Техническая термодинамика. Экзаменационная программа 2020

1. Термодинамика. Термодинамическая система, ее виды. Понятие равновесной и неравновесной термодинамической системы. Термические коэффициенты.

Термодинамика – наука, изучающая законы превращения энергии в различных сопровождающихся тепловыми эффектами физических, химических и других процессах.

Термодинамическая система – совокупность тел, которые могут энергетически взаимодействовать между собой и с другими телами и обмениваться с ними веществом.

Виды термодинамических систем:

1. Открытая система

,

,

;

2. Закрытая система

,

,

;

3. Адиабатная система

,

,

;

4. Изолированная система

,

,

.

Равновесная термодинамическая система – система при постоянных внешних условиях с неизменными во времени термодинамическими параметрами. В такой системе отсутствуют потоки вещества и теплоты.

Реальные процессы протекают при нарушении равновесия между системой и окружающей средой, при этом возникают потоки теплоты и вещества внутри системы. Такая система называется неравновесной.

• Открытая термодинамическая система (Open thermodynamic system). Термодинамическая система, которая может обмениваться веществом с другими системами.

• Закрытая термодинамическая система (Closed thermodynamic system). Термодинамическая система, которая не может обмениваться веществом с другими системами.

• Изолированная термодинамическая система (Isolated thermodynamic system). Термодинамическая система, которая не может обмениваться энергией и веществом с другими системами.

• Адиабатная термодинамическая система (Adiabatic thermodynamic system). Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами.

Интенсивными называются свойства системы, не зависящие от количества вещества в системе. Экстенсивными называются свойства системы, зависящие от количества вещества в системе. Удельными свойствами системы называются экстенсивные свойства системы, отнесенные на единицу массы системы. По своему смыслу они становятся интенсивными свойствами. Термодинамические параметры могут быть интенсивными и экстенсивными. Экстенсивные параметры: объем системы (V, м3 ), внутренняя энергия системы (Uвн, Дж) и т. д. Интенсивные параметры: температура, давление, плотность (ρ = m/V, кг/м3 ), удельный объем (v = V/m, м3 /кг), удельная внутренняя энергия (u = Uвн/m, Дж/кг). Для того, чтобы определить термодинамическое состояние системы минимальным набором термодинамических параметров, нужно определить число степеней свободы термодинамической системы. Число степеней системы свободы определяется числом независимых взаимодействий ТС с окружающей средой. Например. Дана закрытая ТС, взаимодействующая с окружающей средой посредством передачи теплоты и совершением работы расширения – для описания данной ТС потребуются два термодинамических параметра.

Термические коэффициенты:

1. Изобарный коэффициент расширения

;

2. Изотермический коэффициент сжатия

;

3. Изохорный коэффициент давления

.

Взаимосвязь термических коэффициентов:

,

,

,

,

.

2. Функции состояния и функции процесса. Понятие теплоты и работы. Понятия равновесного и неравновесного процесса.

Функция состояния – величина, значение которой определяется состоянием системы, не зависимо от того, каким путем пришла система в это состояние.

Свойства функций состояния

– функция состояния,

– параметры,

1. ,

2. ,

3. ,

4. .

Функция процесса – величина, значение которой зависит от вида процесса, изменения состояния системы.

Теплота Q – количественная мера неупорядоченного движения, передаваемого через границы системы.

Работа L – количественная мера упорядоченного движения, передаваемого через границы системы.

Q и L проявляются только в процессе, в состоянии системы они отсутствуют.

Процесс является равновесным, если параметры системы изменяются физически бесконечно медленно и система все время находится в равновесных состояниях.

Процесс неудовлетворяющий этому условию является неравновесным.

3. Первый закон термодинамики. Принцип эквивалентности теплоты и работы. Опыт Джоуля.

I закон термодинамики: энергия не может быть создана или уничтожена, она лишь переходит из одной формы в другую в различных физических процессах.

Принцип эквивалентности: при затрате одного и того же количества работы всегда выделяется одно и то же количество теплоты, то есть переход энергии из одной формы в другую подчиняется строгой количественной закономерности.

Опыт Джоуля

Цель: установление соотношения между работой, затрачиваемой при выделении теплоты, и количеством выделенной теплоты.

В теплоизолированный медный сосуд 1, заполненный водой, погружена мешалка 2, снабженная лопатками. К стенкам сосуда также прикреплены лопатки 3, затрудняющие движение воды при вращении мешалки. Мешалка приводится во вращение посредством опускания связанного с ней тросом через блок 5 груза 4 весом G. При опускании на высоту Δz работа, производимая грузом (и, следовательно, мешалкой), равняется убыли потенциальной энергии груза GΔz. Теплота, выделившаяся в сосуде с водой, вычисляется по повышению температуры воды, измеряемой термометром

,

.

Джоуль установил, что между затраченной работой L и количеством полученной теплоты Q существует прямая пропорциональность:

,

где A – коэффициент пропорциональности. Джоуль нашел, что коэффициент пропорциональности A всегда сохраняет одно и то же значение независимо от способа получения теплоты, вида работы, температуры тела и т.д.

4. Формулировки и аналитические выражения I закона термодинамики. Энергия и работа, их виды.

Формулировки I закона термодинамики:

• Теплота, подведенная к термодинамической системе, расходуется на увеличение энергии этой системы и совершение работы;

• Вечный двигатель I-го рода невозможен, то есть невозможно производить работу, не подводя теплоту, энергию извне.

Аналитические выражения I закона термодинамики:

,

,

,

.

Внутренняя энергия – суммарная энергия частиц, составляющих систему. Это энергия всех видов движения и взаимного положения частиц.

,

– внутренняя энергия при температуре абсолютного нуля,

,

,

– число частиц,

– средняя кинетическая энергия одной частицы при колебаниях.

Работа – энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии.

Для всех видов работ:

, где F – обобщенная сила, x – обобщенная координата,

, L – работа расширения, – другие виды работ (в термодинамических системах ).

,

,

– внешнее давление,

,

, где p –давление внутри системы,

– работа расширения системы.