1- Введение

Техническая термодинамика – наука, изучающая процессы взаим­ного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, с помощью которых осуществится эти процессы. Термодинамика ос­новывается на двух законах, установленных опытным путем и назы­ваемых первым и вторым началом термодинамики.

Первое начало является частным случаем всеобщего закона сох­ранения и превращения энергии, применяемому к превращениям тепло­вой и механической энергиям.

Второе начало устанавливает условия протекания и направлен­ность макроскопических процессов в системах и, в основном, уста­навливает условия преобразования тепла в работу.

Техническая термодинамика, как наука, возникла в ответ на запросы практики (необходимость совершенствования первых тепло­вых двигателей паровых машин) в 19 веке, в период первой промыш­ленной революции.

При изучении используется термодинамический метод исследования, который имеет следующие особенности:

• термодинамика строится по дедуктивному принципу, т.е. от общего к частному;

• термодинамика рассматривает только макроскопические системы, микроструктуры веществ не рассматриваются;

• описание процессов в термодинамике основывается на понятии о макроскопическом равновесии, т.е. процессы рассматриваются как непрерывная последовательность состояний равновесия (квазистатические процессы);

• анализ термодинамических процессов выполняется с использованием диаграмм.

1.1 Основные определения и понятия

1.1.1 Общее определение технической термодинамики

Техническая термодинамика – наука, изучающая процессы взаим­ного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, с помощью которых осуществится эти процессы. Термодинамика ос­новывается на двух законах, установленных опытным путем и назы­ваемых первым и вторым началом термодинамики.

Первое начало является частным случаем всеобщего закона сох­ранения и превращения энергии, применимого к превращениям тепло­вой и механической энергиям.

Второе начало устанавливает условия возникновения и направлен­ность развития макроскопических процессов в системах и, в основном, определяет условия преобразования тепла в работу.

Техническая термодинамика, как наука, возникла в ответ на запросы практики (необходимость совершенствования первых тепло­вых двигателей паровых машин) в Х1Х веке, в период первой промыш­ленной революции.

1.1.2 Рабочее тело, идеальный газ

Взаимное преобразование тепловой и механической энергии производится с помощью промежуточного материального тела, кото­рое является носителем энергии и называется в термодинамике – рабочее тело. В качестве рабочего тела в термодинамике исполь­зуется главным образом - газ и реже жидкость. Преимуществом газа является большая способность к изменению объема при изменении давления и температуры за счет чего обычно совершается работа.

Для упрощения теоретических закономерностей в качестве ра­бочего тела термодинамика рассматривает идеальный газ, в которой отсутствуют силы сцепления между молекулами, а сами молекулы, имея массу, не имеют объема, т. е. являются материальными точками.

Реальный газ по свойствам приближается к идеальному газу при низком давлении, а также, если его температура значительно больше температуры испарения жидкости, паром которой он является. В ос­тальных случаях отклонение свойств реального газа от идеального учитывается за счет введения поправочных коэффициентов, определяемых опытным путем.

1.1.3 Параметры состояния рабочего тела

Физическое состояние рабочего тела определяется величинами, называемыми параметрами состояния. Термодинамика устанавливает 6 параметров состояния. Три параметра могут быть измерены непос­редственно (физически) это удельный объем, абсолютное давление и абсолютная температура. Остальные три параметра определяют энер­гетическое состояние рабочего тела и не могут быть измерены не­посредственно. Это – внутренняя энергия, энтальпия, энтропия. Все параметры состояния принято измерять и использовать в расчетах в Международной системе единиц измерения СИ.

Рассмотрим первые три основных (физических) параметров сос­тояния.

1. Удельный объем – объем, занимаемый единицей массы данного вещества, обозначается υ, измеряется в м³/кг. Об­ратная величина называется плотностью, обозначается и измеряется в кг/м³.

2. Давление – сила, действующая на единицу площади по­верхности, ограничивающую объем данного газа (по молекулярно-кинетической теории, давление является средним, суммарным резуль­татом силы ударов молекул газа о стенки ограничивающей поверхнос­ти). Обозначается – p измеряется в Н/м². Эта единица называ­ется "Паскаль", обозначается (Па). Так как Паскаль очень маленькая ве­личина, то в практике используют и производные величины: кПа (10³ Па); МПа (10⁶ ПА); бар (10⁵ Па) и т.д. Связь Паскаля с другими единицами давления следующая: 1 атм = 1 кГс/см² = 0,981 10⁵ Па; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па; 1 мм вод. ст. = 9,81 Па.

На практике давление измеряется как разность между абсолют­ным давлением газа в измеряемом объеме и давлением среды окру­жающей измерительный прибор (в основном – атмосферное давление), т.е. абсолютное давлению газа в объеме вычисляется так:

,

где р_абс – абсолютное давление газа, – то реальное давление, которое оказывает газ на стенки ограничивающей поверхности;

р_изм – измеренное давление – давление, которое показывает измерительный прибор (манометр);

р_атм – атмосферное давление – давление среды (атмосферы) окружающей измерительный прибор, оно измеряется специальным прибором барометром.

Если давление газа в объеме больше атмосферного, то вели­чина р_изм называется избыточным давлением и учитывается с положительным знаком.

Если в объеме давление газа меньше атмосферного, то вели­чина р_изм называется вакуумом и имеет отрицательный знак.

В термодинамических расчетах используется только величина абсолютного давления газа, выраженная в Па.

3. Температура характеризует степень нагретости тела и представляет собой меру средней кинетической энергии поступа­тельного движения всех молекул газа в объеме. Обозначается t или T, измеряется в градусах. Градусом называется 1/100 часть международной стоградусной шкалы.

В термодинамике используют две шкалы отсчета температур.

Основная, термодинамическая шкала температур, шкала Кель­вина, отсчитывается от абсолютного нуля температуры, т.е. от состояния полного покоя молекул газа. Температура газа, отсчиты­ваемая по шкале Кельвина называется абсолютной температурой, обозначается T – ее размерность "Кельвин" обозначается К, при этом всегда T>0.

Вспомогательная шала температур, шкала Цельсия, отсчиты­вается от условного нуля – температуры таяния льда при нормаль­ном давлении. Температура, принимаемая по шкале Цельсия, обозна­чается t, ее размерность "градус", имеет ту же величину, что и по шкале Кельвина и обозначается ^oC. Связь между температурами, отсчитываемыми по обеим шкалам следующая:

.