1. Основные понятия и исходные положения термодинамики

1.1. Предмет и метод термодинамики

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляется расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Если рассматривать только макроскопические системы, то термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов).

Строго говоря, все основные выводы термодинамики получают методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики, не привлекая представлений о структуре вещества. Для упрощения понимания материала заочниками мы не будем придерживаться строгой «академичности» изложения.

1.2. Термодинамическая система

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («окружающей средой»).

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы – газа, заключенного в цилиндре под поршнем (рис. 1.1), контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень, а окружающей средой называется все, что находится снаружи.

Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой осуществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии с самóй системой или над системой совершается работа. В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема системы. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.

Рис. 1.1. Газ, находящийся в цилиндре под поршнем

1 – термодинамическая система (рабочее тело);

2 – окружающая среда; 3 – контрольная поверхность

В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах – примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой.

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом являются продукты сгорания.