8128

20

гия является функцией состояния.

Теплотой или теплообменом называют передачу энергии, происходящую под воздействием хаотического, т.е. теплового движения микрочастиц. Количе-

ство Q передаваемой при этом энергии также называют теплотой.

Теплообмен обусловлен наличием разности температур между телами и может происходить как при непосредственном контакте тел, так и путем излу-

чения телом электромагнитных волн, поглощаемых затем другим телом.

В результате теплообмена внутренняя энергия более нагретого тела (не подпитываемого другой энергией) уменьшается на количество передаваемой теплоты, а внутренняя энергия менее нагретого тела (не передающего свою энергию другим телам) возрастает на ту же величину.

Теплота есть микроформа передачи энергии между телами. Как и работа,

теплота проявляется только в процессе энергообмена и, следовательно, являет-

ся функцией этого процесса. Поэтому количество передаваемой теплоты зави-

сит от характера процесса энергообмена.

Энергия, как таковая, является функцией состояния тела, может быть за-

пасена (аккумулирована) телом и храниться в нем неограниченное время.

В отличие от энергии, работа и теплота не могут быть запасены "впрок" и

существуют только во время протекания процесса энергообмена (подобно то-

му, как свет электролампы существует лишь при протекании через нее элек-

трического тока и мгновенно исчезает после прекращения последнего).

По своей сути работа и теплота не являются видами энергии, они оп-

ределяют лишь количество энергии, передаваемой между телами в форме рабо-

ты или теплообмена соответственно.

Следует подчеркнуть, что работа и теплота являются неравноценными формами передачи энергии. Работа может быть непосредственно направлена на пополнение запаса любого вида энергии (например, потенциальной энергии тя-

жести, электрической, магнитной и т.д.). Теплота же непосредственно, т.е. без промежуточного преобразования в работу, может быть использована для попол-

нения запаса только внутренней энергии тела. Неравноценность теплоты и рабо-

21

ты в указанном смысле является следствием второго закона термодинамики, за-

прещающего некомпенсированный непрерывный переход теплоты в работу.

2.1.2. Эксергия и энергия

Второй закон термодинамики вносит ограничения на полноту пре-

вращения энергии из одного вида в другой. Согласно этому закону имеется три группы энергии. В первую группу входят энергии, способность которых к пре-

образованию неограничена. К ним относятся механическая, электрическая, хи-

мическая энергии, каждая из которых может быть полностью, без остатка пре-

образована в любой другой вид. Ко второй группе относятся энергии, преобра-

зуемые из одного вида в другой в ограниченном количестве. Такими являются внутренняя энергия и энергия, передаваемая в форме теплоты. Последняя,

например, не может быть полностью преобразована в механическую энергию в непрерывном процессе и частично обязательно должна быть передана окружа-

ющей среде также в форме теплоты.

К третьей группе относят энергии, полностью непереводимые в другие виды. Такой является энергия окружающею среды, а также энергия, передавае-

мая в форме работы вытеснения против давления окружающей среды.

Все неограниченно превратимые формы энергии называют эксергией.

Термин «эксергия» предложил в 1953 г. немецкий ученый З. Рант.

Эксергией является также та часть ограниченно превратимой энергии, ко-

торая может быть преобразована в другие виды энергии.

Непереводимые в эксергию виды энергии называют анергией. Анергией является также та часть ограниченно превратимой энергии, которая не может быть преобразована в другие виды энергии.

Таким образом, в общем случае энергию W можно представить в виде суммы эксергии Е и анергии А:

причем как первое, так и второе слагаемые правой части уравнения могут быть равны нулю. Так, для полностью превратимых энергий первой группы анергия

22

равна нулю, а для полностью непревратимых энергий третьей группы нулю равна эксергия.

Введение понятия эксергии позволило более глубоко оценивать эф-

фективность различных теплоэнергетических устройств.

2.2. Термодинамическая система

Термодинамическое исследование начинают с выделения части про-

странства, подлежащей изучению. Выделенную часть пространства называют термодинамической системой. Следовательно, объектом изучения в термоди-

намике является термодинамическая система. Все что находится вне системы,

называют окружающей или внешней средой. Из окружающей среды также мо-

жет быть выделена другая система.

Термодинамическая система может включать в себя одно или несколько тел, или являться рабочим телом теплосиловой установки.

В некоторых случаях в систему включают частично или полностью окру-

жающую среду. Такую систему называют расширенной.

Воображаемую или материальную поверхность, отделяющую систему от окружающей среды, называют границей системы или контрольной по-

верхностью. Границы системы могут быть проницаемы или непроницаемы для потоков вещества и энергии.

Закрытой называют систему, границы которой непроницаемы для потока вещества. Поэтому закрытая система содержит постоянное количество веще-

ства, хотя объем ее может изменяться, если границы системы подвижны. При-

мером такой системы является газ, содержащийся в цилиндре с подвижным поршнем (рис. 2.1). Перемещением поршня можно изменять границы и объем газа в системе, сохраняя постоянной массу газа.

Открытой называют систему, границы которой проницаемы для потока вещества. Примером открытой системы служит теплообменник с потоками ве-

ществ А и Б (рис. 2.2).

24

2.2.1. Состояние системы

Состояние системы есть форма ее существования. Состояние термоди-

намической системы определяется характером ее взаимодействия с окружаю-

щей средой. Если система достаточно долго изолирована от окружающей сре-

ды, то в результате непрерывного взаимодействия микрочастиц внутри системы с течением времени прекращается видимый макроскопический обмен энергией и веществом между различными частями системы. При этом любые одноимен-

ные физические характеристики во всех точках системы выравниваются по ве-

личине. Такую систему называют равновесной. Иными словами, равновесной является такая система, во всех точках которой одноименные макропара-

метры равны по величине.

Равновесное состояние является наиболее вероятным и может сохра-

няться сколь угодно долго при условии полной изоляции системы от ок-

ружающей среды. Самопроизвольно выйти из равновесного состояния такая система не может.

Приведенные выше положения определяют содержание первого по-

стулата термодинамики. Согласно статистической физике смысл термоди-

намического равновесия заключается в том, что у всякой изолированной систе-

мы существует такое определенное и единственное макроскопическое состоя-

ние, которое чаще всего создается непрерывно движущимися частицами. Это есть наиболее вероятное состояние, в которое и переходит изолированная си-

стема с течением времени.

Следовательно, первый постулат не является абсолютным, а выражает лишь наиболее вероятное поведение системы. Никогда не прекращающееся движение микрочастиц системы приводит к ее спонтанным отклонениям

(флуктуациям) от равновесного состояния. Относительные спонтанные откло-

нения макроскопической системы от равновесия при прочих равных условиях тем меньше, чем больше частиц в системе. Так как термодинамические систе-

мы состоят из очень большого числа частиц, то флуктуациями в большинстве случаев можно пренебречь, что и делается в термодинамике.

25

Согласно первому постулату, термодинамика не рассматривает системы,

для которых равновесное состояние невозможно (системы, процессы в которых не могут завершиться наступлением равновесия, например, из-за ограниченно-

го числа микрочастиц), а также явления, сопровождающиеся большими само-

произвольными отклонениями системы от равновесного состояния.

В случае неравенства хотя бы одного макропараметра в каких-либо точ-

ках системы, последнюю называют неравновесной. Неравновесность возникает при взаимодействии системы с окружающей средой. Например, при нагревании воздуха в помещении отопительным прибором появляется разность температур непосредственно возле поверхности прибора и на удалении от него. В этом случае воздух образует термически неравновесную систему.

Наличие разности давлений в объеме системы определяет ее механи-

ческую неравновесность. Однако, если градиент давления является результатом действия гравитационного поля (например, градиент давления по высоте атмо-

сферы земли или по глубине воды в море), систему условно считают механиче-

ски равновесной, поскольку градиент гравитационного давления не создает дви-

жение и не может быть, поэтому, использован для получения полезной работы.

Различают состояния устойчивого, неустойчивого и относительно ус-

тойчивого равновесия.

Устойчивое равновесие (стабильное состояние) характерно тем, что, если внешним воздействием вывести из него систему, после снятия этого воздей-

ствия система сама возвратится в исходное состояние.

Система, находящаяся в неустойчивом равновесии (лабильное со-

стояние), после выхода из этого состояния и снятия внешнего воздействия не возвращается в исходное состояние, а переходит в состояние устойчивого рав-

новесия. Вывести систему из лабильного состояния можно даже слабым внеш-

ним воздействием.

Относительно устойчивое равновесие (метастабильное состояние) может быть нарушено только при достаточно сильном внешнем воздействии, после сня-

тия которого такая система переходит в состояние устойчивого равновесия. При

26

слабом воздействии метастабильное состояние нарушается, однако после снятия слабого воздействия система возвращается в исходное метастабильное состояние.

Понятие равновесного состояния играет в термодинамике важную роль.

Методами классической термодинамики могут быть аналитически описаны и графически изображены только равновесные системы.

2.2.2. Термодинамические параметры состояния

Для определения конкретных физических условий существования (состо-

яния) равновесной термодинамической системы используют макроскопические

(т.е. относящиеся ко всей системе в целом) величины, называемые термодина-

мическими параметрами состояния.

Важнейшим свойством любого термодинамического параметра является независимость его величины от характера пути, по которому система пришла в данное состояние. Следовательно, термодинамические параметры являются функциями состояния системы.

Термодинамические параметры разделяют на внешние и внутренние.

Внешними называют параметры, величина которых зависит от положения не входящих в систему внешних тел, относящихся к окружающей среде. Внеш-

ними параметрами являются, например, объем системы при фиксированном положении ее границ, определяемых расположением внешних тел; напряжен-

ность силового поля, зависящая от положения источников поля зарядов и то-

ков, находящихся за пределами рассматриваемой системы, и т.д. Следователь-

но, внешние параметры являются функциями координат внешних тел.

Внутренними называют параметры, определяемые совокупным дви-

жением и распределением в пространстве входящих в систему микрочастиц.

Внутренними параметрами являются, например, давление в системе с фиксиро-

ванными границами, энергия, поляризованность, намагниченность и др., так как их величины зависят от движения и положения микрочастиц системы и входящих в них зарядов.

Так как пространственное расположение микрочастиц в системе зависит от

27

расположения внешних тел, то, следовательно, внутренние параметры определя-

ются положением и движением микрочастиц и значением внешних параметров.

Необходимо отметить, что в зависимости от условий существования си-

стемы один и тот же параметр может быть как внешним, так и внутренним.

Так, если в качестве термодинамической системы рассматривается газ, распо-

ложенный в сосуде с фиксированными стенками (газовом баллоне), то объем газа, равный объему сосуда, является внешним параметром, а давление – внут-

ренним параметром, т.к. зависит от координат и импульсов молекул газа. Если же газ находится в цилиндре с подвижным поршнем под постоянным давлени-

ем, то давление будет внешним параметром, определяемым действием внешних сил, а объем – внутренним, т.к. зависит в этом случае от положения и движения молекул газа.

Следует иметь в виду, что давление и объем не могут одновременно быть внутренними или внешними параметрами: если первый из них внутренний, то второй внешний, и наоборот.

Внутренние параметры разделяют на интенсивные и экстенсивные. Ин-

тенсивными называют параметры, не зависящие от количества вещества, нахо-

дящегося в термодинамической системе. Такими величинами являются давле-

ние и температура. Действительно, если находящийся в баллоне сжатый газ разделить перегородкой на две части, то величины давления и температуры в каждой части газа сохранятся прежними.

Экстенсивными (или аддитивными) называют параметры, зависящие от количества вещества. Экстенсивными являются энергия, энтальпия и др. пара-

метры. В предыдущем примере после разделения газа на две части энергия и эн-

тальпия каждой части газа окажутся меньше, чем у всего газа до его разделения.

Величина экстенсивного параметра сложной системы, состоящей из не-

скольких частей, может быть представлена как сумма величин одноименных параметров всех частей системы.

Экстенсивные параметры неудобны для использования, поскольку для одной и той же системы они могут иметь различную величину в зависимости от

28

количества вещества, находящегося в системе. Поэтому такие параметры при-

меняют в удельной форме, отнесенными к единице количества вещества, чаще всего к 1 кг. Представленные в удельной форме экстенсивные параметры пере-

стают зависеть от количества вещества и приобретают свойства интенсивных величин. Внешние параметры состояния всегда являются интенсивными.

В технической термодинамике наиболее важное значение имеют сле-

дующие параметры: объем, давление, температура, внутренняя энергия, эн-

тальпия, энтропия.

Объем, давление и температуру называют термическими или основными

параметрами, поскольку в совокупности они определяют тепловое состояние тела и могут быть непосредственно измерены с помощью соответствующих приборов.

Остальные три величины (внутреннюю энергию, энтальпию, энтропию)

называют калорическими параметрами или функциями состояния. Эти величи-

ны характеризуют энергетическое состояние системы. Они не могут быть непо-

средственно измерены и определяются расчетным путем через известные ос-

новные параметры.

Рассмотрим подробнее основные параметры, способы и единицы их из-

мерения.

Полный объем V системы выражают в м3. Объем определяют по ха-

рактерным размерам тела с помощью соответствующих аналитических со-

отношений. Объем твердого тела можно определить также погружением по-

следнего в жидкость. Объем вытесненной при этом жидкости равен объему по-

груженного в нее тела.

Объемные расходы газов и жидкостей (для открытых систем) измеряют с помощью приборов – расходомеров, изучаемых в специальных дисциплинах.

Выше было показано, что в зависимости от вида системы объем может быть как внешним, так и внутренним параметром. Полный объем системы с фиксированными границами является внешним и поэтому, интенсивным пара-

метром. Действительно, объем газа в стальном баллоне не зависит от массы

29

находящегося в нем газа. В данном случае величина объема газа, рассматривае-

мого как отдельная термодинамическая система, определяется только формой и расположением стенок баллона, являющихся для этой системы внешним телом.

Объем системы с подвижными границами является внутренним, экс-

тенсивным параметром. Например, объем воздуха в эластичном воздушном шарике зависит, при прочих равных условиях, от массы этого воздуха.

Поэтому в качестве термодинамического параметра обычно используют удельный объем ν, получаемый делением полного объема V системы на ее мас-

су М:

Таким образом, удельный объем можно определить как объем единицы массы (1 кг) вещества.

Иногда вместо удельного объема используют обратную ему величину ρ,

называемую плотностью вещества:

Плотность является массой единицы объема (1 м3) вещества.

Давление р представляет собой силу, действующую по направлению нор-

мали на единичную площадку некоторой поверхности, находящейся в системе.

Как показано выше, в зависимости от вида системы давление может быть или внутренним, или внешним параметром. Однако во всех случаях оно являет-

ся интенсивной величиной.

Давление идеального газа определяется основным уравнением молеку-

лярно-кинетической теории

где п – число молекул в единице объема;

т – масса молекулы;

w – среднеквадратичная скорость поступательного движения молекул.