу, к соответствующему изменению его температуры: С = Q/ Т. Отношение теплоемкости к массе тела m называется удельной тепло­емкостью: с = С/т. В СИ удельная теплоемкость выражается в Дж/(кгК). Теплоемкость зависит от химического состава и состояния тела, про­цесса сообщения ему теплоты, его температуры. С понижением темпе­ратуры теплоемкость в большинстве случаев уменьшается.

7.3 Первый и второй законы термодинамики

Первый закон термодинамики является выражением закона со­хранения энергии для термодинамической системы. Согласно пер­вому закону термодинамики теплота Q, сообщаемая системе, рас­ходуется на изменение внутренней энергии системы U и соверше­ние системой работы L против внешних сил: Q = U + L.

Для рабочего тела массой 1 кг первый закон термодинамики выражается уравнением: Q = U₂- U₁ + L, где Q — удельное количество теплоты, подведенное к телу в про­цессе изменения его состояния, Дж/кг; U₁, U₂, — удельная внутрен­няя энергия тела в начале и в конце процесса, Дж/кг; L — удельная внешняя работа, совершенная телом, Дж/кг.

Обратимые и необратимые процессы. Изменение состояния ра­бочего тела, при котором параметры состояния (все или некото­рые) изменяются, а масса рабочего тела остается постоянной, на­зывается термодинамическим процессом. Процессы бывают обра­тимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может быть проведен в обратном направлении через все промежу­точные состояния прямого процесса, в результате чего вся система приобретает первоначальное состояние. Необратимый процесс протекает только в одном направлении.

Второй закон термодинамики. Если погрузить тело, имеющее низкую температуру, в горячую воду, вода будет охлаждаться, а тело — нагреваться, т.е. вода будет отдавать свою теплоту более холодному телу. С точки зрения молекулярной теории, это объяс­няется так: средняя скорость движения молекул горячей воды выше, чем холодного тела, поэтому молекулы горячего тела отдают свою энергию менее подвижным молекулам холодного тела и увеличи­вают скорость их движения. Такая передача энергии будет проис­ходить до тех пор, пока средняя скорость обоих тел и их темпера­туры не сравняются. Таким образом, передача теплоты от теплого тела к более холодному происходит без затраты какой-либо энер­гии. Обратный процесс, т.е. передача теплоты от холодного тела к теплому, самопроизвольно не осуществляется. Но при затрате ра­боты он может быть осуществим. Поэтому второй закон термоди­намики может быть сформулирован так: чтобы передать теплоту от холодного тела к теплому, необходимо затратить работу.

Теплота — это энергетическая характеристика процесса тепло­обмена, измеряемая количеством энергии, передаваемым от одно­го тела к другому тремя способами: теплопроводностью, конвек­цией и лучистым теплообменом.

Теплопроводность — это процесс распространения тепла в теле вследствие теплового движения его молекул. Скорость движения мо­лекул при повышении температуры возрастает, увеличивается число соударений с соседними молекулами. В твердых телах теплопровод­ность — единственный способ распространения тепла.

Конвекция — это процесс передачи тепла в жидкости или газе вследствие теплопроводности и непосредственного перемещения их частиц из одной части объема в другую. Конвективный перенос тепла наблюдается в движущихся жидкостях, газах, сыпучих телах.

Лучистый теплообмен — это процесс передачи тепла от одного тела к другому тепловыми лучами (электромагнитными колебани­ями) через промежуточную прозрачную для теплового излучения среду. В облучаемом теле лучистая энергия вновь трансформиру­ется в энергию теплового движения молекул (атомов).

Универсальной единицей измерения работы, любого вида энер­гии, а также количества теплоты в системе СИ является джоуль (Дж), представляющий собой работу силы в 1 Н на пути в 1 м при совпаде­нии направлений силы и перемещения точки ее приложения.

Единицей измерения мощности является ватт (Вт), представля­ющий собой мощность, соответствующую работе в 1 Дж, совер­шенной в 1 с (1 Вт =1 Дж/с). Единицы измерения тепловой (холо­дильной) мощности и теплового потока, а также коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи и теплопроводности выражают в ват­тах или кратных им единицах.

Соотношения между единицами измерения тепловой энергии следующие:

1 кДж = 0,239 ккал = 0,278*10^-3 кВт*ч;

1 ккал = 4,187 кДж = 1,163*10^-3 кВт*ч;

1 кВтч = 3600 кДж = 860 ккал.

Способность различных веществ проводить тепло характеризу­ется коэффициентом теплопроводности [кВт/(м*К)], т.е. количе­ством тепла, которое проходит через проводник (тело) длиной 1 м с поперечным сечением 1 м² за 1 ч при разности температур на его концах в один градус.

Теплоотдача — это процесс теплообмена между твердой стен­кой (телом) и обтекающей ее жидкой (газообразной) средой.

Теплопередача — это процесс теплообмена между двумя среда­ми, разделенными некоторой перегородкой.

Коэффициент теплоотдачи [кВт/(м²К)] показывает, какое ко­личество тепла отдается (отбирается) в 1ч. с единицы поверхности тела при разности температур среды и поверхности тела в один градус. Коэффициент теплопередачи к [кВт/(м²К)] определяет ко­личество тепла, проходящее в 1 ч через единицу поверхности при разности температур веществ по обе стороны этой поверхности в один градус.

Подвод или отвод тепла приводит к нагреванию или охлажде­нию тела.