Розділ 1. Основні поняття і визначення.

Розділ 1.1. Введення. Основні положення.

Розвиток цивілізації безпосередньо пов'язаний з розвитком енергетики. В застосуванні людиною енергії можна виділити такі періоди: 1)від появи людини і приблизно до 5- 7 ст., коли людина використовувала силу тварин, енергію сонця, а потім і теплоту вогнища; 2) з 7 до 18 ст., коли люди навчилися використовувати енергію вітру і води (вітряки, млини та інше); 3) з 18 до 50-х років 20 ст., коли використовувалася хімічна енергія палива, а основним його джерелом стала не поновлювана енергія мінерального органічного палива (вугілля, нафта, природний газ); 4) з 50-х років нашого століття до сьогодення, тобто сучасний період, який характеризується використанням традиційного палива та ядерної енергії. Як вважають спеціалісти, атомна енергетик на реакторах зі швидкими нейтронами забезпечить людство енергією на тисячоліття. Але цей період також характеризується відчутним виснаженням природних органічних джерел та збудженням навколишнього середовища. У майбутньому, коли вичерпаються всі не поновлювані хімічні та ядерні енергетичні ресурси, людству треба буде жити в стані енергетичної рівноваги і користуватися поновлювальними ресурсами: енергією сонця, вітру, води, теплотою геотермальних вод та хімічною енергією рослин, тобто тільки розумно, обмежено використовувати енергію, щоб не нашкодити навколишньому середовищу і надати можливість людині жити в злагоді з природою Землі.

Зростаюча проблема у використанні енергії спонукала до створення науки, яка б давала можливість ефективно перетворювати один вид енергії в інший. Такою наукою стала термодинаміка.

Термодинаміка як окрема наука почала розвиватися на початку 19 ст. поява її була зумовлена необхідністю дати наукове пояснення процесам взаємоперетворення теплової і механічної форм енергії в теплових двигунах. При цьому термодинамічний метод базувався на фундаментальних, загальних фізичних законах (началах, принципах, які сформульовані на основі численних дослідних даних і спостережень. Це дає можливість розглядати їх як об’єктивні закони природи. Термодинаміка з’явилась як наука про теплові перетворення в теплових машинах, але в ході свого розвитку вона вийшла за рамки теплоти. Термодинаміку можна розглядати як науку про загальні властивості тіл і закони взаємоперетворення енергії, вона є фундаментальною загально інженерною дисципліною. Перетворення енергії відіграють важливу роль у багатьох областях науки і техніки, де також використовуються закони термодинаміки, які носять універсальний характер і мають загальне методологічне значення. Це вивело термодинаміку в королеву природних наук.

Термодинамічний метод дослідження має свої специфічні властивості і базується на використанні основних законів термодинаміки.

Перший закон- це окремий випадок загального закону збереження і перетворення енергії відносно робочого тіла, за допомогою якого здійснюється взаємоперетворення теплової форми енергії в механічну та навпаки. Сформулював цей закон у 1842 р. Ю. Майєр, який показав, що теплота не є теплецем (невагомою рідиною, і довів рівнозначність теплоти і роботи.

Другий закон термодинаміки встановлює умови, за яких можливе взаємоперетворення теплоти в роботу, і, навпаки, вказує напрямок проходження процесів та можливу межу взаємоперетворень. Другий закон термодинаміки був сформульований С. Карно в 1824 р.

Геніальні дослідження Карно не були помічені його сучасниками. Погляди Карно були значно глибокими і правильними ніж погляди не тільки сучасників, але й багатьох його послідовників. Пройшло 140 років з тих пір , як Карно висказав свої геніальні положення, але і сьогодні вони визначають основні напрямки розвитку теплосилових установок незалежно від їх конструкцій і принципів дії.

У 1865 р. Р. Клазіус ввів поняття ентропії і на цій основі сформулював другий закон термодинаміки, який застосовується і зараз. У техніці другий закон дав змогу окреслити умови отримання найбільшого коефіцієнту корисної дії (ККД) енергетичних процесів, тобто умови реалізації процесів з найменшими втратами.

Третій закон термодинаміки, або «теплова теорема» Нернста, характеризує поведінку ентропії робочого тіла поблизу абсолютного нуля. Цей закон був сформульований у 1906 р. В. Нернстом.

У 1931 р. Л. Онсагер і С. де Гроот сформулювали закон, який розглядає не рівноважні процеси. Інколи його називають четвертим законом термодинаміки, хоча цей закон не випливає з перших трьох. Інколи до основних законів термодинаміки відносять існування термічної рівноваги між тілами, які мають однакову температуру. Це твердження дістало назву нульового закону термодинаміки.

Подальший розвиток термодинаміки сприяв створенню нових її розділів – технічної, хімічної, біологічної та інших термодинамік. Нашим предметом вивчення є технічна термодинаміка - наука, що вивчає закони перетворення теплової енергії в механічну в теплових машинах, а також властивості робочих тіл, які беруть участь у цих перетвореннях. Технічна термодинаміка – це теоретична база теплових машин сучасної енергетики. Технічна термодинаміка не вивчає мікроскопічну будову речовини і механізм молекулярних процесів, а розглядає явища (« феномени «) в цілому і опирається тільки на результати макроскопічних досліджень, тому вона є феноменальною наукою.

Термодинаміка – це наука, що вивчає взаємоперетворення різних форм енергії. Розрізняють біологічну, хімічну та технічну термодинаміку.

Технічна термодинаміка (тільки теплота і механічна енергія) вивчає закони взаємного перетворення теплоти механічної роботи. Взаємні перетворення теплоти і роботи здійснюються в теплових двигунах і холодильних установках. Тому одне з основних питань, що розглядаються технічною термодинамікою – вивчення теорії теплових двигунів.

Взаємне перетворення теплоти і роботи відбувається за допомогою газоподібних або пароподібних речовин, що називаються робочими тілами.

Робочим тілом називається речовина, здатна сприйняти тепло і виконати роботу. При вивченні теорії теплових двигунів вводяться спрощені моделі робочого тіла – ідеальний газ, у якого нехтують силами зчеплення між молекулами і об’ємом молекул.

У основу технічної термодинаміки покладено два закони: I і II закон термодинаміки. I закон встановлює кількісні співвідношення між теплотою і роботою при їх взаємному перетворенні (кількісна характеристика теплових процесів). II закон враховує умову, при якій відбувається взаємне перетворення теплоти і роботи і є якісною характеристикою теплових процесів.

Розділ 1.2. Термодинамічна система і довкілля.

Матеріальне тіло або сукупність тіл, які перебувають у тепловій чи механічній взаємодії між собою і навколишнім середовищем, називаються термодинамічною системою або просто системою. Внаслідок взаємодії тіла (системи) можуть обмінюватись як енергією, так і субстанцією. Величина і форма вибраної системи визначається умовами конкретної задачі. Під навколишнім середовищем розуміють усі зовнішні тіла, які не входять у термодинамічну систему, тобто весь навколишній світ.

Термодинамічна система відокремлюється від навколишнього середовища матеріальною або уявною (абстрактною) поверхнею, яка називається контрольною поверхнею (оболонкою). Наприклад, газова суміш у циліндрі з поршнем розглядається як термодинамічна система, навколишнім середовищем є повітря, а контрольною оболонкою є стінки циліндра та поршня.

Взаємодія системи з навколишнім середовищем, тобто обмін енергією або субстанцією здійснюється через контрольну оболонку. Наявність контрольної оболонки є необхідною для правильного складання балансів субстанції, енергії та ексергії. З погляду проникності контрольної оболонки для субстанції та енергії їй приписують ідеалізовані властивості. У разі механічної взаємодії системи з навколишнім середовищем переміщуються окремі елементи контрольної оболонки внаслідок зміни об’єму і система виконує роботу (або над нею виконується робота). У разі теплової взаємодії відбувається обмін тепловою енергією між системою та навколишнім середовищем.

Термодинамічна система представляє собою сукупність робочих тіл, які знаходяться в тепловій і механічній взаємодії.

Термодинамічна система включає і навколишнє середовище.

Під навколишнім середовищем розуміють усі зовнішні тіла, які не входять у термодинамічну систему, тобто весь світ.

Взаємодія системи з довкіллям, а саме теплообмін енергією здійснюється через зовнішню оболонку.

Якщо система має теплову ізоляцію, яка виключає теплообмін між робочим тілом і навколишнім середовищем, то це адіабатна система.

Якщо система не має теплового і механічного контакту з іншими системами, то вона називається ізольованою системою.

Якщо при здійсненні процесів в системі робоче тіло бере участь в одному агрегатному стані, то це гомогенна система.

Якщо при здійсненні процесів в системі беруть участь робочі тіла в двох агрегатних станах (вода – пара), то це гетерогенна система.

Розділ 1.3. Термодинамічний стан і параметри робочого тіла.

Робоче тіло залежно від зовнішніх умов має різні властивості і може перебувати у різних станах. Оскільки в класичній термодинаміці розглядають макроскопічні системи, то стани термодинамічної системи описуються за допомогою макроскопічних фізичних величин, значення яких можна виміряти дослідним шляхом без знання передісторії системи. Якщо вони набувають стійкого значення, то говорять, що система перебуває в певному стані. А фізичні величини, які характеризують цей стан, називаються термодинамічними змінними або параметрами стану. Щоб визначити, чи дана фізична величина є параметром стану, необхідно розглянути її зміну при переході від системи із одного стану в інший. Якщо зміна величини залежить включно від початкового і кінцевого стану, то така величина є параметром стану. Якщо зміна фізичної величини залежить від способу переходу від початкового стану до кінцевого стану (залежить від передісторії системи), то така величина не є параметром стану (робота, теплота).

Не всі параметри стану можуть змінюватися незалежно один від одного. Завжди можна виділити кілька незалежних параметрів, за якими визначають всі параметри стану. Вибір незалежних параметрів є довільним, але кількість їх обмежена. Параметри, які не входять до незалежних і які не вимірюються безпосередньо, називаються функціями стану (ентальпія, ентропія, ексергія та ін.).

Теоретично всі величини, які вимірюються, можуть бути використані як термодинамічні параметри. Але доцільно вибрати такі параметри, які дадуть найпростіші співвідношення і які безпосередньо зв’язані з процесами, що відбуваються у системі.

Як показує дослід, тепловий стан газу певної маси однозначно може бути охарактеризований за допомогою трьох параметрів, які можна виміряти: об’єму, тиску, температури. Сукупність цих параметрів повністю характеризує тепловий стан системи, тому їх називають основними термічними параметрами.

Параметри стану системи, які визначаються сумою параметрів стану всіх окремих частин системи, називаються екстенсивними. Отже, екстенсивні параметри пов’язані з розміром термодинамічної системи.

Параметри, значення яких не залежить від розмірів системи і залишаються однаковими в усіх її частинах, називаються інтенсивними параметрами стану (температура, тиск та ін.)

Для більшості термодинамічних задач зручніше користуватися питомими величинами, тому що вони поводять себе як інтенсивні параметри і в стані рівноваги залишаються однаковими у кожній точці гомогенної системи.

Будь – який екстенсивний параметр, поділений на масу, стає відповідним інтенсивним параметром або питомою величиною. В подальшому всі питомі та, як виняток, екстенсивний параметр – масу будемо позначати малою літерою.

Параметрами називаються величини, що характеризують тепловий стан термодинамічної системи.

Основними параметрами робочого тіла є: P, V, T.

Тиск – це сукупність ударів молекул газу об стінки посудини, в якій знаходиться газ.

Параметром вимірювання P в технічній термодинаміці є абсолютний тиск Р_а, який є результатом дії на стінки посудини газу, що знаходиться в посудині та навколишнього середовища.

Р_а може визначатися аналітично за показниками двох приладів: барометра (зовнішній тиск навколишнього середовища) і манометра або 7ех.7мметра, що вимірюють P усередині посудини.

Якщо усередині посудини P > атмосферного, то:

Якщо в посудині розрідження, то:

У СІ: P, , в несистемних одиницях – бар.

1 бар = 10⁵ (Па)

1 фіз. Атм. = 1033 = 760 мм ртутного стовпа = 10,3 м водного стовпа.

У техніці застосовується тех. атмосфера:

1 т. атм. = 1 = 1000 = 735,6 мм ртутного стовпа = 10 м водного стовпа.

1 бар = 1,02 т. атм. = 750 мм ртутного стовпа.

1 т. атм. = 0,98 бар = 0,98∙10⁵

Питомий об’єм – об’єм одиниці маси речовини.

,

,

Прийнятий за параметр, оскільки залишається незмінною величиною при незмінних P і T.

,

Температура це параметр стану, який визначає здатність системи до передачі теплової енергії.

Т, ⁰К,

Т=t+ 273, де t, ⁰С.

Абсолютна температура Т прийнята за параметр, оскільки вона є мірою кінетичної енергії газу.

Розділ 1.4. Термодинамічний процес.

Зміна параметрів системи при переході з одного стану в інший називається термодинамічним процесом. Параметри змінюються завдяки взаємодії системи з навколишнім середовищем, тобто внаслідок обміну енергією з ним. Приклад – рух поршня в циліндрі. Внаслідок деякої кількості механічної енергії система буде стискуватись або розширюватись, тобто будуть змінюватись параметри p, V, T і система перейде із одного стану в інший. Система, виведена із стану рівноваги і залишена на саму себе за умови, коли немає взаємодії з навколишнім середовищем, самочинно повертається у стан рівноваги. Процес самочинного повернення у стан рівноваги називається релаксацією. Час релаксації залежить від фізичних властивостей системи і від параметрів, які змінюються у цьому процесі. Так, зміна параметра p поширюється у газі зі швидкістю механічної хвилі і дорівнює швидкості звуку.

Процес називається рівноважним, якщо параметри змінюються нескінченно повільно у порівнянні зі зміною їх у релаксаційному процесі. Рівноважний процес можна розглядати як послідовний ряд рівноважних станів системи. Ось чому технічна термодинаміка оперує тільки рівноважними процесами, бо тільки такі процеси можна описати чисельно.

Рівноважний процес є, у свою чергу, оборотним. Під оборотним розуміють процес, який проходить як у прямому, так і у зворотному напрямках при тих же параметрах, за умови, що при цьому ніяких змін у навколишньому середовищі і в самій системі не відбувається. Приклад – дуже повільний рух поршня в циліндрі. Система встигає обмінятися енергією з навколишнім середовищем і переходить у рівноважний стан.

Розрізняють термічно та механічно оборотні процеси. Якщо теплова взаємодія між системою і навколишнім середовищем відбувається за нескінченно малої різниці температур (ізотермічний процес), то такий процес є термічно оборотним. Якщо обмін механічною енергією відбувається за нескінченно малої різниці, то такий процес є механічно оборотним. Якщо процес відбувається за термічної та механічної рівноваги, то такий процес називається повністю оборотним.

Під час теплообміну в термічно оборотному процесі, що проходить у зворотному напрямку, теплота відводиться при тій же температурі і ніяких змін не відбувається як у самій системі (внутрішня рівновага), так і в навколишньому середовищі (зовнішня рівновага). Якщо теплообмін здійснюється за якоїсь різниці температур, то відбувається необоротне знецінення теплоти, оскільки теплова енергія переходить на нижчий температурний рівень.

Процеси, які відбуваються швидко порівняно з процесами релаксації і йдуть з порушенням рівноваги за наявності різниці температур чи тисків, називаються не рівноважними.

Процеси, які проходять у машинах або в природних умовах тією чи іншою мірою, є не рівноважними. Кількісною мірою нерівно важності є різниця потенціалів ∆П між поверхнею системи і навколишнім середовищем. Чим більше відношення ∆П/П, тим більший ступінь нерівно важності. В принципі, ступінь нерівно важності може бути як завгодно малим, тобто в граничному випадку не рівноважний процес стає рівноважним. Тому рівноважні процеси називають квазістатичними. Не рівноважні процеси є необоротними, оскільки система проходять різними шляхами в прямому і зворотному напрямках або відбуваються зміни в самій системі чи в навколишньому середовищі.

Практично всі реальні процеси є необоротними. Незважаючи на це, вивчення оборотних процесів має велике практичне значення, тому що дає змогу оцінювати ступінь доскональності процесу.

У технічній термодинаміці вивчаються в основному рівноважні процеси.

У випадках, коли будуть розглядатися не рівноважні процеси, про це буде спеціально повідомлятися.

Термодинамічним процесом називається процес зміни параметрів системи при переході з одного стану в інший.

Процес називається рівноважним, якщо параметри змінюються нескінченно повільно.

Процеси, які відбуваються швидко порівняно з процесами релаксації і йдуть з порушенням рівноваги називаються нерівноважними.

Процес самочинного повернення у стан рівноваги називається релаксацією.

Всі дійсні процеси, що протікають в теплових двигунах, - швидкоплинні, нерівноважні, але теоретично вони вивчаються як рівноважні.

Оборотними називаються процеси, які можливі в прямому і зворотному напрямах і при здійсненні яких робоче тіло і навколишнє середовище повертаються в початковий стан.

Для здійснення оборотних процесів необхідні умови:

1. У кожній точці процесу повинна встановлюватися рівновага між робочим тілом і навколишнім середовищем;

2. Повинні бути відсутніми сили тертя.

Із-за наявності сил тертя всі дійсні процеси необоротні, але теоретично вивчаються як оборотні.

Необоротний процес графічно ні в яких координатах представити не можна.

Розділ 1.5. Рівняння стану ідеальних газів.

Параметри Р, v, Т при їх зміні постійно знаходяться у взаємодії між собою. Цю взаємодію можна записати рівнянням в загальному вигляді:

F(Р, v, T)=0

При цьому незалежними можуть бути два будь-яких параметри:

Р=f(v,T)

v=f(P,T)

T=f(P,v)

У 1662 році Бойль і незалежно від нього у 1676 році Маріотт відкрили закон:

Добуток тиску на об’єм в ізотермічних умовах є величиною постійною: Pv=const

У 1802 році Гей-Люссак установив, що в ізобаричному процесі об’єм газу пропорційний температурі:

Об’єднавши ці обидва закони можна вивести зв’язок між трьома параметрами:

Тоді рівняння для 1 кг має вигляд:

Pv=RT

де R – газова стала.

Це рівняння називається рівнянням стану ідеального газу, або рівнянням Клапейрона.

Для будь-якої маси газу:

PV=тRT

Для 1 молю газу:

PV_μ=μRT

V_μ – молярний об’єм газу. V_μ = 22,4 м³/кмоль.

Величина μR називається універсальною газовою сталою.

За нормальних умов універсальна стала розраховується так:

Питома газова стала Дж/кгК, визначається рівнянням:

Завдяки цьому рівнянню можна визначити газову сталу для будь-якого газу, знаючи його молярну масу.