Раздел 2. Основы технической термодинамики

2.1. Предмет технической термодинамики

Технической термодинамикой называется наука о свойствах теплоты и законах взаимопреобразования теплоты и механической энергии. Техни-ческая термодинамика положена в основу изучения и усовершенствования всех тепловых двигателей.

Во взаимопреобразовании тепловой и механической энергии участву-ет рабочее тело. Как правило, это газообразные тела — газы и пары, по-скольку они, обладая большим коэффициентом теплового расширения, мо-гут при нагревании совершать гораздо большую работу, чем жидкости и твердые тела.

Газы, молекулы которых обладают силами взаимодействия и имеют конечные, хотя и весьма малые, геометрические размеры, называют реальными газами. Газы, молекулы которых не обладают силами взаимо-действия, а сами молекулы представляют собой материальные точки с ни-чтожно малыми объемами, называются идеальными газами. Понятие об идеальном газе введено для упрощения изучения термодинамических про-цессов и получения более простых расчетных формул.

Водяной пар рассматривается как реальный газ, к которому нельзя применять законы, установленные для идеальных газов. Все реальные газы являются парами тех или иных жидкостей; при этом чем ближе газ к пере-ходу в жидкое состояние, тем больше его свойства отклоняются от свойств идеального газа.

Первое начало термодинамики есть частное применение всеобщего закона о сохранении и превращении энергии к тепловым явлениям. Это начало полностью отрицает существование вечного двигателя 1-го рода, под которым понимается машина, способная создать механическое движе-ние из ничего.

Второе начало термодинамики определяет направление возможного преобразования термодинамической системы при заданном исходном ее со-стоянии. Это начало отрицает возможность создания вечного двигателя 2-го рода, т. е. двигателя, способного работать с одним источником теплоты.

Метод термодинамики заключается в том, что в ней для изучения по-ведения тел используются такие понятия и величины, которые характери-зуют общие свойства макроскопических тел, например, температура, дав-14

ление, плотность. Эти понятия нельзя применить для характеристики свойств отдельных атомов, молекул, электронов, но они присущи всем макроскопическим телам, являясь общими их свойствами. Благодаря этому законы и уравнения термодинамики применимы для описания поведения любых веществ — газа, пара, жидкости и твердых тел.

Изучая поведение веществ, участвующих в процессах с обменом энер-гией, термодинамика выделяет их из совокупности окружающих тел. Так возникает понятие о термодинамической системе и окружающей среде.

Основными формами взаимодействия между термодинамической сис-темой и окружающей средой, изучением которых занимается техническая термодинамика, являются работа и теплота. Работа и теплота представля-ют собой количество энергии, передаваемой от одного тела к другому при их взаимодействии. Качественное различие между ними заключается в том, что работа — результат внешнего (механического) взаимодействия, форма передачи упорядоченного, организованного движения, а теплота — результат совокупности микрофизических (внутренних) процессов, при которых обмениваются между собой энергией молекулы взаимодейст-вующих тел. Такую форму обмена энергией называют теплообменом.

Принято считать, что работа, совершаемая системой, положительна, а работа, совершаемая окружающей средой, отрицательна. Теплота считает-ся положительной, если она получена системой, и отрицательной, если от-дана ею в окружающую среду.

Обмен энергией между термодинамической системой и окружающей средой происходит за счет запаса энергии системы, которая подразделяет-ся на внешнюю (механическую) и внутреннюю (тепловую). Механическая энергия представляет собой сумму кинетической энергии движения и по-тенциальной энергии взаимодействия тел системы. Внутренняя энергия представляет собой энергию движения и взаимодействия микрочастиц, из которых состоят тела.

В термодинамической системе основную роль играет изменение внут-ренней энергии, выражающееся в количестве работы и теплоты, которыми она обменивается с окружающей средой. При этом система увеличивает свою внутреннюю энергию, если теплота подводится к ней (или над ней совершается работа) и уменьшает свою внутреннюю энергию, если она от-дает теплоту в окружающую среду (или она совершает работу над окру-жающей средой). Это положение составляет содержание первого закона термодинамики:

15

то есть изменение внутренней энергии системы равно разности между ко-личеством теплоты и работы, которыми системы обменивается с окру-жающей средой.

Единицей измерения всех видов энергии, в том числе работы и тепло-ты, служит джоуль (Дж). Количество энергии, полученное в единицу вре-мени (секунду), называют мощностью и измеряют в Вт (Дж/с).

Процессы взаимного превращения работы и теплоты в тепловых дви-гателях осуществляются при помощи рабочего тела, в качестве которого используются газообразные вещества (газы и пары), обладающие свойст-вом значительного расширения и сжатия при нагревании и внешнем сило-вом воздействии. Поэтому изучение свойств газов является одной из задач технической термодинамики.