1.3. Первьій и второй закони термодинамики

Первьй закон термодинамики является вьражением закона со-хранения знергии для термодинамической системь . Согласно пер-вому закону термодинамики теплота ( , сообщаемая системе, рас-ходуется на изменение внутренней знергии системьі А V и соверше-ние системой работьі Ь против внешних сил: 2 = А V + Ь.

Для рабочего тела массой 1 кг первий закон термодинамики виражается уравнением:

й = Ц-V, + Ь,

где й — удельное количество теплоти, подведенное к телу в про-цессе изменения его состояния, Дж/кг; Ц — удельная внутрен-няя знергия тела в начале и в конце процесса, Дж/кг; Ь — удельная внешняя работа, совершенная телом, Дж/кг.

Обратимьіе и необратимьіе процессь. Изменение состояния ра­бочего тела, при котором параметри состояния (все или некото-рие) изменяются, а масса рабочего тела остается постоянной, на­зивается термодинамическим процессом. Процесси бивают обрати-мие и необратимие. Обратимим називается процесс, которий мо-жет бить проведен в обратном направлении через все промежуточ-ние состояния прямого процесса, в результате чего вся система при-обретает первоначальное состояние. Необратимий процесс проте-кает только в одном направлении.

Второй закон термодинамики. Если погрузить тело, имеющее низкую температуру, в горячую воду, вода будет охлаждаться, а тело — нагреваться, т.е. вода будет отдавать свою теплоту более холод­ному телу. С точки зрения молекулярной теории, зто обьясняется так: средняя скорость движения молекул горячей води више, чем холодного тела, позтому молекули горячего тела отдают свою знер-гию менее подвижним молекулам холодного тела и увеличивают скорость их движения. Такая передача знергии будет происходить до тех пор, пока средняя скорость обоих тел и их температури не сравняются. Таким образом, передача теплоти от теплого тела к более холодному происходит без затрати какой-либо знергии. Об-ратний процесс, т.е. передача теплоти от холодного тела к тепло­му, самопроизвольно не осуществляется. Но при затрате работи он может бить осуществим. Позтому второй закон термодинамики может бить сформулирован так: чтоби передать теплоту от холод­ного тела к теплому, необходимо затратить работу.

Теплота — зто знергетическая характеристика процесса тепло-обмена, измеряемая количеством знергии, передаваемим от одно­го тела к другому тремя способами: теплопроводностью, конвек-цией и лучистим теплообменом.

Теплопроводность — зто процесс распространения тепла в теле вследствие теплового движения его молекул. Скорость движения мо­лекул при повьшении температурь возрастает, увеличивается число соударений с соседними молекулами. В твердьх телах теплопровод-ность — единственньй способ распространения тепла.

Конвекция — зто процесс передачи тепла в жидкости или газе вследствие теплопроводности и непосредственного перемещения их частиц из одной части обьема в другую. Конвективньй перенос теп­ла наблюдается в движущихся жидкостях, газах, сьпучих телах.

Лучистьій теплообмен — зто процесс передачи тепла от одного тела к другому тепловьми лучами (злектромагнитньми колебани-ями) через промежуточную прозрачную для теплового излучения среду. В облучаемом теле лучистая знергия вновь трансформирует-ся в знергию теплового движения молекул (атомов).

Универсальной единицей измерения работь , любого вида знер-гии, а также количества теплоть в системе СИ является джоуль (Дж), представляющий собой работу сильї в 1 Н на пути в 1 м при совпаде-нии направлений силь и перемещения точки ее приложения.

Единицей измерения мощности является ватт (Вт), представля-ющий собой мощность, соответствующую работе в 1 Дж, совершен-ной в 1 с (1 Вт =1 Дж/с). Единицьі измерения тепловой (холодиль-ной) мощности и теплового потока, а также козффициенть тепло-отдачи, теплопередачи и теплопроводности вьражают в ваттах или кратньх им единицах.

Соотношения между единицами измерения тепловой знергии следующие:

1 кДж = 0,239 ккал = 0,278-10^-3 кВт-ч;

1 ккал = 4,187 кДж = 1,16310^-3 кВт-ч;

1 кВт-ч = 3600 кДж = 860 ккал.

Способность различньх веществ проводить тепло характеризу-ется козффициентом теплопроводности X [кВт/(м-А)], т.е. количе-ством тепла, которое проходит через проводник (тело) длиной 1 м с поперечньм сечением 1 м² за 1 ч при разности температур на его концах в один градус.

Теплоотдача — зто процесс теплообмена между твердой стен-кой (телом) и обтекающей ее жидкой (газообразной) средой.

Теплопередача — зто процесс теплообмена между двумя среда-ми, разделенньми некоторой перегородкой.

Козффициент теплоотдачи а [кВт/(м²К)] показьівает, какое ко-личество тепла отдается (отбирается) в 1 ч. с единиць поверхности тела при разности температур средь и поверхности тела в один гра­дус. Козффициент теплопередачи к [кВт/(м²К)] определяет количе-ство тепла, проходящее в 1 ч через единицу поверхности при разно-сти температур веществ по обе сторонь зтой поверхности в один градус.

Для практических расчетов стационарньх (постоянньх во време-ни) процессов теплоотдачи и теплопередачи используют формуль :

2 = а(Тст - Т)Рт,

2 = к(Т - Т^Рт,

где 2 — количество тепла, отданного или приобретенного пото­ком жидкости (газа), кДж; а, к — соответственно козффициент теп-лоотдачи и теплопередачи, кВт/(м²-К); Т_ст, Т — средняя температура соответственно стенки и жидкости, К; Р — поверхность обтекаемой стенки, м²; т — время (длительность процесса), ч; ^> — средние температурь греющей и обогреваемой средь соответственно, К. Тер-мическим сопротивлением назьвают величину, обратную козффи-циенту теплоотдачи или теплопередачи, например Кк = 1/к.

Разности температур типа АТ = Т₁ - Т₂ назьваются температур-ньми напорами.

Подвод или отвод тепла приводит к нагреванию или охлажде-нию тела.