8126

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.С. Морозов

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Техническая термодинамика» для обучающихся

по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника направленность (профиль) Промышленная теплоэнергетика

Нижний Новгород

2022

УДК 536

Дыскин Л.М. Основные понятия и определения термодинамики: учебно-методическое пособие / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов ; Нижегородский государственный архитектурностроительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 48 с. : ил. – Текст : электронный.

Ключевые слова: техническая термодинамика, теплопередача, теплота, работа, внутренняя энергия, эксергия, температура, газовая постоянная, термодинамический процесс, термодинамическое равновесие.

Рассмотрены общая характеристика термодинамики, ее роль в обучении студентов, взаимосвязи с другими дисциплинами, основные понятия и определения. Учебнометодическое пособие может быть использовано студентами других специальностей, изучающих техническую термодинамику и теплотехнику.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Техническая термодинамика» по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, направленность (профиль) Промышленная теплоэнергетика.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2022 © ННГАСУ, 2022

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основной задачей инженера является создание все более совершенных,

отвечающих современным требованиям технических систем. Чтобы опреде-

лить, полезно ли для человечества предлагаемое решение, инженер должен об-

ращаться к гуманитарным наукам. Для снижения энерго- и материалоемкости устройств и технологий, обеспечения их экологической чистоты необходимо использовать естественные, в том числе технические, науки.

По своей сути термодинамика объединяет в себе гуманитарные и ес-

тественные знания (диалектику, математику, физику, химию и др.) и служит переходным мостиком от общенаучных к специальным дисциплинам.

Результаты изучения термодинамики определяют уровень технической культуры специалистов, их умение творчески решать теплотехнические задачи,

оправдывая тот нелегкий труд, который необходимо затратить для овладения основами этой науки.

Цель изучения технической термодинамики – приобретение знаний, уме-

ний и навыков, необходимых для выполнения расчетов, связанных с определе-

нием свойств и параметров рабочих тел, энергетической эффективности раз-

личных процессов, устройств и систем.

Для успешной реализации полученных знаний необходимо усвоить мето-

ды математического и физического моделирования термодинамических про-

цессов, принципы оценки эффективности теплоэнергетических устройств,

уметь формулировать проблему, для решения которой выполняется расчет или проектируется система.

Содержание настоящего учебно-методического пособия включает термо-

динамику как традиционных, так и перспективных теплоэнергетических техно-

логий, что позволяет использовать их для всех уровней обучения.

В учебно-методическом пособии большое внимание уделено физической сущности рассматриваемых процессов и явлений, а также тем разделам курса,

которые непосредственно стыкуются с профилирующими дисциплинами и свя-

4

заны с проблемой экономии энергетических и материальных ресурсов и реше-

нием экологических задач. Этим объясняется подробное изложение термоди-

намики потока, свойств реальных газов, в том числе влажного воздуха, регене-

ративных систем, способов генерации холода и др. При этом учитывались тре-

бования преемственности знаний и сочетания научной строгости с доступно-

стью изложения учебного материала.

Однако, присущие термодинамике своеобразие научной методики и осо-

бенности формирования знаний усложняют ее усвоение. Поэтому глубокое овладение учебным материалом по этой дисциплине возможно только при ис-

пользовании, наряду с лекционным курсом, активных методов обучения: семи-

нарских и лабораторных занятий, домашних заданий, контрольных и курсовых работ.

5

Теория, мой друг, суха, Но зеленеет жизни древо.

И.В. Гете, «Фауст»

1.ВВЕДЕНИЕ

1.1.Предмет и основные начала термодинамики

Термодинамика изучает свойства энергии, закономерности перехода ее между телами и превращения из одного вида в другой, а также свойства ве-

ществ, из которых состоят тела. В самом широком смысле термодинамика яв-

ляется учением об энергии.

Поскольку любые явления, происходящие в природе и технике, со-

провождаются энергообменом, результаты и методы термодинамики ис-

пользуют в различных областях знаний.

Предметом технической термодинамики является изучение процессов энергообмена, происходящего в тепловой и механической формах в различных теплотехнических устройствах, а также свойств рабочих тел, с помощью кото-

рых осуществляются эти процессы.

В основе термодинамики, являющейся наукой дедуктивной, лежат три основных закона, называемых также началами термодинамики.

Первый закон (первое начало) термодинамики является, по сути, все-

общим законом сохранения и превращения энергии. Простейшей форму-

лировкой этого закона является следующая: невозможно возникновение или уничтожение энергии. Применительно к термодинамике первый закон наибо-

лее полно можно сформулировать следующим образом: энергия изолированной термодинамической системы сохраняется постоянной независимо от проте-

кающих в ней процессов.

Первый закон термодинамики имеет количественный характер и обеспе-

чивает возможность составления энергетического баланса термодинамических

6

процессов. Он устанавливает существование внутренней энергии как функции состояния тела.

Второй закон (второе начало) термодинамики имеет качественный харак-

тер, определяя возможное направление протекания термодинамических про-

цессов. В самом общем виде этот закон звучит так: все самопроизвольные про-

цессы, протекающие в природе, необратимы.

Применительно к тепломеханическим процессам это означает неосу-

ществимость процесса полного некомпенсированного перехода теплоты в рабо-

ту, обратного самопроизвольному процессу полного перехода работы в теплоту.

Второй закон устанавливает существование одной из основных тер-

модинамических функций – энтропии.

Третий закон (третье начало) термодинамики (закон Нернста) показывает

невозможность достижения абсолютного нуля температуры. Этот закон поз-

воляет однозначно определить физические и химические константы различных веществ.

Кроме основных законов в термодинамике в качестве исходных по-

ложений используют два опытных постулата.

Первый, или основной, постулат устанавливает существование равно-

весного состояния изолированной системы, в которое она приходит с течением времени и никогда самопроизвольно выйти из которого не может.

Этот постулат определяет нижнюю границу применимости термоди-

намики. Она справедлива только для макротел, состоящих из достаточно боль-

шого числа микрочастиц, поведение которых описывается законами статисти-

ческой физики. Для тел, состоящих из небольшого числа микрочастиц, выводы термодинамики неприменимы.

Второй постулат устанавливает существование температуры как функ-

ции состояния тела, находящегося в тепловом равновесии. Поскольку этот по-

стулат, подобно первому и второму законам, определяет существование кон-

кретной функции состояния, его иногда называют нулевым законом термоди-

намики.

7

Второй постулат определяет верхнюю границу применимости термо-

динамики. К системам галактических размеров, в которых имеются дальнодей-

ствующие поля гравитационных тел, положения термодинамики неприменимы,

так как такие системы являются неравновесными и поэтому не могут характе-

ризоваться температурой.

1.2. Краткий исторический очерк

Термодинамика, как и любая другая наука, возникла из необходимости развития производительных сил человеческого общества. Конкретной основой создания и развития термодинамики явились знания, накопленные в результате исследования тепловых машин, в которых происходит преобразование теплоты в механическую работу. Отсюда происходит название этой науки, составленное из греческих слов: therme – теплота и dynamis – сила (как средство совершения работы).

Первыми тепловыми машинами были паровые машины, построенные И. Г. Толзуновым в России (1766 г.) и Д. Уаттом в Англии (1779 г.). Исполь-

зование паровых, а затем и других тепловых машин позволило многократно повысить производительность труда, что обусловило существенный скачок в развитии промышленности, строительства и транспорта.

Формирование и развитие термодинамики как науки является плодом ис-

следований ученых и инженеров различных стран.

Научные положения, предвосхитившие сформулированные позднее ос-

новные законы термодинамики, были заложены в XVIII в. в работах первого русского ученого-естествоиспытателя М. В. Ломоносова (1711-1765 гг.).

В работе «Размышления о причинах теплоты и стужи» (1748 г.) изложена теория теплоты, из которой следует невозможность самопроизвольного пере-

хода теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, что составляет сущ-

ность второго закона термодинамики.

Приведенные в этой работе соображения о «наибольшей и последней сте-

8

пени холода» непосредственно связаны с третьим законом термодинамики, в

частности с принципом недостижимости абсолютного нуля температур.

В другой работе «Рассуждения о твердости и жидкости тел» (1760 г.)

М. В. Ломоносов сформулировал положения о сохранении массы, количества движения и, в конечном счете, энергии, соответствующие смыслу первого за-

кона термодинамики.

Главной задачей термодинамики XIX в. было создание теории тепловых машин, которая могла бы служить основой проектирования паровых поршне-

вых машин, двигателей внутреннего сгорания, паровых турбин, холодильных машин и т.д. В связи с этим детальное развитие получили исследования раз-

личных тепломеханических циклов, а также изучение свойств газов и паров,

используемых в тепловых машинах в качестве рабочих тел.

Для становления термодинамики большое значение имело открытие ос-

новных газовых законов: Бойля-Мариотта (1661 г.), Гей-Люссака (1802 г.),

Дальтона (1802 г.), Авогадро (1811 г.) и, особенно, Клапейрона (1834 г.), впер-

вые предложившего уравнение состояния идеального газа, объединяющее пер-

вые два из перечисленных законов.

В Шотландии в 1816 г. Р. Стирлинг впервые разработал и изготовил воз-

душный тепловой двигатель. Использованный в этом двигателе принцип реге-

нерации теплоты получил впоследствии широкое распространение в технике.

Цикл двигателя с полной регенерацией теплоты имеет максимально возмож-

ный для заданных условий термический К.П.Д., равный по величине К.П.Д.

наиболее эффективного цикла Карно.

Первой работой, положившей начало термодинамики как новой науки,

можно считать опубликованный в 1824 г. французским инженером С. Карно

(1796-1836 гг.) его единственный трактат «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в котором фактически был сфор-

мулирован второй закон термодинамики. С. Карно впервые рассмотрел про-

блему превращения теплоты в работу в общем виде, отвлечено от конкретной конструкции тепловой машины и конкретного рабочего тела. При этом он ввел

9

такие фундаментальные понятия термодинамики, как равновесный процесс,

круговой процесс, идеальная машина.

Доказанная С. Карно теорема о зависимости величины термо-

динамического К.П.Д. идеальной тепловой машины только от температур «го-

рячего» и «холодного» тепловых источников послужила основой для опреде-

ления понятий термодинамической температуры и энтропии.

Следует также отметить, что в записках С. Карно, опубликованных лишь через 40 лет после его преждевременной смерти, содержится первая формули-

ровка принципа эквивалентности теплоты и работы, лежащего в основе первого закона термодинамики.

Впервые принцип эквивалентности и, следовательно, взаимопревращения теплоты и работы опубликовал в 1842 г. немецкий ученый Ю. Майер (18141878 гг.), как результат своих теоретических исследований. Затем (1845 г.) этот принцип он сформулировал в виде закона сохранения энергии (первого закона термодинамики), который признан теперь как фундаментальный физический закон.

Английский ученый Д. Джоуль (1818-1889 гг.) независимо от теоретиче-

ских исследований Ю. Майера экспериментально, путем многочисленных опы-

тов (1843-1848 гг.) подтвердил справедливость первого закона термодинамики.

Несколько позднее (1847 г.) первый закон термодинамики был также сформулирован немецким ученым Г. Гельмгольцем (1821-1894 гг.).

Выдающийся немецкий ученый Р. Клаузиус (1822-1888 гг.) на основе принципа эквивалентности теплоты и работы ввел понятие внутренней энергии рабочего тела и получил уравнение первого закона термодинамики (1850 г.),

связывающего теплоту и работу с внутренней энергией.

Р. Клаузиус сформулировал также второй закон термодинамики (1850 г.)

в виде постулата о невозможности самопроизвольного перехода теплоты от ме-

нее нагретого к более нагретому телу. При этом он ввел новую величину,

названную им «эквивалентом превращения», а позднее (1865 г.) «энтропией».