Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Общая термодинамика

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
29.73 Mб
Скачать

А.А. АКОПЯН

ОБ Щ А Я ТЕРМОДИНАМИКА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

МОСКВА

1 9 5 5

ЛЕНИНГРАД

Центральное место в книге занимают общие основы т ермодинамики. Главы, посвященные ее применениям к теплотехнике, физической химии и химической технологии, играют лишь подчиненную роль и ни в какой степени не претендуют на полноту изложения. Их назначение — иллюстрировать тео рию и помочь ее лучшему пониманию.

Связывая с этой же целью отдельные выводы теории с молекулярными представлениями, автор нигде не пользуется элементами кинетической теории, придерживаясь феноменологического изложения термодинамики.

Книга предназначена для лиц, впервые приступающих к изучению термодинамики, а также для инженеров, техников и студентов различных специальностей, которые, будучи зна­ комы с приложениями термодинамики к той или иной обла­ сти техники, смогут глубже ознакомиться с ее основами.

Для лучшего усвоения материала главы книги -снабжены значительным числом задач.

Автор Акопян Александр Аркадьевич

ОБЩАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Редактор А. А. Арманд

Технич. редакторы К. П. Воронин и Г. Е. Ларионов

Сдано

28/XII 1954 г/

 

 

Подписано к печати 10/V 1955 г.

Бумага

60X92Vi6

 

43,5 печ. л.

Уч.-изд. л. 41,4

Т-03393

Тираж

4 000 экз.

э

Цена 22 р. 20 к.

Зак. 1499

 

Типография Госэнергоиздата.

Москва, Шлюзовая

наб., 10.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В подавляющем большинстве вышедших за последние 2030 лет учебных книг по термодинамике центральное место зани­ мают ее применения, основным же положениям термодинамики уделено меньше внимания, чем это диктуется их особенностями, трудной усвояемостью и важностью.

Это объясняется прежде всего быстрым разрастанием приме­ нений термодинамики. Однако именно вследствие этого пользова­ ние шаблонами становится недопустимым и только хорошее зна­ ние основ может обеспечить желание и уменье применять термо­ динамику при разрешении задач, выдвигаемых наукой, техникой и народным хозяйством нашей страны.

Таким образом, кроме книг прикладного характера, могут быть полезными и такие, цель которых — дать правильное и полное представление об основных положениях термодинамики и тем самым подготовить к ее применению.

Для этого, мне кажется, должны быть:

обстоятельно, тщательно и доступно изложены основы тер­ модинамики;

логически строго выведены следствия из них и даны подробно разработанные примеры применения.

При составлении настоящей книги я стремился реализовать эту программу и, избегая упрощения, расчленить и уменьшить трудности, возникающие при изучении термодинамики.

Применения термодинамики многочисленны и разнообразны. Однако здесь рассмотрена только их малая часть. Это было необ­ ходимо, чтобы иметь возможность обстоятельно изложить весь материал.

Так как к тому же разбор разрозненных примеров мне пред­ ставляется менее полезным, чем рассмотрение систематических применений к отдельным областям, то в книге применения огра­ ничиваются простейшими или важнейшими вопросами, относя­ щимися к теплотехнике, физической химии и химической техно­ логии.

Таким образом, очень большому числу вопросов, отчасти весь­ ма интереоных, существенных или представляющих интерес новизны, вовсе не уделено места, и поэтому книга не может дать представления об исключительном разнообразии применений

термодинамики. Как уже сказано, ее цель — дать только пред­ ставление об основах термодинамики (и отчасти ее методах).

Вот неполный перечень вопросов, которые вовсе не затронуты в книге: теория паровых и газовых турбин, реактивных двигате­ лей и ядерных реакторов; теория электрохимических процессов, электрических и магнитных явлений; теория поверхностных явле­ ний и адсорбции; получение очень низких температур и свойства различных тел, например гелия, при этих температурах; теория упругих и пластических деформаций; теория растворов; «термо­ динамика атмосферы», «термодинамика звезд», «термодинамика сплавов»; так называемые «переходы второго рода»; современная теория необратимых стационарных явлений и т. д. Последнему вопросу, как и теории адсорбции, теории «сверхпроводимости», в последние годы уже посвящаются отдельные книги.

Из новых книг на русском языке, где приложения термодина­ мики к физическим явлениям изложены хорошо, хоть иногда и

очень

кратко, нужно указать

на две:

П.

С. Э п ш т е й н , Курс

термодинамики, Гостехиздат, 1948.

М.

А. Л е о н т о в и ч , Введение в термодинамику, Гостех­

издат,

1951.

Решение задач как теоретического, так и прикладного харак­ тера совершенно необходимо для приобретения самостоятельности в пользовании термодинамикой.

Прикладные задачи можно найти в любом задачнике по термо­ динамике; эти сборники почти не содержат теоретических задач. Хорошими книгами являются:

В. А. К и р и л л и н и А. Е. Ш е й н д л и н , Сборник задач по

технической термодинамике, Госэнергоиздат, 1949.

 

М. X. К а р а п е т ь я н ц ,

Примеры и задачи

по химической

термодинамике, Госхимиздат,

1950.

 

В целях экономии места в настоящей книге помещены задачи

преимущественно теоретического характера; их

назначение —

иллюстрировать теорию и помочь ее лучшему усвоению.

Объем книги велик. Однако нужно иметь в виду, что общей

теории

посвящены только гл.

1—7, 10 и 12— 14,

остальная же

часть

содержит приложения

термодинамики к

теплотехнике

(гл. 8, 9, 11 и 15— 17) и изложенные совершенно

независимо от

их применения к химии и химической технологии (гл. 18—22). Таким образом, для читателей, интересующихся только тепло­ техническими или только химическими приложениями термоди­

намики, объем оказывается не очень большим.

Несмотря на то, что часть общих положений термодинамики выражается неравенствами, а ее количественные соотношения нередко не могут быть использованы из-за отсутствия необходи­ мых данных, качественный анализ в термодинамике мало распро­ странен и не нашел еще признания.

Здесь качественный анализ широко использован.

В начале же книги (гл. 5 и 7) дан не претендующий на строгость элементарный вывод части условий устойчивости равно­ весия, определяющих знаки некоторых частных производных; установлено «правило знаков восьми величин», указаны способы определения в любой системе знака теплоты произвольного обра­ тимого процесса по знаку одного из них и знака теплоемкости по расположению линии процесса в координатной системе р V.

В последующих главах на основе качественного анализа полу­ чен ряд результатов, из которых некоторые существенны.

Наиболее важными я считаю законы смещения равновесия в их совершенно общей форме, не оставляющей места возраже­ ниям, возникавшим не раз на протяжении 50 лет.

Также существенен результат, устанавливающий взаимное расположение обратимой и необратимой адиабат и тем непосред­ ственно приводящий к постулату Каратеодори.

Я стремился к тому, чтобы новые понятия и важные поло­ жения вводились последовательно, по одному, и только после того, как предыдущее изложено с полнотой, достаточной для усвоения.

В этой связи следует отметить, что в книге первое начало без его сочетания со вторым применено гораздо шире, чем обычно. При этом имелось в виду как можно полнее обрисовать первое начало и его возможности и вместе с тем показать на примерах (гл. 7 и 8), что далеко не все вопросы могут быть разрешены при его помощи; наконец, предполагалось, что навыки и приемы, которые таким образом выработаются, будут очень полезны при применениях второго начала или совместных применениях обоих начал.

В книге немало случаев, когда одна и та же зависимость выве­ дена различными способами в различных местах. Это сделано по следующим соображениям.

Хотя теперь уже общепризнано, что при выводе каких-нибудь соотношений наиболее удобными являются — ввиду простоты и единообразия — аналитические методы, основанные на общих по­ ложениях термодинамики, однако нельзя вовсе пренебрегать и другими приемами. Один из них — метод циклов, — еще недавно широко распространенный, использован в гл. 13.

Кроме того, использованы совершенно частные приемы вывода с целью иллюстрации каких-нибудь отдельных положений.

Неоднократно предпринимавшиеся в последнее время попытки облегчить восприятие термодинамики при помощи элементов кинетической теории не оказались успешными.

Причина неудачи кроется, очевидно, в том, что для освещения большинства вопросов термодинамики нужны не элементы, а ма­ тематически разработанные основы кинетической теории и стати­ стической механики. Они же доступны только лицам с более широкой, чем обычно, математической подготовкой и в свою

очередь являются источниками затруднений для большинства лид, изучающих термодинамику.

Поэтому в книге кинетическая теория не использована. Однако, и не прибегая к кинетической теории дли статистической механике, можно объяснить некоторые общие положения и ре­ зультаты при помощи простых, всем хорошо знакомых молеку­ лярных представлений. Это и сделано в различных местах книги (например, в гл. 12 с целью объяснить постулаты Клаузиуса и Томсона и установить границы применимости второго начала термодинамики).

Мне представляется, что книга может оказаться полезной студентам различных специальностей: химикам, физикам и буду­ щим инженерам. При этом возможно, что для некоторых катего­ рий читателей материал гл. 1 и 2 и отдельные места в других главах покажутся изложенными излишне подробно.

Но эта книга — результат долголетнего преподавания, и опыт привел меня именно к этому уровню изложения.

Приношу искреннюю и глубокую признательность профессо­ рам К. В. Астахову, И. И. Новикову и А. А. Гухману, рецензи­ ровавшим книгу: рецензии и вызванные ими беседы привели к значительным изменениям текста. Я также весьма признателен проф. М. П. Вукаловичу, организовавшему обсуждение рукописи кафедрой теоретических основ теплотехники МЭИ, всему коллек­ тиву кафедры и проф. В. А. Кириллину за критику и полезные советы.

Особенно я благодарен редактору А. А. Арманду за исключи­ тельно внимательное отношение и настойчивость в устранении ряда недостатков.

Автор

 

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

 

 

 

Предисловие

 

 

 

 

 

 

3

Введение .

 

 

 

 

 

 

13

 

 

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

 

 

 

 

 

Глава первая. Термодинамические системы. Газы .

 

1-1. Признаки. Однородность.......................................

 

 

 

 

 

17

1-2. Системы, рассматриваемые в термодинамике

 

 

19

1-3. О взаимной зависимости признаков си стем ы ..................................................

 

 

20

1-4. Коэффициенты объемного расширения, сжимаемости и термической

22

 

упругости.....................................................................................................................

 

 

 

 

 

 

1-5. Характеристическое уравнение

однородной системы

(уравнение со­

28

 

стояния) ......................

• •

 

. . . .

■ • • •

.

1-6. Уравнение состояния идеального газа

 

 

 

31

1-7.

Законы идеальных

газов .

• • * *

 

 

 

32

1-8. Смеси идеальных газов.........................................................................

 

 

 

 

 

35

1-9. Отклонения от свойств идеальных газов. Диаграмма pv р

37

1-10. Изотермы реальных г а з о в

...............................

 

 

 

 

39

1-11.

Коэффициенты ^

, ар и

реальных газов .

 

 

42

1-12. Коэффициент ар реальных газов

 

 

 

45

1-13. Термодинамическоесостояние,

его параметры

и функции .

47

1-14. Историческая справка

 

 

 

.

 

50

Глава вторая. Предварительные сведения о системе жидкость— пар

2-

1. Упрощающие допущения. Насыщенные жидкость и пар

53

2-2. Зависимость давления от температуры . . .

. . .

 

 

54

2-3. Удельные объемы насыщенных

жидкости

и пара

 

57

2-4. Изотермы чистого

вещ ества..........................

 

 

 

 

61

2-5. Изотермы чистого вещества (продолжение)...............................

 

 

67

2-6. Общее условие изотермической

устойчивости равновесия

69

2-7.

Состав. Линии постоянногосостава .

 

 

 

75

2-

8. Параметры системы жидкость—пар

 

 

 

83

 

 

Глава третья. Работа

 

 

 

3-

1. Работа силы. Теорема живых сил .

 

 

 

85

3-2. Потенциал. Потенциальная энергия

 

 

 

86

3-3.

Работа давлен и я......................

 

 

 

 

 

 

89

3-4. Примеры вычисления работы давления системы

 

 

92

3-

5. Зависимость работы давления от процесса .

 

 

96

 

 

Глава

четвертая. Теплота

 

 

4-

1. Температурами теп л о та .................

 

• .

« . . .

100

4-2. Термометры; абсолютная температура; количество тепла .

104

4-3. Теплоемкости; скрытые теплоты . .

 

 

 

107

4-4. Адиабатные п р о ц е с с ы

................. •

........................

 

 

 

 

112

4-5. Сравнение влияний теплоты и внешней работы

 

 

114

 

 

Глава пятая. Процессы, циклы

 

 

5-1.

Примеры различных процессов. . . . . . . .

 

 

116

5-2. Прямые, замыкающие и обращенные процессы

 

 

119

5-3. Примеры и особенности обращенных процессов .

 

 

121

5-4.

Изменения в среде, вызываемые

процессами . . . .

 

125

5-5. Понятия „обратимость"

и „необратимость". Примеры .

 

129

5-6. Обратимость и равновесие..............................

 

 

• . . . .

 

134

5-7. О возможности изображения процесса на диаграмме

.

136

5-8. Необходимые условия устойчивости равновесия • • .................

...

137

5-9. Необходимые условия устойчивости равновесия (продолжение)

141

5-10. Некоторые свойства обратимой адиабаты .

 

 

 

145

5-11. Об одной математическойзависимости

 

 

 

 

149

5-12.

Циклы . . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

152

5-13. Примеры циклов

 

. . .

 

 

 

 

 

 

153

5-14.

Работа в течение

цикла. . . .

 

 

 

 

 

 

155

5-15. Взаимодействие системы и среды .

 

 

 

 

158

5-16. Несколько теорем

об интегралах

 

 

 

 

 

159

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

 

 

 

 

 

 

Глава

шестая. Первое начало

 

 

 

6-1. Об одном общем свойстве циклов. Вечный двигатель первого рода

167

6-2. Формулировка первого начала термодинамики. Внутренняя энергия

169

6-3. Непосредственные следствия и некоторые применения первого начала

173

6-4. Сопоставление внутренней энергии, теплоты и работы ......................

177

6-5. Внутренняя

энергия

системы,

состоящей

из частей. Расчленение

 

 

приращения внутренней энергии

................................................

 

 

• . . . .

179

6-6. Случаи, когда теплота

и работа

не зависят от

процесса. Законы

 

 

Г е с с а .........................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

181

6-7. Применения равенства (6-18) ксистемам

с

тремя

параметрами . .

186

6-8. Применения

равенства

(6 - 18) к системам, число параметров

которых

 

 

больше т р е х

 

 

 

 

 

 

190

 

6-9.

Смеси идеальных

г а з о в

 

 

 

 

195

 

6-10. Теплосодержание

системы(энтальпия)

 

 

 

 

196

6-11. Теплоемкости Cv и Ср

 

 

 

.

 

.

200

6-12. Некоторые применения правил начального и конечного состояний .

202

6-

13. О работах М. В. Ломоносова .

 

 

 

 

 

207

Глава седьмая. Применения первого начала к обратимым процессам

7-

1. Выражение первого начала в

случае

механически обратимых про­

 

цессов ..................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

.

213

7-2. Теоремы о теплоте элементарных

обратимых процессов .

. .

214

7-3. Связь между теплоемкостью обратимого

процесса и его изображе­

 

 

нием на диаграмме р— .............................................................................V

 

 

 

 

 

 

219

7-4. Зависимость теплоты процесса от

расположения

его линии . . .

225

7-5. Зависимости

между

теплоемкостями различных обратимых про­

229

 

цессов .................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7-6. Зависимости между

теплоемкостями различных обратимых процессов

231

 

(продолжение)....................

 

 

 

 

 

 

 

 

7-7. Определение зависимостей между коэффициентами Ср , Cv , l,b ,a и р

233

7-8. Теплоемкости и скрытые теплоты

обратимых процессов как функции

 

состояния

.

 

 

 

. . . .

 

 

235

Глава

восьмая. Применение первого

начала к системе жидкость — пар

8-1. Некоторые свойства

системы

жидкость — пар

. .

 

242

8-2. Различные теплоемкости в системе жидкость — пар

 

244

8-3. Выражение для DQ в системе

жидкость — пар

 

 

246

8-4.

Теплоемкости

Ст ,,,7

и скрытые

теплоты

L, X .

 

 

248

8-5.

Теплоемкости

 

с',

7'; cv,n с", 7";

7 .

 

 

 

 

254

8-6. Обратимые адиабаты

на диаграмме р V

..........................

 

 

 

258

8-7.

Обратимые адиабаты

на диаграмме р — V (продолжение).........................

261

8-8. Линии постоянного теплосодержания (изэнтальпы) на диаграмме р V 269

8-9. Изэнтальпы на диаграмме р V (продолжение)

 

.

272

Глава

девятая. Теория

изодинамических

процессов.

Дросселирование

9-

1. Теория изодинамических процессов .

 

 

 

 

280

9-2.

Дросселирова ние..................

 

 

 

 

 

 

 

 

283

9-3. Теория дросселирования...............................

 

 

 

 

 

 

 

285

9-4. Изменения, вызываемые дросселированием .

 

 

 

288

9-

5. Температурный эффект дросселирования .

 

 

 

290

 

 

Глава

десятая. Свойства идеального

газа

 

10-1.

Определение

идеального г а з а

.............................................................

 

 

 

 

 

299

10-2.

Свойства идеального газа, вытекающие из

его

определения .

. . 300

10-

3. Свойства идеального газа, вытекающие из его определения

 

(продолжение)...................................

 

 

 

 

 

 

 

.

305

10-4. Несколько общих соотношений..............................

 

 

 

 

 

307

10-5. Уравнения обратимой адиабаты идеального

г а з а ...................................

 

308

10-6.

Работа давления в обратимо-адиабатическом процессе идеального

 

 

га за ............................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

313

10-7. Основное свойство цикла Карно в идеальном газе

 

314

10-

8. Обобщение теоремы (10-57)

• •

 

 

 

 

317

10-

9. Политропические процессы

 

..........................

 

 

 

 

320

10-

10. Некоторые свойства политропических процессов .

322

Глаза одиннадцатая. Наиболее общее выражение

первого начала.

 

 

 

 

 

Теория

течения

 

 

 

 

11-

1. Наиболее

общее

выражение

первого

начала

 

 

33O

11-

2. Стационарное теч ен и е .....................

 

 

 

 

 

 

 

332

11-3. „Расход", „уравнение непрерывности*

 

 

 

 

334

11-4.

Основная зависимость. . • •

..................

 

 

 

 

 

335

11-

 

5. Замечания о зависимостях (11-7) и (11-12) .

 

 

333

11-6.

Течение и скорость з в у к а ...............................

 

 

 

 

 

 

 

341

11-7. Течение при постоянном удельном объеме

 

 

 

344

11-

 

8. Течение газообразной си стем ы

...........................................................

 

 

 

 

345

11-9. Течение газообразной системы, уравнение адиабаты которой руп

__

 

 

= const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

354

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ

ТРЕТИЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава двенадцатая. Второе

начало

 

 

12-1. Недостаточность первого начала

 

 

 

 

 

359

12-2. Источники т е п л а ..................

 

 

 

 

 

 

 

351

12-3. Циклы с одним источником..................

 

 

 

 

 

 

355

12-4. Примеры циклов с одним источником .

 

 

 

355

12-5. Второе начало термодинамики .

 

 

 

 

 

359

12-6. Следствия второго начала..............................

 

 

 

 

 

. .

 

372

12-7. Некоторые

свойства обратимых адиабат и изотерм .

375

12-8. Некоторые свойства обратимых адиабат

и изотерм

(продолжение)

379

12-9. Обратимые и необратимые адиабаты .

 

 

 

 

382

12-10.

Постулат К л ау зи у са..............................

 

 

 

 

 

 

. . . . . .

385

12-

11. Второе начало термодинамики в свете молекулярных представлений 392

 

Глава тринадцатая. Цикл Карно и его применения

 

13-

1. Образование обратимого цикла с одним источником из двух обра­

 

тимых циклов Карно

 

 

. . .

 

 

 

 

 

396

13-2. Следствие теоремы, доказанной

в § 13-1 .

 

 

 

 

399

13-3.

Некоторые свойства

цикла

Карно

. .

. .

 

 

402

13-4. Элементарные циклы, эквивалентные циклу Карно

 

 

407

13-5. Формула

Клапейрона; скрытые теплоты

/, b . .

.

 

409

13-6. Применения зависимостей,

полученных

в предыдущем

параграфе

412

13-7. Температурные

эффекты

изодинамического

и

изэнтальпического

416

 

процессов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13-8. Свободная энергия .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

419

 

 

 

Глава четырнадцатая. Энтропия

 

 

 

14-1. Целесообразность перехода от циклов к процессам при выражении

424

 

второго

начала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14-2. Определение энтропии . . . .

 

 

 

 

 

 

 

424

14-3. Некоторые свойства энтропии

 

 

 

 

 

 

 

427

14-4. Применения энтропии..............................

 

 

 

 

 

 

 

 

431

14-5. Соединение первого и второго

начал

 

 

 

 

 

437

14-6. Законы взаимности . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

438

14-7. Энтропия идеального газа

 

 

 

 

 

 

 

 

442

Глава пятнадцатая. Элементы теории

тепловых

(термических) машин

15-1. Тепловые машины: двигатели и „насосы"..........................

 

 

 

 

445

15-2. Характерные особенности циклов двигателей и насосов .

446

15-3. Изотермы и адиабаты на диаграмме T—S

 

 

 

 

448

15-4. „Средняя" и „эффективная" температуры

 

 

 

 

450

15-5. Цикл Карно, эквивалентный данному • .

 

 

 

 

453

15-6. Термический к. п. д. теплового двигателя...................................

 

 

 

 

455

15-7. Двигатель, совершающий адиабатно-политропический цикл

461

15-8. Холодильные и нагревательные

маш ины...................................

 

 

 

 

465

15-9. Термические к. п. д. холодильной и нагревательной машин

466

 

 

Глава

шестнадцатая. Диаграммы Т — S и Я — S

 

16-1. Определение теплоемкости на диаграмме Т 5 . . .

 

472

16-2. Изобары, изохоры и

изэнтальпы

на диаграмме

Т 5

 

 

474

16-3. Диаграмма Т — 5

для системы

жидкость — пар .

 

 

478

 

 

 

/

dt \

 

 

 

 

 

 

 

 

484

16-4. О производной l-gjjj- 1

 

 

 

 

 

 

 

 

16-5. Линии

различных

процессов

на

диаграмме Я — S

энтальпия-

 

 

энтропия ...........................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

485

16-6. Диаграмма энтальпия — энтропия для системы

жидкость — пар .

490

16-7. Диаграмма Н — S для системы

жидкость — пар (продолжение)

495

 

Глава семнадцатая. Циклы тепловых машин. Получение низких

 

 

 

температур и сжижение газов

 

 

 

17-1. О рабочем веществе .

 

 

 

 

 

 

 

 

501

17-2. Цикл Рэнкина..............................

 

 

.............................

 

 

 

 

 

 

 

501

17-3. Поршневые двигатели внутреннего сгорания .

 

 

503