2.2. Основные понятия и определения

Термодинамика как самостоятельная наука о тепловых явлениях и преобразовании тепловой энергии в механическую сложилась во второй половине XIX в. в результате ряда технических и научных открытий и бурного развития тепловых двигателей.

Техническая термодинамика исследует главным образом соотношения между параметрами термодинамических систем и совершаемой работой. Напомним определение каждого из этих понятий, в общем известных из курсов физики.

Термодинамической системой называют совокупность материальных тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии.

В термодинамическую систему включают источники тепла, рабочие тела и окружающую их среду. В частном случае отдельно взятое тело, состоящее из молекул и атомов, можно также рассматривать как термодинамическую систему.

Горячим источником (теплоотдатчиком) называют тело, имеющее, как правило, наиболее высокую температуру и отдающее свою энергию рабочим телам системы в форме тепла.

Холодным источником (теплоприемником) называют тело, к которому подводится тепло от рабочих тел системы. В технических системах в качестве холодного источника, как правило, используется окружающая среда, состоящая из окружающего нас атмосферного воздуха и воды в открытых водоемах.

Рабочим телом является, как правило, газообразное вещество, которое, изменяя свое состояние под воздействием нагревания и охлаждения, а также совершая процессы расширения и сжатия, превращает тепловую энергию в механическую или электрическую (или наоборот).

Состоянием системы называют определенное сочетание свойств данной системы, которыми являются любые наблюдаемые показатели системы.

Параметром состояния системы называют такой ее показатель, изменение которого обязательно связано с изменением состояния системы. Параметры состояния системы позволяют дать его количественную оценку. Два состояния системы будут тождественными, если в обоих случаях все ее параметры являются одинаковыми. Соответствующие показатели, относящиеся к какому-либо телу, называют параметрами состояния данного тела. Всякое изменение состояния тела или системы, связанное с тепловыми явлениями, называют термодинамическим процессом. Всякий процесс изменения состояния рабочего тела представляет собой отклонение от состояния равновесия. Процесс, протекающий настолько медленно, что в системе (рабочем теле) в каждый момент времени успевает установиться равновесное состояние, называется равновесным. В противоположном случае он называется неравновесным.

Следовательно, равновесный процесс может быть только бесконечно медленным. Всякий процесс, протекающий с конечной скоростью, вызывает появление конечных разностей плотности, температуры, давления и других параметров.

Обратимым процессом называется такой термодинамический процесс, который протекает через одни и те же равновесные состояния в прямом и обратном направлениях так, что в рабочем теле и в окружающей его среде (системе) не происходит никаких остаточных изменений.

Процессы, не удовлетворяющие этому условию, называются необратимыми. Обратимые процессы в чистом виде в природе и технике не встречаются, так как реальные процессы всегда протекают с конечными скоростями и с конечными разностями температур и в рабочем теле не успевают устанавливаться равновесные состояния.

В термодинамическом процессе обязательно изменяется хотя бы один параметр состояния, а также, как правило, происходит теплообмен и совершается работа.

Непрерывную последовательность состояний, через которые проходит система в рассматриваемом процессе, называют путем процесса. Совокупность последовательных термодинамических процессов, при которых конечное и начальное состояния рабочего тела совпадают, называют термодинамическим циклом,или простоциклом. В каждом цикле подводится теплота от одного источника и отдается другому источнику, а также совершается работа расширения и сжатия. Следовательно, в любом термодинамическом цикле обязательно участвует система тел, состоящая хотя бы из одного источника теплоты, рабочего тела и окружающей среды.

Все параметры состояния любой термодинамической системы подразделяются на интенсивные и экстенсивные. Интенсивными называют параметры, не зависящие от количества вещества (например давление, температура), а экстенсивными, – зависящие от количества вещества (например объем). Все экстенсивные параметры обладают свойствами аддитивности. Аддитивность (от лат. аdditivus – придаточный) – свойство величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме величин, соответствующих его частям при любом разбиении объекта на части. Например, аддитивность объема означает, что объем целого тела равен сумме объемов, составляющих его частей. Параметры, отражающие внутреннюю тепловую энергию, называют калорическими. Температура, давление и удельный объем являются основными параметрами состояния.

Термодинамика рассматривает температуру как среднестатистическую величину, которая может характеризовать систему, состоящую из очень большого числа молекул, находящихся в хаотическом (тепловом) движении. Поэтому к единичным атомам и молекулам понятие температуры применять нельзя. Термодинамическим параметром состояния тел или системы является абсо лютная температура, отсчитываемая от абсолютного нуля температуры по шкале Кельвина.

Температура, согласно кинетической теории газов, характеризует среднюю кинетическую энергию поступательного движения элементарных частиц вещества (молекул). Между средней кинетической энергией молекул газа и температурой имеется прямая связь, а именно:

Е к = mw 2 / 2 = 3/2

kT, где m – масса молекулы; w – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул; k – константа Больцмана; T – абсолютная температура.

Для практических измерений температуры пользуются международной шкалой Цельсия. Соотношение между этими шкалами следующее:

T= t +273,15 К. Градус абсолютной шкалы (К) численно равен градусу шкалы Цельсия (o C), так как ΔT, K= Δt, o C.

Давлением в технической термодинамике называют силу воздействия вещества на ограничивающую его поверхность, отнесенную к единице этой поверхности. Давление, создаваемое атмосферным воздухом, называют барометрическим. Если абсолютное давление рv а вещества в каком-либо сосуде больше барометрического В, то разность между ними (р а – В) называют избыточным давлением:

p и =р а –В.

Когда абсолютное давление газа или пара в сосуде ниже барометрического, т. е. при р а < В, разность (В – р а) называют разрежени ем, или вакуумом :

W =В –р а. Согласно Международной системе единиц, давление измеряют в ньютонах на квадратный метр (Н/м 2) и называют паскалем (Па). Давление в 10 6 Н/м 2 называют мегапас калем (MПа), давление в 10 5 Н/м 2 – баром.

В технических установках до настоящего времени пользуются старой единицей удельного давления – технической атмосферой, представляющей собой силу 1 кгс, действующую на 1 см 2 площади:

1 атм =1 кгс/см 2 = 10 4 кгс/м 2 = 9,8·10 4 Н/м 2 = 0,981 бар;

1 бар = 1,01972 кгс/см 2.

Удельным объёмом υ в термодинамике называют объём 1 кг массы вещества. Таким образом, размерностью удельного объёма будет м 3 /кг. Величину, обратную удельному объему, называют плотностью вещества (кг/м 3):

ρ = 1/υ .

Давление, удельный объем и температуру называют термическими параметрами состояния.Между этими тремя параметрами (ρ,υ, T) существует определенная взаимосвязь, позволяющая выразить любой из них через два остальные.

Указанные зависимости называются ура внениями состояния. Уравнение состояния идеального газа имеет вид:

PV = m/ μ RT.

Это уравнение называется уравнением Менделеева – Клапейрона. Здесь P, T – давление и абсолютная температура; V – объем идеального газа, м 3 ; μ – молекулярная масса газа; m – масса газа, кг; R – постоянная величина, одинаковая для всех газов и называемая универсальной газовой постоянной:

R = 8, 314·10 3 Дж/(кмоль·К). Вещества, используемые в тепловых двигателях или теплоэнергетических установках в качестве рабочих тел или теплоносителей, могут находиться в различных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

Чистым веществом называют систему, однородную по составу и неизменную в химическом отношении. Эти три вышеуказанные состояния чистого вещества называют фазами. В общем случае фазой называют любой физически однородный вид системы. Твердая, жидкая и газообразная фазы вещества могут существовать раздельно или совместно в различных сочетаниях. Систему, состоящую из одной фазы, называют гомогенной, а состоящую из двух фаз одновременно – гетерогенной.

Переход чистого вещества из одного фазового состояния в другое сопровождается определенным тепловым эффектом. Так, если нагревать лед при неизменном нормальном атмосферном давлении, то его температура будет равномерно повышаться до тех пор, пока не достигнет 0°С. Дальнейший подвод тепла уже не вызывает повышения температуры, а лед станет превращаться в воду, т. е. плавиться, при неизменной температуре.

При нагревании воды ее температура также повышается, пока не достигнет температуры кипения (зависящей от давления этой жидкости). С этого момента дальнейшее нагревание жидкости не сопровождается повышением ее температуры, а будет происходить парообразование (при p =const и T = const), т. е. процесс превращения жидкости в пар. Процесс, обратный парообразованию, называют конденсацией пара.

Пар, образующийся в процессе кипения, находится в равновесии с жидкостью и имеет с нею одинаковые давления и температуру. Такой пар называют насыщенным, насыщен ный пар без жидкой фазы – сухим насыщенным паром. Если же имеется какая-то часть неиспарившейся жидкости, то такой пар называют влажным. По существу влажный пар представляет собой механическую смесь сухого насыщенного пара и жидкости, нагретой до температуры кипения при данном давлении. Увеличение давления для всех известных жидкостей приводит к повышению их температуры парообразования, которую часто называют температурой насыщения и обозначают через t н (или T н). Последующий подвод тепла к сухому насыщенному пару (при том же давлении) приводит к повышению его температуры. Пар, температура которого выше температуры кипения жидкости при данном давлении, называют перегретым. Основными термодинамическими процессами в теплоэнергетических установках являются:изобарный,когда происходят нагрев, парообразование и конденсация рабочих тел при постоянном их давлении;адиабатный,в котором без подвода или отвода тепла совершается сжатие газов, паров или жидкостей или их расширение. Процессы при постоянном объеме(изохорный)и при постоянной температуре(изотермический)используют реже.