Text_lektsiy_z_TTD_chastina_1__3-y_sem_ukr_2015

Лектор: Трокоз Ярослав Євгенович

Инженер?!… - это открыто светящийся интеллект, это свободный и не обидный юмор, это легкость и широта мысли, непринужденность переключения из одной инженер- ной области в другую и вообще от техники - к обществу, к искусству. Затем - это воспитанность, тонкость вкусов; хорошая речь, плавно согласованная и без сорных словечек; у одного немножко музицирование, у другого немножко жи- вопись; и всегда у всех - духовная печать на лице...

НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНІ МАТЕРІАЛИ

Основна література

1.Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика: Учебник.-4-е изд., перераб.-М.: Энергоатомиздат, 1983.-416с.

2.Сборник задач по технической термодинамике: Учебное пособие /Андрианова Т.Н., Дзампов Б.В., Зубарев В.Н., Ремизов С.А.-3-е изд., перераб.,-М.: Энергоиздат, 1981.- 240с.

3.Зубарев В.Н., Александров А.А., Охотин В.С. Практикум по технической термодинамике: Учебное пособие.-3-е изд., перераб.-М.: Энергоатомиздат, 1986.-304с.

4.Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов: Справочник. 4-е изд.-М.: Энергоатоми-

здат, 1987.-288с.

5.Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1984.-80с.

6.Костенко Г.М. Технічна термодинаміка: Учбовий посібник.-К.:Держ.видав-во техн.літератури, 1958.-419с.

7.Алабовский А.Н., Недужий А. «Техническая термодинамика и теплопередача» Киев 1990 «Вища школа»

Додаткова література

1.Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. -М.: Мир, 1977.-518с.

2.Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок: Учебное пособие: - 3-е изд., перераб. -М.: Высшая школа, 1985.-319с.

3.Исаев С.И. Курс химической термодинамики: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1986.-272с.

СРС - текст нижче цієї відмітки надано для самостійної роботи студента (СРС),

РОЗДІЛ 1: ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМОДИНАМІКИ

(ТЕРМІНОЛОГОЧНИЙ ПОРЯДОК)

1.1. ПРЕДМЕТ І МЕТОД ТД

«Якщо не знаєш назв, то втрачаєш і пізнання речей» -(Карл Ліней шведський

вчений 1707 - 1778.)

Термодинаміка - наука про енергію. Є фундаментальною загальноінженерною наукою.

Історично термодинаміка виникла в XIX столітті у зв'язку з необхідністю

вивчення процесів перетворення теплоти, в роботу в парових машинах. Основою

термодинаміки як нової науки можна вважати опублікований в 1824 р. французь-

ким військовим інженером Карно трактат « Размышления о движущей силе огня и

о машинах, способных развивать эту силу»

Залежно від кола даних питань і цілей дослідження термодинаміку підрозділяють на фізичну (або загальну), хімічну, технічну і ін.

Технічна термодинаміка (ТТД) - напрям термодинаміки, який вивчає ос- новні її закони (в курсі будемо вивчати два основні закони) з метою їх застосування для створення високоефективних технологій і енергетичних установок.

Два основні закони термодинаміки (сформульовані в 1850 р. Клаузіусом на основі ідей Карно, Майєра і Джоуля) є науковим узагальненням експериментальних даних, спостережень за явищами природи і роботою машин, створених людиною. Ці закони служать базою для науково обґрунтованого аналізу всієї послідовності енергетичних перетворень в промисловості, сільському господарстві і побуті. На них базуються розрахунок і проектування турбін, парових котлів, теплових і атомних електростанцій, автомобільних, суднових, авіаційних та ракетних двигунів, а також різного технологічного устаткування - компресорних машин, сушильних і холодильних установок і так далі.

Перший закон термодинаміки встановлює кількісне співвідношення в процесах взаємного перетворення енергії і є додатком загального закону збере-

ження і перетворення енергії до тепломеханічних процесів). Складання і використання енергетичних балансів засноване першому законі термодинаміки - за-

коні збереження енергії в застосуванні до тепломеханічних процесів.

Загальний закон збереження і перетворення енергії: « Енергія не може бути ні створена, ні знищена, а може бути лише перетворена з одного виду в іншій в різних фізичних і хімічних процесах

Другий закон термодинаміки характеризує спрямування природних (реальних) процесів і визначає якісну відмінність теплоти від інших форм передачі енергії. Цей закон пов'язаний з принципом існування ентропії. Другий закон враховує особливості реальних процесів у зв'язку з їх необоротністю. Зниження не- оборотності приводить до підвищення енергетичної ефективності процесів, а значить до економії енергоресурсів. Найбільш об'єктивний вплив необоротнос- тей враховується в сучасному методі термодинамічного аналізу - ексергетично- му, який розроблений на основі спільного використання першого і другого законів термодинаміки.

Третій закон термодинаміки - теплова теорема Нернста (1906 р.) про по-

ведінку ентропії біля абсолютного нуля температури.

ТТД - наука про енергетичні перетворення і взаємодії, а також про властивості тіл, які в них беруть участь.

ТТД є найважливішою частиною теоретичних основ теплотехніки

(ТОТ).

ТОТ Теоретичні основи теплотехніки

Теплотехніка - комплексна наука про раціональне використання первинних енергоресурсів (енергетичне і ядерне паливо, сонячна енергія і геотермальна енергія) для енергетичних, технологічних цілей, а також для теплопостачання.

Теплотехніка

Теплоенергетика Теплотехнології Теплопостачання

Метод термодинаміки (дедуктивний - від простого до складного) заснований на використанні двох основних законів для вирішення часткових завдань.

1-й и 2-й закони термодинаміки

Математичний апарат

Вирішення часткових задач

Перевага методу - простота і універсальність, що дозволяє однаково вирішувати завдання.

Недолік методу - не розкривається механізм енергетичних взаємодій і перетворень (ТТД не розглядає жодних гіпотез про будову речовини).

1.2. ЕНЕРГІЯ І ЕНЕРГООБМІН МІЖ ТІЛАМИ

Енергія - універсальна (загальна) міра різних форм руху матерії. Енергія тісно пов'язана з матерією (речовина і поле).

ТТД вивчає макротіла (складаються з великої кількості мікрочасток - молекул і атомів). На макрорівні розрізняють різні форми руху:

механічний рух, електричний рух, магнітний рух, тепловий рух, хімічний рух і так далі Відповідно розрізняють і види енергії:

механічна, електрична, магнітна, теплова (енергія хаотичного руху мікрочас-

ток, з яких складається тіло), хімічна і так далі Енергія може передаватися від одного тіла до іншого. При цьому говорять

про енергообмін між тілами. На макрорівні розрізняють три основні форми обмі-

1.Енергообмін у формі теплоти.

Епр

L

+

Полягає в безпосередній передачі енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітому при їх тепловому контакті. Обумовлений безпосередньою взаємодією між хаотично рухомими мікрочастками, складових макротіла і пов'язаний з наявністю різниці температур.

2.Енергообмін у формі роботи.

Відомий з механіки і полягає в здійсненні роботи одним тілом над іншим,

тобто здійснення направленого руху одного тіла в результаті силової дії іншого тіла.

3.Енергообмін з потоком речовини.

Теплота і робота є енергетичними проявами переходу енергії при взаємних перетвореннях руху. Теплота і робота - є мірою енергії (а не енергією), що передається.

Запам'ятати: теплота і робота проявляються лише в процесі енергоо-

бміну! Якщо немає енергообміну, то немає теплоти і роботи (це їх загальна властивість).

Q и L пов'язані з процесом передачі енергії.

Тепломеханічна взаємодія - енергообмін у формі теплоти і роботи між

тілами.

Енергоперетворення - це процес перетворення одного виду енергії в іншій.

Тепломеханічне перетворення

Q → L та L → Q

Між цими тепломеханічними перетвореннями є істотна різниця. Якщо роботу в теплоту ( L → Q ) можна перетворити повністю, то теплоту в роботу

( Q → L ) – лише частково. З цього місця матеріал наданий для студентів як СРС

до Лекції №1

Як вже наголошувалося, величини Q, L означають кількість енергії, яка пе-

редається через границю системи при тепловій та механічній взаємодії з оточенням. Аби визначити напрям передачі енергії, для теплоти і роботи часто приймається наступне правило знаків (знаки «+» або «-» при Q и L встановлюються по

відношенню до певного тіла):

Q > 0 (+) – теплота підводиться до тіла

L > 0 (+) – робота відводиться від тіла (здійснюється тілом)

Q

L

+

Q < 0 (-) – теплота відводиться від тіла

L < 0 (-) – робота підводиться до тіла (витрачається).

Q

_L

Звернути увагу!

Вираз, що часто використовується: «теплота (робота) підводиться до тіла

(системі) або відводиться.» - не зовсім точний. Користуючись їм, слід па- м'ятати, що підводиться і відводиться не теплота або робота, а енергія у відповідній формі (відповідним способом)

Ще раз про вибір знаків:

Знак показує на підведення або відведення енергії у відповідній формі ( Q або L ).

Так як Q та L можуть бути більше або менше 0, то Q та L - величини алгебраїч-

ні. Це означає, що при підстановці Q та L у алгебраїчні рівняння (формули), їх треба підставляти зі своїм знаком.

1.3 ТЕРМОДИНАМІЧНІ СИСТЕМИ. РОБОЧІ ТІЛА

ТТД вивчає макротіла або сукупність макротіл. Будь-який об'єкт, який вивчається ТТД, називається термодинамічною системою (ТС). Все, що знаходиться за межами ТС, називається зовнішнім середовищем: джерела (приймають і віддають) теплоти, роботи, речовини і природне довкілля. ТС відділяється від

зовнішнього середовища границею системи або контрольною поверхнею.

Границя системи або контрольна поверхня, - реально існуюча або уявна поверхня, що обмежує систему, через яку здійснюється енергообмін.

Якщо границі системи непроникні для речовини, то така система називається закритою. Тому закрита система містить одну і ту ж кількість речовини,

проте, її об'єм може мінятися, якщо границі системи рухливі. Приклад - Якщо границі системи проникні для речовини, то така система називається

відкритою. У нашому курсі розглядатимемо відкриті системи, для яких харак-

терний стаціонарний потоковий процес. Для таких систем обов'язкове підведення і відведення речовини (потоки речовини) при цьому

∑m& підв. = ∑m& відв.

тобто немає накопичення або зменшення речовини в системі. Крім того характеристики потоку не залежать від часу. Такі системи дуже широко поширені в техніці.

Якщо границі системи непроникні ні для речовини, ні для потоків енергії в

різних формах, то така система називається ізольованою. Кожна ізольована система є закритою, тоді як зворотне твердження невірне. Ізольована система може включати системи (макротіла), які взаємодіють (обмінюються енергією) кожна зі своїм зовнішнім середовищем. Об'єднання багатьох систем в одну ізольовану є прикладом вільного вибору границь системи.

Ізольована система - сукупність систем (макротіл), які обмінюються енер-

гією лише між собою. Це означає, що ізольована система із зовнішнім середо-

вищем не обмінюється енергією, у тому числі з природним довкіллям.

У ТД розрізняють також:

Адіабатна система - немає теплообміну ТС із зовнішнім середовищем

( Q = 0 ).

Енергетично ізольована система - немає обміну із зовнішнім середовищем ні у формі теплоти, ні у формі роботи ( Q = 0 , L = 0 ).

В курсі ТД як об'єкт вивчення (системи) дуже часто розглядатимуться ро-

бочі тіла.

Робоче тіло (РТ) - це речовина, за допомогою якої здійснюються тепломеханічні процеси. В якості РТ, як правило, використовують гази і пари, що здатні значно змінювати свій об'єм при зміні зовнішніх умов.

Газ (голл. gaz, від греч. χαоς - безформний стан)

В курсі ТД вивчаються прості робочі тіла (РТ) - це такі системи, властивості яких змінюються лише під впливом 2-х енергетичних дій - Q та L , електри-

чні, магнітні і ін. дії можна не враховувати:

1.Однорідні ідеальні гази (ІГ) і їх суміші

2.Реальні гази (РГ) і пари і їх суміші

Утих станах, коли взаємодією між молекулами і їх об'ємом можна нехтувати

робоче тіло вважається ідеальним газом. Якщо нехтувати не можна - реаль-

ним газом.