1-13_Lection_TOT

1

Лекція 1 Технічна термодинаміка.

Предмет термодинаміки. Основні поняття

Термодинаміка – наука, яка вивчає процеси взаємного перетворення тепло-

ти і роботи, властивості тіл і систем, що беруть участь в цих процесах. Термоди-

намічні дослідження базуються на феноменологічному методі, який розглядає робоче тіло як макросередовище без урахування мікрофізичної структури тіла і процесів, обумовлених молекулярною будовою речовини.

Об'єктами вивчення в ТД є різні термодинамічні системи (ТДС), які являють собою сукупність макроскопічних матеріальних тіл, що обмінюються енергією або речовиною між собою і навколишнім (зовнішнім) середовищем . Об'єкт ви-

вчення називається т/д системою, а все, що лежить поза його межами - навколи-

шнім середовищем. Окреме тіло може розглядатися як ТДС. Поверхня, яка відо-

кремлює ТДС від ОС, наз. контрольною.

Найпростішим прикладом ТДС (тіла) системи може бути газ, що знахо-

диться в циліндрі з поршнем. До навколишнього середовища потрібно віднести циліндр і поршень, повітря, яке оточує їх, стіни приміщення, де знаходиться ци-

ліндр з поршнем і т.д.

ТДС поділяються:

Закриті - немає обміну речовиною з навколишнім середовищем через контроль-

ну поверхню ( m=const).Наприклад- продукти згоряння ДВЗ в процесі розширен-

ня.

Відкриті – є обмін речовиною і енергією з навколишнім середовищем через кон-

трольну поверхню (m= const). Наприклад - процес виштовхування відпрацьова-

них газів.

Ізольовані- не обмінюються енергією і речовиною з навколишнім середовищем. (

m=const )

2

Адіабатні або теплоізольовані – відсутній теплообмін з навколишнім середови-

щем( наприклад-газ знаходиться в посудині, стінки якої покриті ідеальною теп-

ловою ізоляцією, що виключає теплообмін з ОС).

Екосистема - це сукупність організмів і неживих компонентів, які взаємо-

діють разом і пов’язані потоками речовини і енергії. Всі екосистеми є термоди-

намічними відкритими системами.

В ТД розглядаються головним чином системи, за допомогою яких відбува-

ється взаємне перетворення теплоти і роботи. В теплових двигунах перетворення в роботу здійснюється за допомогою так званого робочого тіла. Робочим тілом наз. фізична речовина – носій енергії. Як робоче тіло, як правило, використову-

ються гази і пари, здатні значно змінювати свій об'єм при зміні зовнішніх умов.

Наприклад, в двигунах внутрішнього згоряння, ГТУ розглядаються процеси, в

яких робочим тілом є газ. В парових двигунах розглядаються процеси, де робочим тілом є пара, яка легко переходить з пароподібного стану в рідкий і навпаки.

Термодинамічні параметри.

Сукупність властивостей робочого тіла називається термодинамічним ста-

ном, який характеризується термодинамічними параметрами. Параметри розді-

ляються на інтенсивні ( не залежні від маси робочого тіла) і екстенсивні –

пропорційні масі робочого тіла.

4

В техніці для вимірювання тиску використовуються прилади: барометри,

манометри і вакуумметри. Барометрами вимірюють атмосферний тиск р АТМ. Ма-

нометрами – тиск, який перевищує атмосферний, тобто так званий надлишковий тиск рНАД. Для вимірювання розрідження – вакуумметри р ВАК

Термодинамічним параметром є тільки абсолютний тиск. При визна-

ченні абсолютного тиску розрізняють 2 випадки:

1). Коли тиск в посудині більше ратм.

2). Коли тиск в посудині менше ратм.

Р=0

1)рАБС = рНАД + рАТМ

2)рАБС = рАТМ - рВАК

Температурою наз. фізична величина, яка характеризує ступінь нагрівання тіла.

Згідно з МКТ абсолютна температура T є мірою інтенсивності теплового руху мо-

лекул тіла і визначається середньою кінетичною енергією руху молекул газу. Без-

посередньо виміряти кінетичну енергію руху молекул практично неможливо. То-

му для вимірювання температури використовують залежність від неї якої-небудь властивості речовини( наприклад, теплове розширення, е.р.с. між дотичними ме-

талами, електричний опір, інтенсивність випромінювання).

Чисельне значення виміряної температури залежить від обраної шкали тем-

ператур. Поняття шкали температур включає 2 елементи: нуль відліку і значення

1 градуса. Самою універсальною шкалою температур, не залежною від яких-

небудь властивостей термометричної речовини є абсолютна термодинамічна шкала температур T – шкала Кельвіна, що має єдину експериментальну, ре-

5

перну (опорну) точкутемпературу потрійної точки води (стан рівноваги льоду,

води і пари). Якій приписується числове значення 273.16 К. За нуль відліку – Tmin

= 0 К ( практично недосяжний стан спокою молекул). Термодинамічна шкала тем-

ператур лежить в основі Міжнародної практичної температурної шкалишкали Цельсія, за нуль відліку в якій прийнята температура плавлення льоду, а за 1000С

– температура кипіння води за Рнорм =101.325 кПа (760 мм.рт.ст.) T,K = 00 С + 273,15 0C

Температурі потрійної точки води 273,16 К відповідає 0,010С.

Вимірювання температури здійснюється за допомогою рідинних термомет-

рів, термометрів опору, термопар, тепловізорів( оптичний метод), пірометрів (без-

контактний метод).

Термодинамічний процес.

Розрізняють рівноважні і нерівноважні стани.

Під рівноважним станом тіла розуміють такий, при якому у всіх точках його об'єму тиск, температура, питомий об'єм і всі інші фізичні властивості однакові.

Цей стійкий стан і за відсутності зовнішніх дій може зберігатися довго.

Термодинамічним процесом називається послідовна зміна стану робочого тіла, що відбувається в результаті його енергетичної взаємодії з навколишнім се-

редовищем. В термодинамічному процесі обов'язково змінюється хоча б один па-

раметр.

Процес зміни стану системи може бути рівноважним і нерівноважним. Як-

що процес протікає так, що він проходить через рівноважні стани, то він назива-

ється рівноважним.

Рівноважний процес можна здійснити при нескінченно повільній зміні зов-

нішніх умов або коли зміни параметрів, що характеризують стан системи, нескін-

ченно малі в порівнянні із значенням самих параметрів.

7

рівноважні стани. Проте, вивчення оборотних процесів грає важливу роль, оскі-

льки багато реальних процесів близькі до них. Крім того, оборотні процеси при-

водять до максимальної ефективності перетворення енергії в теплових машинах і

Робоче тіло

Спрощеною моделлю робочого тіла є ідеальний газ. В ідеальних газах від-

сутні сили взаємного притягання і відштовхування між молекулами, а об'ємом самих молекул можна знехтувати, вважаючи його нескінченно малою величиною в порівнянні з об'ємом, в якому вони поміщаються. Ідеальні гази підпорядковані законам Бойля-Маріотта, Гей-Люссака і Шарля.

pv=const – Бойля-Маріотта

p1 T1 - Шарля (v=const)

p2 T2

Параметри стану р,v, T однорідного тіла в рівноважному стані пов'язані між собою функціональною залежністю

p, v, T) =0

яка називається термічним рівнянням стану. Найпростішим рівнянням стану є рівняння Клайперона – Менделєєва для ідеального газу.

pv =R T,

де P- абсолютний тиск; vµ- об'єм 1 кмоля газу;

8

T – абсолютна температура.

R = 8314 Дж/кмоль К–універсальна газова постійна однакова для всіх газів.

Якщо обидві частини рівняння розділити на молярну масу , то отримаємо рівняння для 1 кг ідеального газу

pv= RT

Де R = R / -= 8314/ - питома газова стала, залежна від хімічної структури газу і має для кожного газу своє значення.

Фізичний зміст питомої газової сталої – це робота розширення 1 кг газу при нагріванні його на 1 градус.

Калоричні параметри стану

До параметрів стану відносяться також: внутрішня енергія U, ентальпія H і ентро-

пія S, які називаються калоричними параметрами.

Внутрішня енергія. Під внутрішньою енергією розуміють суму запасів кі-

нетичної і потенційної енергії. E U K U ПОТ

Uk – визначається обертальним, поступальним і коливальним рухом молекул і залежить тільки від температури тіла T. Uk= f(T).

Uпот – визначається силами взаємодії між молекулами і залежить від серед-

ньої відстані між молекулами, тобто від займаного робочим тілом питомого об'є- му. Uпот =f(v). Для ідеального газу Uпот =0, Е=Uk=f(T).

Звичайно цікавляться значенням внутрішньої енергії, віднесеної до 1 кг маси ро-

бочого тілапитомою внутрішньою енергією.

u Um , [ кДжкг ].

Оскільки U є функцією стану, то її зміна не залежить від характеру проце-

су, а визначається тільки початковим і кінцевим станом, тобто

9

2

U dU U 2 U1

1

Ентальпія. Є сумою внутрішньої енергії і потенційної енергії тиску газу.

Величина H= U+рV отримала назву ентальпії газу в даному стані, де рV –

потенційна енергія тиску. Для питомої ентальпії

Газ знаходиться в посудині під тиском P, створюваним вантажем масою М.

В цьому випадку повна енергія Е складається з внутрішньої енергії газу під пор-

шнем U і потенційної енергії положення вантажу, рівної р fz=р v, тобто E=U+рv.

Таким чином, якщо газ знаходиться в середовищі з тиском р, то з будь-яким його станом пов'язана деяка енергія U+рV=H.

Оскільки величини, що входять у склад H є функціями стану, то і H є функ-

цією стану, і її зміна не залежить від характеру процесу і визначається тільки по-

чатковим і кінцевим станом, тобто

2

h dh h2 h1 (u2 p2v2 ) (u1 p1v1)

1

Ентропія- параметр стану, диференціал якого рівний відношенню нескін-

ченно малої кількості теплоти δQ в елементарному оборотному процесі до абсо-

лютної температури T, постійної на нескінченно малій ділянці процесу, тобто

Якщо кількість теплоти віднести до 1 кг речовини, то отримаємо питому ентро-

пію

ds = Tq [кДж/кг К].

U, H, S - функції стану, зміни s, h, u , не залежать від характеру проце-

су, а визначаються початковим і кінцевим станом робочого тіла.

Калоричні параметри s, h, u володіють властивістю аддитивності

10

Параметри є характеристикою стану, тому зміна параметрів в процесі зале-

жить від початкового і кінцевого стану, і не залежить від характеру процесу.