Кафедра теплотехники и теплосиловых установок

А. А. Куликов, кандидат технических наук, доцент

И. Н. Дюкова, доцент

И. В. Иванова, кандидат технических наук, доцент

Физические основы

ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГООБМЕНА

(часть I)

Учебное пособие

для студентов очной и заочной форм обучения

Санкт-Петербург

2014

Рассмотрено и рекомендовано к изданию

учебно-методической комиссией лесомеханического факультета

Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета

15 января 2014 г.

Отв. редактор

кандидат технических наук, доцент А. А. Куликов

Рецензенты:

отдел научно-технической информации и образовательной

деятельности СПбНИИЛХ

(зав. отделом кандидат технических наук Н. А. Маятина),

доцент Санкт-Петербургского государственного университета сервиса и экономики, кандидат технических наук В. Ф. Бадах

УДК 621.1

Куликов, А. А.

Физические основы процессов энергообмена: учебное пособие для студентов очной и заочной форм обучения / А. А. Куликов [и др.]. – СПб.: СПбГЛТУ, 2014. – 103 с.

ISBN 978-5-9239-0476-5

Представлено кафедрой теплотехники и теплосиловых установок.

В основной части учебного пособия строго и последовательно рассмотрены основные положения общей термодинамики. Особое внимание уделено аналитическому изучению процессов в газовой фазе.

В обширных приложения к основному тексту более детально и углубленно излагаются вопросы специализированной направленности, которые в термодинамической теории выполняют вспомогательно-разъяснительную функцию, а также используются в практических расчётах.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения.

Табл. 6. Ил. 10. Библиогр. 19 назв.

Темплан 2014 г. Изд. № 97.

ISBN 978-5-9239-0476-5 СПбГЛТУ, 2014

Введение

Фундаментом, на котором строятся все теплофизические дисциплины, включая «Физические основы тепловых процессов» (ФОТП), является общая термодинамика (от греческого therme – теплота и dynamis – сила). Этимология слова указывает, что это наука «о силах, связанных с теплом», но вовсе не о движении тепла. Явления теплопередачи и теплопроводности классической термодинамикой не рассматриваются. Также как и вопросы о быстроте или длительности процессов. То есть понятие о времени в нее не вводилось. Оно используется в настоящее время в одном из новых научных направлений – в термодинамике необратимых процессов.

Общая термодинамика изучает все физико-химические процессы на макроуровне, не опускаясь до изучения эффектов взаимодействия на атомном и молекулярном уровнях. То есть это феноменологическая наука, которая изучает явления в системах, состоящих из большого числа частиц (по-гречески феномен – это явление). Однако, там где это необходимо, термодинамика может привлекать молекулярно-кинетические представления для более детального объяснения сущности процессов.

1. Термодинамическая система. Основные параметры состояния системы

Все термодинамические процессы протекают в термодинамических системах.

Термодинамической системой называется совокупность материальных объектов, взаимодействующих как между собой, так и с окружающей средой.

Окружающая (или внешняя) среда – это все материальные объекты, находящиеся за границами термодинамической системы (для краткости – просто системы).

Примеры:

1. Термодинамической системой является газовая смесь, находящаяся в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, когда впускной и выпускной клапаны закрыты.

Всё, что окружает молекулы газа в этой смеси, является окружающей средой: крышка цилиндра, стенки цилиндра, поршень.

2. Термодинамической системой является работающий котельный агрегат (КА) – теплотехническая установка, предназначенная для получения горячей воды или водяного пара. Во время работы КА к нему подводится топливо, при сгорании которого выделяется химическая энергия. Эта энергия в КА передаётся питательной воде, циркулирующей по трубам. В результате получается либо горячая вода, либо пар.

Всё, что находится вне конструктивных элементов КА, является окружающей средой. Для того, чтобы себе это представить, мысленно окружаем КА поверхностью, внутри которой будут находится все его конструктивные элементы. Эту поверхность можно рассматривать как границу данной термодинамической системы.

Однородная система состоит из одинаковых элементов (молекул, атомов).

Также системы бывают: однофазными или многофазными; однокомпонентными или многокомпонентными. (Система с двумя компонентами называется бинарной или двойной – смесь двух газов, жидкостей или твёрдых тел и др.), с тремя компонентами – тернарной или тройной и т.д.).

Например, смесь газов является однофазной, но многокомпонентной системой.

В зависимости от формы контакта с окружающей средой термодинамическая система может быть открытой, замкнутой, изолированной.

Открытая термодинамическая система может обмениваться с окружающей средой и веществом (частицами), и энергией.

Замкнутая – только энергией.

Изолированная – не может обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

В рассмотренных выше примерах: газовая смесь в цилиндре двигателя – это замкнутая, многокомпонентная однофазная система, работающий котельный агрегат – открытая, неоднородная многофазовая система.

Чтобы однозначно охарактеризовать состояние термодинамической системы используются параметры состояния.

Экспериментально установлено, что удобно пользоваться тремя основными параметрами состояния: абсолютная температура, абсолютное давление, удельный объем.

Абсолютная температура выражается в градусах Кельвина и определяется следующим выражением:

Т = t С + 273,15, К. (1.1)

(Сам термин температура латинского происхождения. Он означает смесь, смешение – т.е. сочетание противоположных качеств – теплого и холодного. Термин градус также латинского происхождения и означает ступень, степень).

Абсолютное давление в термодинамической системе выражается в паскалях и определяется как сила, действующая на 1 м² по нормали к поверхности: р, Па.

Следует отметить, что приборы, которые измеряют давление в теплотехнических установках, показывают не абсолютное давление, а разность между абсолютным давлением в точке замера, например, в топке, и абсолютным давлением окружающего атмосферного воздуха. То есть они показывают, на сколько давление в точке замера отличаются от атмосферного. Поэтому показания таких приборов могут иметь как положительные, так и отрицательные значения: положительные – когда давление в точке замера больше атмосферного, отрицательные – когда меньше.

Удельный объем – это отношение объема, который занимает однородная или многокомпонентная система, к ее массе:

м³ / кг, (1.2)

где υ – удельный объём, м³/кг; V – объем системы, м³; М – масса системы, кг.

В (1.2), например, это может быть отношение объема цилиндра двигателя, в котором находится смесь газов, к массе этой смеси.

Из определения удельного объема следует, что эта величина обратная плотности.

(Более подробные сведения о параметрах состояния см. Приложение 1).

Если каждый из параметров состояния (р, υ, Т) термодинамической системы в каждой точке объема, который она занимает, имеет одно свое неизменное значение, то система находится в состоянии равновесия.

В результате обобщения опытных данных формулируется первый, или основной постулат термодинамики:

у изолированной системы существует состояние термодинамического равновесия, в которое она приходит с течением времени и никогда самопроизвольно выйти из него не может.

Замечание:

Анализ процессов, происходящих в изолированной системе, представляет интерес в большой мере потому, что в предельном обобщении любую неизолированную систему и окружающую её среду можно рассматривать как единую изолированную систему.

При изучении свойств равновесных систем в термодинамике вначале рассматриваются свойства простых систем.

Простыми называются однофазные системы с постоянным числом частиц, состояние которых определяется только температурой Т и ещё каким-то одним параметром состояния, например, давлением р. Примером таких систем является либо чистые газы, либо газовые смеси.

Соответственно всюду далее будут рассматриваться только простые системы, за исключением особо оговариваемых случаев.