2. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики, утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Применительно к задачам технической термодинамики, аналитическое выражение первого закона может быть представлено в виде:

, , ,

, , .

Внутренняя энергия, функция состояния системы, характеризующаяся тем, что её величина включает все виды кинетической и потенциальной энергии микрочастиц вещества. Обозначают: полная внутренняя энергия U, Дж, удельная внутренняя энергия u = U/M, Дж/кг. Изменение внутренней энергии в процессе не зависит от пути его протекания, а определяется только начальным и конечным состояниями. Для идеального газа изменение внутренней энергии зависит только от температуры и определяется из выражения: .

Энтальпия, функция состояния системы, определяемая суммой внутренней энергии и произведения объема на давление в системе. Обозначают: полная энтальпия , Дж, удельная энтальпия , Дж/кг. Изменение энтальпии в процессе не зависит от пути его протекания, а определяется только начальным и конечным состояниями. Для идеального газа изменение энтальпии зависит только от температуры и определяется из выражения: .

Энтропия, функция состояния системы, дифференциал которой в равновесном процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты (dQ или dq), сообщенной системе, к термодинамической температуре (Т) системы. Обозначают: полная энтропия , Дж/К, удельная энтропия , Дж/кг. Поскольку Т > 0, то подвод теплоты в процессе (dq > 0) сопровождается увеличением энтропии (ds > 0), а отвод теплоты (dq < 0) сопровождается её уменьшением (ds < 0).

Ts-диаграмма, диаграмма, в которой по оси абсцисс откладывают удельную энтропию, а по оси ординат абсолютную температуру. В диаграмме можно изображать равновесные процессы, например, 1-2 – процесс с подводом теплоты (ds > 0). Так как теплота, подведенная в процессе равна , то площадь под процессом в Тs-диаграмме равна теплоте q.

3. Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики, утверждает, что любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Это означает, что теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому. Аналитическое выражение второго закона: или . Эти соотношения справедливы и для обратимых (знак равенства) и для необратимых (знак >) процессов в любой системе.

Цикл (круговой процесс), замкнутый термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Прямой цикл, цикл, полезным энергетическим результатом которого является преобразование части подведенной извне теплоты в работу. Эти циклы реализуют в тепловых двигателях.

Обратный цикл, цикл, полезным энергетическим результатом которого является перенос теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. Эти циклы реализуют в холодильных машинах и тепловых насосах.

Обратимый цикл, цикл, состоящий из обратимых процессов.

Необратимый цикл, цикл, в котором хотя бы один процесс является необратимым.

Термический коэффициент полезного действия (КПД), отношение работы(l_ц), полученной в результате осуществления прямого цикла, к теплоте, подведенной к рабочему телу (q₁). Обозначают: , где q₂ – теплота, отводимая в цикле. Величина КПД всегда меньше единицы. Для увеличения КПД следует увеличивать q₁ и уменьшать q₂.

Холодильный коэффициент, отношение теплоты (q₂), отведенной в обратном цикле от охлаждаемого объекта, к затраченной в цикле работе (l_ц). Обозначают: , где q₁ – теплота, отводимая в окружающую среду. Величина холодильного коэффициента больше единицы.

Цикл Карно, цикл, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. На рисунке изображен прямой обратимый цикл Карно 1-2-3-4-1. Процессы: 1-2  адиабатное расширение рабочего тела; 2-3  изотермический отвод теплоты; 3-4  адиабатное сжатие; 4-1  изотермический подвод теплоты. Величина термического КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а определяется только температурой подвода и отвода теплоты: . Цикл Карно имеет наибольший КПД по сравнению с любым другим циклом, осуществляемым в том же интервале температур. Цикл служит эталоном при оценке совершенства любых циклов тепловых машин.

Если рассматривать указанный цикл в обратном направлении (1-4-3-2-1), то это обратимый обратный цикл Карно. Показателем эффективности такого цикла может служить холодильный коэффициент: .

Свойства обратимых циклов, для любого обратимого цикла интеграл (интеграл Клаузиуса) равен нулю: . Для обратимого процесса . Если последнее выражение записать в виде , то получим уравнение второго закона термодинамики для обратимых процессов.

Свойства необратимых циклов, для любого необратимого цикла интеграл (интеграл Клаузиуса) меньше нуля: . Для необратимого процесса . Это означает, что в необратимых процессах энтропия рабочего тела увеличивается по сравнению с обратимым процессом при одинаковом значении dq. Выражение является уравнением второго закона термодинамики для необратимых процессов.

Принцип возрастания энтропии, в изолированной системе (dq = 0) ds  0. Знак равенства относится к обратимым процессам, а знак неравенства к необратимым процессам. Поскольку все реальные процессы необратимы, то энтропия изолированной системы всегда возрастает, стремясь к максимуму. Максимум энтропии соответствует состоянию равновесия, когда в системе не остается разностей температур, и становятся невозможными самопроизвольные процессы.

Обобщенный (регенеративный) цикл Карно, цикл, состоящий из двух изотерм и двух эквидистантных (равноудаленных) кривых. Характерен тем, что, не являясь циклом Карно, имеет такой же термический КПД. Регенерация – метод повышения эффективности реальных циклов тепловых машин.

Эксергия, максимально возможная работа, которая может быть произведена телом в результате его взаимодействия с окружающей средой. Обозначают: полная эксергия Е, Дж, удельная эксергия е, Дж/кг.

Эксергия рабочего тела, максимальная работа, которую может совершить тело с внутренней энергией и в системе с окружающей средой: . Индексом «0» отмечены параметры рабочего тела при условиях окружающей среды, а u, s, v – параметры рабочего тела в рассматриваемом состоянии.

Эксергия потока рабочего тела, максимальная работа, которая может быть получена от потока вещества с энтальпией h при его взаимодействии с окружающей средой: .

Эксергия теплоты, максимальная работа, которая может быть получена за счет источника теплоты q со средней температурой Т при условии, что холодным источником является окружающая среда с температурой Т₀: .

Эксергетический КПД, отношение полезно используемой эксергии (е_полезн), к затрачиваемой эксергии (е_затр): _е = е_полезн/ е_затр.