1.1. Основы технической термодинамики

Общие положения.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих процессах. Главной задачей ее является нахождение с помощью термодинамического метода наиболее рациональных способов превращения теплоты в работу.

Термодинамика имеет дело только с макроскопическими величинами (микроструктура веществ здесь не рассматривается);

Все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два первых закона.

1.1.1. Термодинамическая система, параметры состояния

Термодинамическая система (ТДС) – это материальное тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться энергией между собой и окружающей средой (ОС).

На рис. 1.1 представлена термодинамическая система и окружающая среда.

Газ давлением Р заключен в цилиндре 1 под поршнем 2 со штоком 3, внешняя среда - окружающий воздух, контрольная поверхность (оболочка) - стенки цилиндра 1.

Рис. 1.1. Термодинамическая система и окружающая среда

Термодинамическая система в зависимости от внешних условий в каждый момент времени находится в каком-либо физическом состоянии. Количественное состояние системы при этом характеризуется определенными физическими величинами – параметрами состояния.

Параметрами состояния называют физические величины, которые характеризуют свойства системы и могут быть измерены: давление р, температура Т и удельный объем ν.

Температура – мера внутренней энергии, пропорциональная кинетической энергии рабочего тела, абсолютная Т, К; T = t + 273,15; t, ^oC.

Давление р – сила, действующая по нормали на единицу площади поверхности тела.

За единицу давления принят один паскаль (Па)

1 Па = 1н/м²; 1 кПа = 10³ Па, 1 МПа = 10⁶ Па, 1 бар = 10⁵ Па,

1 ат = 0,098 МПа; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

Удельный объем ν – это объем единицы массы вещества, м³/кг.

Плотность ρ – величина, обратная удельному объему ν, ρ = 1/ν, кг/м³.

Если термодинамические параметры состояния (давление р, температура Т и удельный объем ν) постояны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такая система называется равновесной. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, называемая уравнением состояния:

F(р, T, ν) = 0. (1.1)

При взаимодействии системы с окружающей средой ее состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической системы называют термодинамическим процессом.

1.1.2. Теплоемкость, энтальпия и энтропия

Теплоемкость и ее виды. Удельной теплоемкостью с называют количество теплоты q, которое требуется для изменения температуры единицы количества вещества на один градус:

Различают теплоемкости: массовую с, объемную с' и мольную , которые имеют размерность: с, Дж/кг · К; с', Дж/нм³ · К; , Дж/ моль · К. Эти теплоемкости связаны между собой соотношениями

(1.2)

где ν_о, ρ_о, μ – удельный объем, плотность и молекулярная масса газа при нормальных условиях (ρ_о = 1,013 · 10⁵ Па, Т_о = 273 К).

Теплоемкость зависит от физической природы рабочего тела, температуры, термодинамического процесса.

В технической термодинамике наиболее часто используют изобарную теплоемкость с_р (при р = const) и изохорную с_ν (при ν = const).

Связь между этими теплоемкостями определяется соотношением Майера для идеального газа:

с_р - с_ν = R, (1.3)

где R – газовая постоянная, Дж/кг · К.

Зависимостью теплоемкости от температуры часто пренебрегают, и тогда количество теплоты в изобарном и изохорном процессах находится из выражений

Q_p = Мс_р (Т₂ – Т₁) или q_р = с_р (Т₂ – Т₁);

(1.4)

Q_ν = Мс_ν (Т₂ – Т₁) или q_ν = с_ν (Т₂ – Т₁).

Из аналитического выражения первого закона термодинамики можно получить соотношения для определения изменения внутренней энергии Δu и энтальпии Δh, справедливые для всех термодинамических процессов:

dq_ν = du; du = c_νdT; Δu = u₂ – u₁ = c_ν (Т₂ – Т₁);

(1.5)

dq_р = du + рdν = dh; dh = c_pdT; Δh = h₂ – h₁ = c_p (Т₂ – Т₁).

Поскольку теплоемкость изменяется с температурой, в зависимости от интервала температур различают истинную с и среднюю с_ср теплоемкости. Истинная теплоемкость соответствует бесконечно малому интервалу температур, а средняя - конечному интервалу изменения температуры. Значения теплоемкостей основных газов приводятся в справочниках, учебных пособиях в зависимости от температуры [2, 6].

Энтальпия. Вводится расчетным путем: полная – H = U + pV или удельное значение h = u + pν, энтальпия представляет некоторую энергию, равную сумме внутренней энергии и произведения давления на объем. Единицей измерения энтальпии Н является джоуль (Дж) или h, Дж/кг. Энтальпия является функцией состояния. Так как в изобарном процессе dH = dQ, то можно сказать, что энтальпия – это количество теплоты, подведенное в изобарном процессе.

Энтропия. Единицей измерения энтропии S является Дж/К и удельной s – Дж/ кг·К. Это функция состояния вводится расчетным путем и имеет полный дифференциал Количество теплоты в термодинамическом процессе

Если представить термодинамический процесс в T-s диаграмме, то площадь под кривой процесса характеризует количество подведенной или отведенной теплоты.

Энтропию нельзя измерить, но по физическому смыслу она является мерой температурной ценности теплоты, ее способности превращения в работу. Можно сказать также, что энтропия характеризует потерю работы вследствие необратимости реальных процессов (при этом энтропия возрастает).

Обычно при расчете термодинамических процессов определяют не абсолютные значения u, h, s, а изменение в процессе Δu, Δh, Δs.