1.1 Рабочее тело

Рабочим телом в термодинамике называют некоторое промежуточное тело, при помощи которого осуществляется трансформация тепловой энергии в механическую в тепловых двигателях.

Рассмотрим в общих чертах процесс преобразования тепловой энергии в механическую в основных типах тепловых двигателей – паротурбинных установках (ПТУ) и двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

В любой паротурбинной установке теплота от продуктов сгорания передается кипящей воде, которая превращается в пар, перегревается в пароперегревателе и поступает на рабочую часть турбины. Температура и давление пара перед турбиной гораздо выше, чем эти параметры окружающей среды, поэтому пар способен совершить работу, которую он и совершает в процессе адиабатного расширения на проточной части турбины. При этом давление и температура пара понижаются и отработавший пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, отдавая свою теплоту парообразования. Образованный конденсат насосом подается в котел, цикл рабочего тела замыкается. Трансформация тепловой энергии продуктов сгорания в механическую энергию вращения ротора осуществляется в процессе изменения теплового и агрегатного состояния рабочего тела.

При работе ДВС рабочее тело получается в результате горения горючей смеси, подаваемой в пространство цилиндра между его крышкой и поршнем. Т.к. температура и давление рабочего тела больше температуры и давления окружающей среды, оно способно совершить работу, поэтому рабочее тело расширяется, передвигая поршень. Эта часть энергии непосредственно испольуется для работы и обратного движения поршня, которое происходит за счет части энергии, переданной через кривошипно-шатунный механизм маховику.

В обоих примерах рабочим телом служил газ или пар. В качестве рабочего тела можно использовать твердое, жидкое, или газообразное вещество, но наиболее эффективно тепло переходит в работу в телах, резко меняющих свой объем при изменении температуры.

Аналитическое исследование законов трансформации теплоты в работу с учетом реальных свойств рабочего тела (упругой жидкости) весьма затруднительно, так как при этом нужно учитывать силы взаимодействия между молекулами, их собственный объем и наличие их ассоциированных комплексов. Для упрощения исследования вводится понятие идеального рабочего тела – идеального газа.

Идеальным газом называется упругая жидкость, у которой отсутствуют силы сцепления между молекулами, а сами молекулы представляют собой материальные точки (лишенные объема), обладающие свойствами абсолютно упругих шаров.

Оказывается, что все технические газы (и воздух в том числе) по своим свойствам достаточно близки к идеальному газу, так как они сильно перегреты – расстояние между молекулами огромно и силы взаимодействия между ними ничтожны.

Менее перегретые упругие жидкости уже не обладают свойствами идеального газа и поэтому называются газами реальными.

1.2 Термодинамическая система

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, находящихся в энергетическом взаимодействии между собой и окружающей средой, например: газ в цилиндре с поршнем.

Если термодинамическая система не обменивается энергией с окружающей средой и не взаимодействует с ней, ее называют изолированной системой.

Система, состоящая из одной фазы вещества, называется гомогенной.

Система, состоящая из нескольких гомогенных частей, имеющих поверхности раздела, называется гетерогенной.

В термодинамическую систему входят отдельные тела, которые по своей роли делятся на источники теплоты (горячие источники ГИ), приемники теплоты (холодные источники ХИ) и рабочие тела. Такая термодинамическая система является объектом изучения технической термодинамики.