Питання до екзамену з дисципліни «Технічна термодинаміка і теплотехніка»
Основна термінологія технічної термодинаміки.
Основна термінологія технічної термодинаміки.
Термодинаміка – це наука про властивості енергії в її різних видах та про закономірності перетворення одного виду енергії в інший.
Визначення енергії відносять до філософських категорій і можна дати наступне визначення:Енергія – єдина скалярна міра різних видів руху матерії.
Види енергії – механічна, теплова, електрична, хімічна, ядерна (термоядерна).
1820 рік почали зароджуватися теплові двигуни і тоді ж почала зароджуватися наука, яка сьогодні називається технічна термодинаміка. Технічна термодинаміка відрізняється від класичної термодинаміки тим, що предметом вивченнятехнічної термодинаміки є тільки два види енергії, а саме теплова і механічна.
Можна дати визначення технічної термодинаміки – це наука про властивості теплової і механічної енергій та про закономірності перетворення теплової енергії в механічну та навпаки.
Робота і теплота – як дві форми енергообміну.
Робота – це макрофізична форма енергообміну між тілами, яка супроводжується зміною зовнішніх кінетичної та потенціальної енергії цих тіл.
Для того щоб мала місце макрофізична форма енергообміну, зміна механічної енергії або як ще її називають була механічна робота потрібно щоб тіла рухалися так щоб цей рух людина фіксувала. Відмічала переміщення тіл одного відносно другого.
В світовій літературі
механічну роботу прийнято позначати
буквою L.
Якщо ми маємо якесь тіло масою 
і
чи над цим тілом виконана робота чи від
тіла в навколишнє середовище передана
робота то користуються ще поняттям питомої
механічної енергії або питомої
механічної роботи.
Одиниці вимірювання – будь-який вид
енергії вимірюється в системі СІ Дж.
Похідні величини кДж, МДж і т.д.
- питома
робота. Це
та механічна енергія яка передана від
або до 1 кг робочого тіла.
Тепло або теплота – це мікрофізична форма передачі енергії від тіла до тіла, яка супроводжується зміною внутрішньої молекулярної енергії тіл, що взаємодіють.
В технічній
термодинаміці теплову енергію прийнято
позначати Q,
одиниці вимірювання 
, 
, 
і
т.д. Аналогічно якщо теплота підводиться
або відводиться від тіла масою
і
ми поділимо її на цю масу то отримаємо
-
питома теплота.
Історія розвитку термодинаміки.
Термодинаміка виникла в зв'язку з практичними потребами людства. Наприкінці XVIII століття в Англії розпочалася промислова революція, одним із чинників якої був винахід парового двигуна. Завдяки цьому винаходу людство навчилося перетворювати тепло у механічну роботу. Виникла необхідність розуміння та кількісного опису процесів, які при цьому відбуваються.
Прилади
Термометр Галілея
Для розбудови теорії будь-якого явища перш за все необхідні спостереження і розумно поставлений експеримент, який вимагає вимірювальних приладів. Для термодинаміки такими вимірювальними приладами були термометр і манометр. Перший призначений для вимірювання температури, другий для вимірювання тиску. Тільки після винаходу засобів для вимірювання температура й тиск стали справжніми кількісними фізичними величинами.
Винахід термометра приписують різним ученим від Авіцени до Галілея, однак ранні прилади були радше термоскопами, за допомогою яких можна було пересвідчитися у зміні температури, а не виміряти її. Справжні термометри з'явилися тільки тоді, коли була встановлена температурна шкала, яка дозволяла градуювати будь-який термометр таким чином, щоб показувати однакову температуру в однакових умовах. Серед багатьох пропозицій температурних шкал першою прижилася шкала Фаренгейта. Фаренгейт також налагодив серійне виробництво термометрів, відкривши таким чином дорогу для встановлення законів поширення тепла.
Перші прилади для вимірювання тиску винайшли ще в IX столітті брати Бану Муса, однак справжній науковий інтрумент учені отримали тільки після винайдення в 1643 році Еванджелістою Торрічеллі ртутного барометра і встановлення одиниці тиску через висоту ртутного стовпчика в ньому.
У XVIII-му столітті зародилася калориметрія, яка дозволила вимірювати кількість теплоти. Перший калориметр винайшов Джозеф Блек.
Газові закони
Таким чином у XVII-XVIII століттях людство мало в своєму розпорядженні засоби для встановлення взаємозв'язку температури, тиску та об'єму для газів. На ту пору хіміки уже постаралися відкрити кілька газів: кисень, водень, азот, вуглекислий газ і водяну пару. Завдяки дослідженням Бойля, Маріотта, Гей-Люссака, Шарля були відкриті закони для процесів у газах： ізотермічного - закон Бойля-Маріотта, адіабатичного, ізохоричного - закон Шарля та ізобаричного - закон Гей-Люссака.
Об'єднання цих законів привело до думки, що основну термодинамічні змінні: тиск, температура й об'єм для кожної речовини у стані теплової рівноваги зв'язані певним співвідношенням, яке отримало назву рівняння стану.
Подальші дослідження проводилися уже не для газів, близьких до абстрактного ідеального газу, а для реальних газів, для яких газові закони можуть мати зовсім інший вигляд, і в яких можливі такі процеси, як конденсація - фазові переходи.
Перші теорії
Першою теорією, яка намагалася пояснити теплові явища була теорія теплецю, запропонована Лавуазьє. Лавуазьє припустив існування певної невагоомої речовини, яка перетікає від гарячих тіл до холодних при встановленні теплової рівноваги між ними. Проте подальші дослідження показали, що такої речовини не існує.
У 1824 році Саді Карно опублікував мемуар «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance» (Міркування щодо рухливої сили вогню та машин, спроможних використовувати цю силу), який започаткував сучасне розуміння теплових процесів. В цьому мемуарі він вводить нові поняття, які стали відомими як тепловий двигун Карно, цикл Карно, рухлива сила. Роботу Карно продовжив і виправив Еміль Клапейрон у мемуарі Puissance motrice de la chaleur (Рухлива сила тепла), опублікованому в 1834 році.
Перший та другий закони термодинаміки
Перший закон термодинаміки було встановлено завдяки роботам Джоуля, Маєра та Гельмгольца. Джоуль провів дослідження, які допомогли встановити пропорційність між кількістю теплоти та механічною роботою. Завдяки цим дослідженням виникло поняття енергії. Перший закон термодинаміки є формулюваннямзакону збереження енергії.
В 50-х та 60-х роках XIX-го століття Рудольф Клаузіус виробив поняття ентропії, сформулювавши другий закон термодинаміки. Запровадження термодинамічних потенціалів дозволило сформулювати термодинамічні закони в тому вигляді, в якому вони відомі й тепер.
Статистична фізика
В другій половині XIX-го століття почало виникати розуміння атомарної будови речовини. Якщо досі термодинаміка використовувала в основномуфеноменологічний підхід, то поняття атома дозволило зрозуміти термодинамічні закони на молекулярному рівні. Новий розділ фізики - статистичну фізикузапочаткували Джеймс Клерк Максвел, Джозая Ґібс та Людвіг Больцман. Больцману, зокрема, належить формула, яка зв'язує термодинамічну ентропію із кількістю можливих мікроскопічних станів у системі, яка стала основою для нової теорії.
На основі статистичного атомарного підходу нову інтерпретацію отримало поняття температури, як міри теплового руху атомів та молекул.
Третій закон термодинаміки
З розвитком кріогенної техніки на початку XX століття виникла можливість досліджувати властивості речовин при дуже низьких температурах. Це дозволило сформулювати третій закон термодинаміки - твердження про те, що ентропія однокомпонентних речовин прямує до нуля при зменшенні температури доабсолютного нуля.
Процеси нерівноважної термодинаміки
Рівноважна термодинаміка стала довершеною наукою на початку XX століття. Сучасні дослідження зосереджені в основному на властивостях нерівноважних та відкритих систем, вивченні процесів переносу, релаксації, самоорганізації.