1. Основные понятия технической термодинамики

1.1. Материя и энергия

Из курса физики известно, что любой отдельно взятый предмет называется физическим телом. Все тела материальны. Под материей понимают вещество, из которого состоит тело.

Важным свойством материи является то, что она всегда и везде находится в состоянии движения. Хотя формы движения материи разнообразны, но все их можно разделить на видимые и невидимые.

Распространенной формой видимого движения материи является движение всего тела в целом, когда изменяется его положение относительно других тел, условно считаемых неподвижными (механическая форма движения).

Распространенной невидимой формой движения материи является теплота, которая характеризуется беспорядочным движением структурных частиц, составляющих тело. Чем больше таких частиц в теле и чем больше средняя скорость их движения, тем больше энергия тела и, вместе с тем, больше его работоспособность. Таким образом, энергия является характеристикой работоспособности тела.

Так как формы движения материи разнообразны, то и энергия проявляется в разных видах. Например, механическая, химическая, электромеханическая, атомная, солнечная и т.д.

1.2. Физическое состояние вещества

Вещество в природе может существовать в трех состояниях (фазах): твердом, жидком и газообразном. Но в каком бы состоянии вещество не находилось, оно состоит из вечно движущихся частиц: молекул, атомов, ионов и др., связанных между собой силами взаимодействия (притяжения или отталкивания).

В твердых телах силы притяжения между частицами настолько велики, что такое тело сохраняет свою форму, и чтобы нарушить её, необходимо приложить к телу определенное усилие. В жидкостях силы притяжения между частицами существенно меньше, чем в твердых телах. Жидкость не в состоянии сохранять свою форму и поэтому принимает форму того сосуда, в котором она находится. В газообразных телах расстояния между частицами вещества оказываются настолько большими, а силы взаимодействия незначительными, что газы распространяются по всему пространству, в котором они находятся.

В определенных условиях вещество может переходить из одного физического (агрегатного) состояния в другое. Например, вода в твердом состоянии (лед) при нагревании превращается сначала в жидкость, а затем в пар.

Возможные способы перехода однокомпонентного вещества из одной фазы в другую наглядно могут быть показаны на фазовой диаграмме (рис. 1.1). Линиями AB, AC и AD площадь диаграммы разделена на 3 зоны: I – зона твердого состояния; II – зона жидкого состояния; III – зона газа (пара).

Линия 1 – 4 графически изображает процесс, в котором твердое вещество при постоянном давлении путем нагревания превращается вначале в жидкость, а затем в газ (пар). В точке 2 вещество может находиться в двух фазах одновременно: твердой и жидкой. На участке 2 – 3 – вещество находится в жидком состоянии, а на участке 3 – 4 – в состоянии перегретого пара (газа). В точке 3 оно находится в состоянии сухого насыщенного пара.

Е сли уменьшить давление, при котором происходят эти фазовые превращения, то линии процесса, будут перемещаться влево, и точки 2 и 3 постепенно будут сближаться и, наконец, сольются. Точка А называется тройной, в ней вещество может находиться одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Если линию процесса передвинуть еще влево, то процесс преобразования вещества из твердого в газообразное изобразится, например, линией 5 – 7. Последний процесс называется возгонкой (сублимацией). По этому процессу происходит, в частности, превращение сухого льда (твердой углекислоты) в углекислый газ.

В тепловых двигателях теплота преобразуется в работу. Для такого преобразования используют теплоносители, называемые рабочими телами.

На практике в качестве рабочих тел используют газ и пар, которые при изменении температуры и давления могут значительно изменять свой удельный объем и при этом совершать большую работу, чем жидкие и твердые тела.