Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ТОЭ / Лекція 1

.doc
Скачиваний:
15
Добавлен:
07.02.2016
Размер:
68.61 Кб
Скачать

Лекція 1

Завдання термодинаміки. Основні поняття термодинаміки. Теплота й робота. Термодинамічна система. Термодинамічний стан, рівняння стану, термодинамічні параметри.

Література:

  1. Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача. – К.: Вища школа, 1990. – 255 с.

  2. Арнольд Л.В., Михайловский Г.А., Селиверстов В.М.. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1979.–446 с.

  3. Техническая термодинамика/Под ред. Крутова В.И. – М.: Высшая школа, 1981.– 439 с.

Термодинаміка вивчає закономірності перетворення енергії в різних процесах, що супроводжуються тепловими явищами, а також властивості тіл, які беруть участь у цих перетвореннях.

Залежно від кола розглянутих питань і цілей дослідження термодинаміку підрозділяють на фізичну (або загальну), хімічну, технічну й ін.

Технічна термодинаміка вивчає процеси, пов'язані з обміном енергією в тепловій і механічній формах, а також властивості тіл, що використовуються в цих процесах.

Основне завдання технічної термодинаміки – вивчення закономірностей перетворення теплоти в роботу й умов, при яких ці процеси відбуваються найбільше ефективно.

Головні особливості термодинамічного методу полягають у наступному:

- термодинаміка не використовує яких-небудь гіпотез або теорій про будову речовини.

- термодинамічна система, робоче тіло або яка-небудь частина їх, що являє собою об'єкт аналізу, протиставляється всім іншим тілам, що мають назву навколишнього середовища.

Найважливішими поняттями термодинаміки є внутрішня енергія U, робота L і теплота Q. Відомо, що енергія взагалі – це міра різних форм матеріального руху. Кожній формі руху відповідає певний вид енергії. Енергію, що відповідає молекулярно-хаотичному руху, у термодинаміці називають внутрішньою енергією; складається вона з кінетичної енергії руху молекул і потенційної енергії сил міжмолекулярної взаємодії.

У загальному випадку до складу внутрішньої енергії входить ще енергія, що відповідає взаємодії всередині молекул, атомів й ядер. Однак у технічній термодинаміці розглядаються такі фізичні процеси, у яких ці складові внутрішньої енергії не мають змін і тому не враховуються.

На відміну від понять енергії й виду енергії існує поняття форми передачі енергії (або способу обміну енергією) при енергетичних взаємодіях. Всі енергетичні взаємодії, у результаті яких змінюється стан тіла, можна звести до двох форм.

Перша форма обумовлена силовою механічною дією одного тіла на інше, що супроводжується переміщенням іншого тіла (або його частини) і називається роботою L. При цьому кількість енергії, передана від одного тіла до іншого, у формі спрямованого руху називається роботою процесу, або просто роботою. У загальному випадку це може бути робота не тільки звичайних сил механічної природи, але й електричних, магнітних, а також сил поверхневого натягу тощо, тобто відбувається просторове переміщення в деякому обраному напрямку макроскопічної кількості частинок - носіїв енергії. Загальною для всіх видів роботи властивістю є принципова можливість повного перетворення їх одну в одну.

Прийнято вважати, що робота, зроблена тілом, позитивна, а робота зроблена над тілом (тобто отримана їм), негативна.

Друга форма пов'язана з наявністю різниці температур і обумовлена хаотичним тепловим рухом безлічі мікрочастинок, що складають макротіла. На відміну від інших видів руху (механічного, електричного й ін.), характерних як для макроскопічних тіл, так і для елементарних частинок, поняття теплового руху й теплової енергії виникають тільки при розгляді великих сукупностей мікрочастинок і є, таким чином, феноменологічними (термодинамічними) поняттями. Обмін енергією в цьому випадку відбувається шляхом або безпосереднього зіткнення тіл, що мають різну температуру, або випромінюванням. Кількість переданої енергії у формі хаотичного ненаправленого руху мікрочастинок називається кількістю теплоти, теплотою процесу, або просто теплотою Q.

Теплота, отримана або поглинена даним тілом, уважається позитивної, а теплота, віддана тілом,- негативної.

Оскільки робота й теплота є мірою переданої енергії, їхня кількість виражається в тих же одиницях, що й енергія, тобто в джоулях.

Об'єктами вивчення в термодинаміці є різні термодинамічні системи, що являють собою сукупність матеріальних тіл, які можуть енергетично взаємодіяти між собою й навколишнім середовищем та обмінюватися з нею речовиною. Окремо взяте макротіло також може розглядатися як термодинамічна система.

Усе, що перебуває поза системою, називається навколишнім середовищем.

Поверхня, що відокремлює термодинамічну систему від навколишнього середовища, називається контрольною.

Термодинамічні системи бувають:

- закриті, якщо в них відсутній обмін речовиною через контрольну поверхню;

- відкриті, у яких обмін речовиною з навколишнім середовищем відбувається через контрольну поверхню;

- ізольованими, коли система не обмінюється енергією й речовиною з навколишнім середовищем;

- адіабатними, або теплоізольованими, коли система не обмінюється енергією у формі теплоти.

- гомогенні - системи, що складаються з однієї фази однієї або декількох речовин. Відповідно до різних видів агрегатного стану речовини розрізняють газоподібну, рідку й тверду (кристалічну) фази.

- гетерогенні - системи, які складаються з декількох різних гомогенних частин, відділених друг від друга поверхнями роздягнула;

- однорідні системи, що мають у всіх своїх частинах однакові властивості.

Системи (або тіла), за допомогою яких відбувається взаємне перетворення теплоти й роботи (процеси в теплових машинах), називаються робочими тілами. В якості робочих тіл, як правило, використовують гази й пари, здатні значно змінювати свій об'єм при зміні зовнішніх умов.

Відомо, що в різних станах вплив сил взаємодії між молекулами й розмірів самих молекул на фізичні властивості газів різні. У тих станах, коли впливом сил взаємодії між молекулами й об'ємом самих молекул можна знехтувати (сильно нагрітий газ при невеликих тисках), газ називається ідеальним, у протилежних станах - реальним.

Робоче тіло в тепловій машині одержує або віддає теплоту (енергію), взаємодіючи з більш нагрітими або більш холодними зовнішніми тілами. Такі тіла мають назву джерел теплоти.

Тіло, що віддає теплоту робочому тілу й не змінює свою температуру, називається тепловіддавачем, а тіло, що одержує теплоту від робочого тіла й не змінює свою температуру, – теплоприймачем.

Термодинамічним станом системи (робочого тіла) називається сукупність фізичних властивостей, притаманних даній системі (робочому тілу).

Макроскопічні величини (тобто величини, які характеризують робоче тіло в цілому), що описують фізичні властивості робочого тіла в цей момент, називаються термодинамічними параметрами стану.

Термодинамічні параметри розділяються на інтенсивні (незалежні від маси робочого тіла) і екстенсивні (пропорційні масі робочого тіла). Якщо система складається з декількох частин, то значення екстенсивної фізичної величини дорівнює сумі значень таких же величин окремих частин системи, тобто екстенсивні фізичні величини мають властивість адитивності. До екстенсивних величин відносять об'єм, внутрішню енергію, ентальпію, ентропію й ін., до інтенсивних - температуру, тиск і ін.

Термодинамічні параметри також підрозділяються на зовнішні й внутрішні. Зовнішні параметри характеризують стан навколишнього середовища; внутрішні - визначають стан системи при даних зовнішніх параметрах (умовах). Такий розподіл є умовним, тому що розглянуту систему завжди можна вважати частиною єдиної розширеної системи, що складає із системи й навколишнього середовища, внаслідок чого всі параметри будуть представлятися внутрішніми.

Основними (незалежними) параметрами стану є ті з них, за допомогою яких можна однозначно описати стан робочого тіла й виразити інші параметри.

Параметри, за допомогою яких описуються процеси взаємного перетворення теплоти й роботи одержали назву термічних параметрів. Найголовнішими термічними параметрами є температура Т, тиск р і об'єм V.

До параметрів стану, як буде показано далі, належать також внутрішня енергія U, ентальпія Н и ентропія S, які мають назву калоричних параметрів стану.

Рівноважним термодинамічним станом називається стан робочого тіла, що не змінюється в часі без зовнішнього енергетичного впливу. Параметри рівноважного стану по всій масі робочого тіла однакові й дорівнюють відповідним параметрам зовнішнього середовища. У стані термодинамічної рівноваги зникають усякі макроскопічні зміни (дифузія, теплообмін, хімічні реакції), хоча тепловий (мікроскопічний) рух молекул не припиняється.

Рівноважний стан термодинамічної системи, а отже, і макроскопічні властивості системи в стані рівноваги цілком визначаються її зовнішніми параметрами й температурою.

Із цього витікає, що в стані рівноваги між термодинамічними параметрами системи існує залежність типу

(1.1)

Рівняння (1.1), що зв'язує значення тиску р, температури Т, і інших інтенсивних термодинамічних параметрів даного тіла в стані рівноваги, називається термічним рівнянням стану тіла.

Стан рівноваги однорідного тіла визначається двома незалежними параметрами (у якості яких можна вибрати будь-яку пару термодинамічних параметрів, наприклад, температуру тіла Т и тиск р); всі інші термодинамічні параметри в стані рівноваги можуть бути представлені як функції двох незалежних параметрів.

Тільки інтенсивні фізичні величини служать термодинамічними параметрами стану. До них крім температури й тиску відносять питомі, об'ємні й молярні величини, одержувані з екстенсивних фізичних величин шляхом ділення їх на масу, об'єм або на кількість речовини (питомий і молярний об'єм, питома й молярна внутрішня енергія, питома й молярна ентальпія, питома, об'ємна й молярна ентропія й т.п.).

Питомий об'єм речовиниінтенсивна фізична величина, що визначається відношенням об'єму речовини до його маси:

(1.2)

Густина речовини - величина, що визначається відношенням маси до об'єму речовини:

(1.3)

Як видно з рівностей (1.2) і (1.3), питомий об'єм і густина є взаємно оберненими величинами.

Значення питомого об'єму й щільності залежать від термодинамічного стану (зокрема, від тиску й температури). У довідковій літературі часто приводяться їхні значення для газів при нормальних фізичних умовах, під якими розуміють тиск, рівний 101,325 кПа ≈ 0,101 МПа (760 мм рт. ст.), і температуру, рівну 0°С. Для інших станів, умови яких відрізняються від нормальних, значення питомого об'єму й щільності обчислюють за рівнянням стану для ідеальних газів і за спеціальними таблицями і діаграмами для реальних газів і парів різних рідин.

Кількість речовини n являє собою фізичну величину, обумовлену числом структурних елементів (атомів, молекул, іонів, електронів і ін.). Одиницею кількості речовини в СІ є моль.

Моль – кількість речовини, що містить стільки структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0,012кг. При застосуванні моля структурні елементи повинні бути специфіковані й можуть бути атомами, іонами, електронами й іншими частками або специфікованими групами часток.

Молярний об'єм – величина, обумовлена відношенням об'єму речовини до кількості речовини:

(1.4)

При вираженні V у м3, n у моль виразиться в м3/моль.

Молярною масою речовини називають відношення маси речовини до його кількості:

(1.5)

Числові значення молярної маси М, вираженої в г/моль, збігаються з відносною молекулярною масою.

Під відносною молекулярною масою речовини розуміють відношення середньої маси молекули природного ізотопного складу речовини до 1/12 маси атома нукліда 12С.

Тиск – фізична величина, рівна відношенню нормальної складової сили до площі, на яку діє сила. Одиницею тиску в СІ є паскаль (Па) – тиск, що створюється силою в 1 Н, яка рівномірно розподілена по поверхні, площею 1 м2.

Розрізняють вимірювачі абсолютного тиску, відлічуваного від нуля (абсолютного вакууму), і надлишкового тиску, тобто різниці між тиском рідини або газу р і тиском навколишнього середовища р0, коли р > р0, і різниці між тиском навколишнього середовища й тиском рідини або газу, коли р<р0.

Вимірювачи тиску, рівного тискові навколишнього середовища (атмосферного повітря), називають барометрами, надлишкового тиску – манометрами, а різниці між тисками навколишнього середовища й робочого тіла – вакуумметрами, різниці двох тисків, що відрізняються від атмосферного, – диференціальними манометрами.

Атмосферний тиск – величина змінна, тому в техніці часто застосовують так званий нормальний атмосферний тиск або коротко нормальний тиск, рівне p0 = 0,01325 МПа.

Температура характеризує тепловий стан тіла, вона є єдиною функцією стану, що визначає напрямок мимовільного теплообміну. Якщо між тілами або елементами тіл не відбувається мимовільний перехід теплоти, то такі тіла або елементи тіл перебувають у тепловій рівновазі один з одним і температури цих тіл однакові. Якщо відбувається мимовільний теплообмін, то є різниця температур. Теплота переходить мимовільно завжди від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. Таким чином, поняття «температура» і домовленість про напрямок її відліку зв'язуються з напрямком теплообміну.

Термодинамічним параметром є термодинамічна температура Т. Термодинамічна температурна шкала встановлюється на основі властивостей циклу Карно й тому не залежить від властивостей речовини, що використовується для виміру температури. При цьому використовується єдина експериментально обумовлена реперна (тобто опорна) точка, якою є потрійна точка хімічно чистої води. Потрійній точці води відповідає такий стан, або такі значення температури й тиску, при яких у термодинамічній рівновазі перебувають три агрегатних стани – лід, рідка вода й пара. Цьому стану відповідає температура 273,16 К (0,01 °С). Іншою точкою є температура абсолютного нуля (0 К). На цій підставі визначається розмір кельвіна. Кельвін - це 1/273,16 частина термодинамічної температури потрійної точки води.

Міжнародна практична температурна шкала 1968 р. заснована на одинадцяти реперних точках, яким відповідають температури потрійної точки рівноважного водню (—259,108 °С), потрійної точки води (0,01 °С), кипіння води (100°С), точки затвердіння золота (1064,43 °С) і ін.

Соседние файлы в папке ТОЭ