теор / Термодинамика и теплопередача, Калинин, Купцов, Лопатин

6

Введение

Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики, инструментом проведения внутренней и внешней политики.

Энергетический сектор обеспечивает жизнедеятельность многих отраслей промышленности, консолидацию субъектов Российской Федерации, во многом определяет формирование основных финансово-экономических показателей страны.

Приоритетными задачами энергетической стратегии России являются:

•полное и надежное обеспечение населения и экономики страны энергоресурсами по доступным и вместе с тем стимулирующим энергосбережение ценам;

•снижение рисков и недопущение развития кризисных ситуаций в энергообеспечении страны;

•снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования, сокращения потерь при добыче, транспортировке и реализации продукции топливно-энергетического

комплекса и т.д.

Решение многих из этих задач невозможно без использования методологии

иматематического аппарата, представленного в разделах термодинамики и теплопередачи, которые являются базовыми дисциплинами для большинства технических направлений образования.

Нефтегазовая отрасль является одним из основных потребителей тепловой, механической и электрической энергии в стране. Расход топливно-энергетиче- ских ресурсов на собственные нужды в нефтегазовой отрасли достигает 20% от эквивалентного количества добываемых нефти и газа.

Поэтому будущему специалисту нефтегазовой отрасли необходимо знать методологию, основные принципы и законы термодинамики и теплопередачи.

Учебник написан на основе многолетнего опыта преподавания курса лекций по термодинамике и теплопередаче в Российском Государственном Университете нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина. Авторы хотят подчеркнуть, что учебник посвящается нашим учителям и многолетним заведующим кафедрой термодинамики и тепловых двигателей профессорам Николаю Иовичу Белоконь

иБорису Павловичу Поршакову.

Часть 1.

ТЕРМОДИНАМИКА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Термодинамика – наука, изучающая законы превращения энергии и особенности процессов этих превращений.

В основу термодинамики положены основные законы или начала, установленные опытным путем [3].

Первое начало термодинамики характеризует собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии: «энергия изолированной системы при

всех изменениях, происходящих в системе, сохраняет постоянную величину». Отсюда, в частности, следует вывод о невозможности построения вечного двигателя первого рода, способного производить работу без получения энергии извне.

Второе начало характеризует качественную сторону и направленность процессов, происходящих в системе. Второе начало термодинамики отражает принципы существования абсолютной температуры и энтропии, как функций состояния, и возрастания энтропии изолированной термодинамической системы. Важнейшим следствием второго начала является утверждение о невозможности осуществления полных превращений теплоты в работу. Отсюда следует вывод о невозможности построения вечного двигателя второго рода, способного полностью превращать теплоту в работу.

Третье начало термодинамики (закон Нернста) гласит о том, что при абсо-

лютном нуле все равновесные процессы происходят без изменения энтропии, при этом энтропии всех веществ не только равны между собой, но и равны нулю [12].

Метод термодинамики заключается в строгом математическом развитии исходных постулатов и основных законов, полученных на основе обобщения общечеловеческого опыта познания природы и допускающих прямую проверку этих положений во всех областях знаний. Термодинамика, построенная по такому принципу, называется феноменологической термодинамикой. Она изучает связи между макроскопическими величинами системы, например, между давлением, температурой

иобъемом, без описания микроскопических (атомных, молекулярных) явлений.

1.1.Основные понятия и определения

Термодинамическая система

Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система. Под понятием системы подразумевается тело или совокупность тел. Система называется

закрытой, если она сохраняет постоянное количество вещества при всех происходящих в ней изменениях; если нет, то систему принято называть открытой.

Если между системой и окружающей ее средой нет каких-либо энергетических взаимодействий, то такую систему принято называть изолированной системой.

Система, состоящая из одной фазы вещества или веществ, называется гомогенной. Гомогенная система, неподверженная действию гравитационных, электромагнитных и других сил и имеющая во всех своих частях одинаковые свойства, называется однородной.

Система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз), отделенных поверхностью раздела, называется гетерогенной.

Термодинамической системой принято называть систему, внутреннее состояние которой определяется значениями определенного количества независимых переменных, которые принято называть параметрами состояния. Если состояние термодинамической системы и ее параметры не изменяются во времени, то говорят, что система находится в равновесном состоянии.

Равновесным состоянием системы называется такое состояние системы, которое может существовать сколь угодно долго при отсутствии внешнего воздействия.

Простейшей термодинамической системой или простым телом называется равновесная система, физическое состояние которой вполне определяется значениями двух независимых переменных. К простым телам относятся: газы, пары, жидкости и многие твердые тела, находящиеся в термодинамическом равновесии и не подверженные химическим превращениям, действию гравитационных и электромагнитных сил.

Параметры состояния

Параметры состояния – физические величины, характеризующие внутреннее состояние термодинамической системы. Параметры состояния термодинамической системы подразделяются на два класса: интенсивные и экстенсивные. Интенсивные свойства не зависят от массы системы, а экстенсивные – пропорциональны массе.

Термодинамическими параметрами состояния называются интенсивные параметры, характеризующие состояние системы.

К простейшим термодинамическим параметрам состояния относятся: удельный объем v , давление p и температура t, T .

Удельный объем – это объем единицы массы вещества, а величина, обратная

Термин idem используется для физических величин, сохраняющих в рассматриваемом процессе неизменное значение.

Связь между параметрами, характеризующими состояние термодинамической системы называется уравнением состояния, в случае простого тела уравнение состояния в неявном виде имеет следующий вид F(р, v, T) = 0.

Термодинамические процессы

Изменение состояния системы называется процессом.

Равновесный процесс – это непрерывная последовательность равновесных состояний системы.

Обратимым процессом называется такой равновесный процесс, который допускает возможность возврата этой системы из конечного состояния в исходное путем обратного процесса. В результате прямого и обратного обратимых процессов в системе и во внешней среде не происходит каких либо остаточных конечных изменений.

Термодинамическим процессом принято считать обратимый равновесный процесс.

Любой реальный процесс является в большей или меньшей степени неравновесным. Однако, в принципе, эта неравновесность может быть сделана сколь угодной малой в результате уменьшения скорости осуществления процесса. Таким образом, равновесный процесс является предельным случаем неравновесного процесса при стремлении скорости этого процесса к нулю.

Обратимые процессы простых систем могут быть изображены графически на диаграммах состояния p-v, р-Т и т. д. Линия, изображающая изменение параметров в процессе, называется кривой процесса. Каждая точка кривой процесса характеризует равновесное состояние системы.

Термодинамическая работа

Работа является одной из форм передачи энергии между системами при их взаимодействии. В механике элементарная работа определяется как произведение проекции силы Fs на величину перемещения точки приложения этой силы

где ds – элементарное перемещение тела.

Элементарная термодинамическая работа простых тел определяется в зависимости от величины давления и изменения объема (рисунок 1.1)

где δ L – элементарная термодинамическая работа обратимого изменения объема, Дж; f – площадь поршня.