Головні поняття та визначення

Термодинаміка – це наука, що вивчає закони перетворення енергії в різноманітних процесах, які супроводжуються поглинанням або виділенням тепла.

Види термодинаміки: загальна, технічна і хімічна.

Загальна термодинаміка – розглядає теоретичні основи і їх застосування для дослідження фізичних явищ (електроенергія, магнетизм, випромінення та ін.) і властивостей різноманітних тіл.

Технічна термодинаміка – вивчає теплові процеси в теплових двигунах і обладнанні. Її головним завданням є пошук найбільш раціональних способів перетворення теплоти в роботу і навпаки.

Хімічна термодинаміка – вивчає хімічні та фізико-хімічні процеси перетворення енергії.

Термодинамічна система – система тіл, що обмінюються енергією між собою та з навколишнім середовищем. Якщо система не взаємодіє з оточуючим середовищем , вона називається ізольованою. Система називається закритою якщо її маса залишається незмінною. Системи зі змінною масою називаються відкритими.

Фізичні величини, що характеризують стан термодинамічної системи називають термодинамічними параметрами. У якості параметрів стану в термодинаміці використовують: питомий об’єм, тиск, температуру, концентрацію та інші величини. Параметри стану системи поділяють на зовнішні та внутрішні.

Зовнішніми параметрами системи називають величини, що залежать лише від положення зовнішніх тіл і їх характеристик. Наприклад об’єм посуду в якому знаходиться газ, електричне або інші силові поля.

Внутрішні параметри системи залежать не лише від положення зовнішніх тіл, але і від характеристик частинок, що утворюють цю систему. Наприклад тиск і температура газу.

Тиск – величина сили, що діє на одиницю площі поверхні тіла перпендикулярно до неї. В техніці застосовують: абсолютний тик, надлишковий тиск та розрідження. Одиницями вимірювання тиску є: Па, м.в.ст, мм. рт. ст., атмосфера. 101325 Па = 760 мм.рт.ст. = 1 атм.

Абсолютний тиск Р_А визначається як сума барометричного (атмосферного) Р_БАР і надлишкового (манометричного) Р_МАН тиску

Р_А= Р_БАР + Р_МАН, Па, кПа, МПа.

У таблиці 1 наведені співвідношення між різними одиницями вимірювання тиску.

Таблиця 1

№ з/п	Одиниці вимірювання	Па	кгс/см2, (ат)	кгс/м2, (мм вод. ст.)	мм рт. ст.	бар
1	1 Па	1	1,02·10–5	0,102	7,5·10–3	10–5
2	1кгс/см2 =1ат	9,8·104	1	10000	735	0,98
3	1мм вод. ст. = 1 кгс/м2	9,8	10–4	1	7,35·10–2	9,8·10–5
4	1мм рт. ст.	133	1,3·10–3	13,6	1	1,3·10–3
5	1бар	105	1,02	10200	7,5·102	1

Температура – параметр, що характеризує тепловий стан тіла. Вона є мірою хаотичного руху молекул. Прийнятими одиницями вимірювання є ^ОС і К.

Існують такі шкали вимірювання температур:

–шкала Цельсія t ⁰С; за 0 ⁰С у якій прийнято вважати температуру переходу води в кристалічний стан за нормальних умов (НУ), а за 100 ⁰С – стан кипіння тієї ж самої води за НУ;

– шкала Кельвіна T ⁰K, у якій за 0 ⁰K прийнятий стан, що називають абсолютним нулем, – температура, при котрій у будь-якому тілі припиняється рух молекул. T (⁰K)= 273,15+ t (⁰С);

• ш кала Фаренгейта ⁰F. У цій шкалі температури плавлення льоду і кипіння води прийняті відповідно за 32⁰ і 212⁰, .

У термодинаміці температуру виражають, як правило, за шкалою Кель-віна (абсолютна температура), ºК.

Густину різних газів робочих тіл за нормальних умов, тобто при температурі ОºС і тиску 0,1 МПа, можна визначити за їх молярним об’ємом, що дорівнює 22,4 нм³ та масі одного кіломоля μ, кг,

кг/нм³.

При збільшенні тиску і зменшенні температури газів їх густина зростає. При температурі t, ºС, і надлишковому тиску Р, МПа, густина газу визначається за формулою

кг/м³,

де Р_БАР – барометричний тиск за нормальних умов, Р_БАР =0,1МПа.

Питомим об’ємом υ є величина, обернена густині робочого тіла ρ, кг/м³,

υ = , м³/кг,

де V, m – об’єм та маса робочого тіла відповідно при заданих значеннях тиску Р_А і температури Т.

Стан термодинамічної рівноваги (стаціонарний стан) – такій стан системи який не змінюється з плином часу.

При зміні зовнішніх параметрів системи буде змінюватися і стан системи – система буде здійснювати термодинамічний процес.

Термодинамічний процес називають рівноважним якщо в ньому система проходить через неперервну послідовність безкінечно близьких станів її термодинамічної рівноваги. Такий процес здійснюється при малих різницях температур оточуючого середовища і термодинамічної системи.

Нерівноважний стан це стан переходу термодинамічної системи з одного рівноважного стану в інший за кінцевий проміжок часу. Такі процеси відбуваються при великих різницях температур та супроводжуються нерівномірним розподілом тиску по усій термодинамічній системі.

Рівноважний термодинамічний процес називають прямим якщо він пов’язаний з розширенням робочого тіла. Якщо він пов’язаний зі стисканням робочого тіла – зворотним процесом.

Процеси, що можуть протікати у прямому і зворотному напрямку називають оборотними. Для того, щоб процес був оборотний необхідно: відсутність хімічних реакцій в робочому тілі, відсутність тертя, безкінечний проміжок часу проміжок часу протікання процесу. До оборотних процесів можна віднести процеси що здійснюються з паром в парових електростанціях.

Якщо в результаті здійснення прямого і зворотного процесів робоче тіло не повертається у вихідне положення то такий процес називається необоротним. Прикладами таких процесів є: згорання палива, передача теплоти від гарячого тіла до холодного.

Якщо при постійній масі газу значення всіх його параметрів на початку і в кінці процесу однакові, то такий процес називають круговим або замкненим.

У взаємоперетвореннях теплової та механічної енергії приймає участь робоче тіло. У якості робочого тіла можуть застосовуватися: тверді тіла, рідини і гази. Однак в технічній термодинаміці у якості робочого тіла найбільш часто застосовують саме гази. Це пов’язано з тим. що газ має великий коефіцієнт об’ємного розширення, що дозволяє ефективно застосовувати його в процесах взаємного перетворення теплоти в роботу і навпаки.

В термодинаміці застосовують два поняття газів: реальні та ідеальні.

Реальний газ – газ, молекули якого мають сили взаємодії і кінцеві (хоч і досить малі) розміри. В реальних газах існують сили міжмолекулярного протягування і відштовхування.

Ідеальний газ – газ, молекули якого мають безкінечно малий власний об’єм і не взаємодіють одна з іншою на відстані. Ідеальний газ це найпростіша модель робочого тіла.

Для графічного відображення термодинамічних процесів застосовують термодинамічні діаграми. Найпростішою є діаграма P-V. Крім неї також застосовують діаграми в координатах T-S, i-S, i-d.

Моль – кількість речовини, маса якої в грамах рівна її відносній молекулярній масі (водень – 2 гр, азот – 28 гр.).

Нормальні умови – термодинамічна система при температурі 273 К і тиску 101325 Па.