А.И. Бородин
Лекции
по технической термодинамикЕ
Учебное пособие
Содержание
К 145
р 145
К 145
T 145
s 145
К 150
T 150
s 150
T 151
s 151
ВВЕДЕНИЕ
Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения теплоты и механической энергии в термодинамических системах, а также свойства рабочих тел, участвующих в этих превращениях. Главной задачей ее является отыскание предельных и наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты и работы.
Термодинамика учит различать формы энергии. Основой технической термодинамики являются два закона (начала), которые установлены опытным путем. Термодинамика устанавливает связи между различными формами энергии по энергетическим балансам первого начала и выясняет условия и границы взаимопреобразований различных форм энергии в естественных явлениях и технических процессах на основе второго начала.
Термодинамика оперирует понятиями макрофизической природы (такими, как температура, давление и т. п., которые могут быть непосредственно измерены или вычислены с помощью измеренных величин) и не рассматривает внутреннего молекулярного строения тел. Такой макрофизический подход обеспечивает достоверность общих выводов термодинамики, которые, в свою очередь, привлекают дополнительные сведения из физики, химии и т.д. Описание процессов в термодинамике основывается на понятии макроскопического равновесия системы. Процессы рассматриваются как непрерывная последовательность состояний равновесия.
Термодинамика как общее учение об энергии является фундаментальной общеинженерной наукой, она является необходимым элементом физического образования независимо от конкретной специализации.
Преобразования энергии составляет основную задачу обширной отрасли техники, называемой энергетикой, но знание процессов преобразования и передачи энергии важны и в других областях техники. В частности, знание основных понятий и основ термодинамики необходимо и строителям для рационального проектирования конструкций, и механикам как для поиска путей улучшения технических характеристик существующих машин, так и для разработки новых.
Для студентов инженерно-экологического факультета техническая термодинамика является необходимой связующей основой различных профилирующих дисциплин, таких как гидравлика, теплопередача, тепломассообмен, газоснабжение, энергосбережение и т.д. Для студентов главное – уяснить предмет и основные идеи термодинамики, освоить сложившуюся терминологию, разобраться в физической сущности рассматриваемых процессов, уметь геометрически их интерпретировать, научиться ориентироваться в многообразии таблиц и диаграмм и грамотно их использовать.
В конце учебного пособие прилагается глоссарий (словарь терминов), в котором размещены все вводимые в дисциплине понятия (в тексте они выделены курсивом).
1. Система, состояние, ПРОЦЕСС
1.1. Основные понятия в термодинамике
Термодинамика – наука о макросистемах, состоящих из огромного числа отдельных частиц (молекул, атомов, электронов и т.д.).
Под термодинамической системой понимают рассматриваемую совокупность материальных тел, состояние которых вызывает интерес при решении конкретной проблемы. Остальная часть пространства образует внешнюю (окружающую) среду. Сама система отделяется от окружающей среды так называемой контрольной поверхностью (оболочкой), чаще всего эта оболочка представлена физическими, т.е. естественными, границами.
Тела, составляющие термодинамическую систему, могут энергетически взаимодействовать как между собой, так и с внешней средой, а также и обмениваться веществом.
Любая система, которая используется для преобразования энергии, в технической термодинамике называется рабочим телом. Важным свойством рабочих тел является их способность существенно изменять свой рабочий объем в различных термодинамических процессах. Такими телами являются газообразные и парообразные вещества.
По характеру взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делятся на открытые (имеет место обмен с внешней средой и веществом, и энергией, рис. 1.1, а) и закрытые (нет обмена веществом, но может происходить обмен энергией, рис. 1.1, б). Закрытая система содержит одно и то же количество вещества, однако ее объем может меняться, если границы системы подвижны. Например, газ, содержащийся в цилиндре (рис. 1.2), образует закрытую систему. Примером открытой системы может служить теплообменник (рис. 1.3), окруженный четко определенной границей.
В свою очередь, закрытые системы подразделяются на:
изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией, т.е. нет обмена ни веществом, ни энергией (рис 1.1, в);
теплоизолированные (адиабатные) системы, исключающие теплообмен с окружающей средой, но возможно изменение объема при совершении работы;
замкнутые системы, когда возможен теплообмен при постоянстве объема, т.е. система, изолированная в механическом смысле.
Рабочее
тело
Окружающая среда
а
Q
M
Рабочее
тело
Окружающая среда
б
Q
M = 0
Рабочее
тело
Окружающая среда
в
Q = 0
M = 0
Рис. 1.1
Физическое состояние рабочего тела характеризуется совокупностью величин, которые называются параметрами состояния (масса, объем, удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтропия, концентрация, изохорная и изобарная теплоемкости и др.). Все эти физические величины делятся на экстенсивные и интенсивные.
Параметры состояния рабочего тела, описывающие локальное свойство среды, не зависящее от ее размера, называются интенсивными параметрами (давление, температура и др.).
Параметры состояния рабочего тела, значения которых пропорциональны массе системы, называются экстенсивными (аддитивными) параметрами (объем, внутренняя энергия, энтропия и др.).
Газ
Газ
Границы системы
Поток А
Поток В
Границы системы
Рис. 1.2 Рис. 1.3
В общем случае любой экстенсивный параметр состояния Е, деленный на массу m, становится соответствующим удельным параметром состояния е = Е/m. Удельные величины относятся к классу интенсивных параметров: при условном разделении системы они остаются неизменными.
Только интенсивные параметры служат термодинамическими параметрами состояния.
Рабочее тело, имеющее во всех своих частях одинаковые свойства, называется однородным. При заданных неизменных условиях рабочее тело всегда достигает своего равновесного состояния. Под равновесным состоянием рабочего тела понимают такое состояние, при котором все его параметры остаются постоянными во времени и в пространстве при неизменных внешних условиях. В этом состоянии макроскопическое тело способно пребывать неограниченно долго, если извне на него не будет оказываться никакого воздействия.
Изменение состояния рабочего тела, вызванное воздействием на него внешней средой и характеризующееся изменением параметров состояния, называется термодинамическим процессом. Процесс – совокупность состояний рабочего тела, соответствующая некоторой непрерывной последовательности значений параметров состояния. Переход между двумя бесконечно близкими состояниями рабочего тела, т.е. между состояниями, отличающимися бесконечно малыми изменениями параметров, вызванными бесконечно малым вмешательством извне, называется бесконечно малым, или элементарным, процессом.
Равновесный термодинамический процесс представляет собой непрерывную последовательность равновесных состояний рабочего тела. Равновесные процессы – это идеализация реальных процессов, так как мгновенного выравнивания всех параметров системы в объеме и во времени не происходит.
Неравновесный термодинамический процесс представляет собой последовательность состояний, среди которых не все являются равновесными. Все реальные процессы – неравновесные, так как они протекают с конечными скоростями, и равновесное состояние не успевает устанавливаться.
Замкнутый (или круговой) процесс, при котором система, проходя через ряд последовательных состояний, возвращается к своему первоначальному состоянию, называется циклом.
1.2. Термические параметры
Для однородного рабочего тела за термические параметры его термодинамического равновесного состояния приняты удельный объем (v), абсолютное давление (p) и абсолютная температура (T). Эти параметры поддаются непосредственному определению.
Удельный объем (v, м3/кг) – объем единицы массы вещества:
 .
Величина, обратная удельному объему, называется плотностью вещества (ρ, кг/м3):
 .
Абсолютное давление(р, Па = Н/м2) – сила, действующая по нормали к поверхности тела и отнесенная к единице площади этой поверхности:
 .
Для газов и паров давление является усредненной силой действия большого числа молекул на поверхность границы.
Давление характеризует взаимодействие рабочего тела с внешней средой. Если рабочее тело находится в состоянии равновесия, то давление одинаково во всех его частях и равно внешнему давлению.
Применяемые в технике измерительные приборы (манометры, вакуумметры) показывают, как правило, разность давлений в месте измерения и окружающей среды. В зависимости от того, положительна эта разность или отрицательна, говорят об избыточном давлении или разрежении (вакууме). Состояние тела определяется, очевидно, не этой непосредственно измеренной разностью давлений, которая в зависимости от наружных условий имеет случайный характер, а абсолютным давлением, представляющим собой алгебраическую сумму атмосферного (ратм) и измеренного (рман или рвак) давлений:
Очевидно, нулем абсолютного давления служит абсолютный вакуум.
Единицами, кратными Па, являются: 1 бар=105 Па, 1кПа=103 Па, 1МПа=106 Па.
В технике применяется достаточно большое число единиц измерения давления, соотношения между некоторыми из них приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Единица
|
Па (Н/м2)
|
кгс/см2
|
мм рт. ст.
|
мм вод. ст.
|
1 Па
|
1
|
1,02·10-5
|
7,5024·10-3
|
0,102
|
1 кгс/см2
|
9,8067·104
|
1
|
735
|
104
|
1 мм рт. ст.
|
133
|
1,36·103
|
1
|
13,6
|
1 мм вод. ст.
|
9,8067
|
10-4
|
7,35·10-2
|
1
|
В дальнейшем (если не оговорено специально) будем использовать для всех рассматриваемых величин международную систему единиц (СИ). Основными единицами в СИ, используемыми в термодинамике, являются: единица длины – метр (м), единица массы – килограмм (кг), единица времени – секунда (с), единица термодинамической температуры – кельвин (К), количество вещества – моль (моль). Все остальные единицы являются производными от основных: за единицу давления принят паскаль (1 Па = 1 Н / 1 м2), за единицу количества энергии (теплоты или работы) – джоуль (1 Дж=1 Н ∙1 м = 1 кг ∙ м2/с2), за единицу мощности – ватт (1 Вт = 1 Дж / 1 с = 1 кг ∙ м2/с3).
При измерении атмосферного (барометрического) давления ртутным прибором необходимо делать поправку на расширение (сжатие) ртути в зависимости от температуры среды:
В=В0 (1 – 0,000172 t) ,
где В0 – показание ртутного прибора, приведенного к 0 оС; В – показание прибора при температуре окружающего воздуха t оС. Число 0,000172 – коэффициент объемного расширения ртути.
Зачастую на практике принимают ратм ≈ 1 бар.
Температура (мера нагретости тела) характеризует интенсивность теплового хаотического движения молекул рабочего тела, т.е. его тепловое состояние. При наличии термодинамического равновесия температура тела определена однозначно. В неравновесных состояниях понятие температуры теряет смысл: в этом случае обычно рассматривают температуру достаточно малых частей тела и изучают тепловые потоки в теле.
В отличие от давления температуру нельзя измерить непосредственно. Для количественного определения температуры используют любое свойство вещества, изменение которого связано с изменением температуры (объем, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила и т.д.). При этом в качестве эталона выбирают два объема, отвечающих хорошо воспроизводимым состояниям вещества (например, состояние воды при замерзании и кипении). Разность объемов делят на равное количество частей (например, 100). Таким образом получают эмпирическую шкалу температур. В стоградусной шкале Цельсия точка таяния льда принята за ноль, а точка кипения воды за t=100оС.
В термодинамике для измерения температуры принята термодинамическая шкала Кельвина, в которой началом отсчета служит так называемый абсолютный ноль температур, а точка таяния льда находится на уровне T = 273,15 К. Связь между этими температурами, измеренными по шкале Цельсия (t) и шкале Кельвина (T), следующая:
 .
Температура, измеренная по шкале Кельвина (Т), носит название абсолютной температуры. Абсолютная температура – величина всегда положительная.
Для сравнения величин, характеризующих рабочее тело в одинаковых состояниях, вводится понятие нормальные физические условия
р = 101,325 кПа = 760 мм рт. ст.; Т = 273,15 К.
Термические параметры однородного рабочего тела, находящегося в равновесном состоянии, (абсолютное давление – р, абсолютная температура – Т и удельный объем – v) не могут принимать произвольные значения. Они связаны между собой соотношением, которое в термодинамике называют уравнением состояния:
 . (1.1)
Таким образом, состояние равновесия однородного вещества определяется двумя независимыми параметрами (р и Т, или р и v, или Т и v). Эта функциональная связь (1.1) индивидуальна для каждого рабочего тела.
Каждое равновесное состояние в пространстве (р, v, Т) изображается точкой; геометрическое место точек, представляющих все возможные состояния рабочего вещества, является поверхностью в этом пространстве, уравнение которой есть (1.1).
Следует подчеркнуть, что термические параметры состояния системы характеризуют лишь данное ее состояние, никак не свидетельствуя о предшествующих состояниях.
Равновесный термодинамический процесс изображается линией, лежащей на поверхности (1.1). Равновесному циклу в пространстве состояний соответствует замкнутая кривая, лежащая на поверхности состояний рабочего тела.
Неравновесные термодинамические процессы графически изображены быть не могут, так как при любом неравновесном состоянии не существует термических параметров, одинаковых для всей системы.
В термодинамике в первую очередь рассматриваются равновесные процессы и равновесные состояния, что связано с графической возможностью их представления.
|
