1. 1.1 Термодинаміка – наука про енергію та її перетворення.

Загальні уявлення про енергію, їх походження; початкові форми використання енергії вогню, вітру, води, сонця; використання мускульної сили людини та тварин. Способи кількісного оцінювання використовуваної енергії – одиниці вимірювання: кінська сила, Ньютон, Джоуль, кВт*год.

Первинні джерела енергії. Освоєння людством первинних джерел енергії. Розвиток технологій з використанням первинних джерел енергії: вугілля, торф, нафта (продукти), газ; освоєння енергії атомних (ядерних) реакцій.

2. 1.2 Енергетика – базова галузь економіки.

Значення та місце енергетики у процесах розвитку суспільства, економіки, промисловості. Використання енергії в сучасному світі: теплова та електрична енергія. Енергія як продукт, що споживається під час вироблення.

Масштаби й обсяги споживання енергії в Україні у промисловій і комунальній сферах та побуті. Обсяги вироблення енергії і видобутку первинних енергоносіїв в Україні. Енергетичний баланс.

Відновлювані джерела енергії: екологічна та економічна актуальність нарощування масштабів їх використання, заміщення ними викопних спалюваних енергоносіїв.

2.1. Предмет термодинаміки і термодинамічний метод.

Виникнення термодинаміки як методу аналізу взаємних перетворень теплоти у роботу в парових машинах. Узагальнення закономірностей перетворення енергії у різноманітних фізичних, хімічних та інших процесах внутрішню енергію тіл та зовнішню роботу і становлення термодинаміка як науки про енергію.

Уявлення енергії як міри руху матеріальних об’єктів та їх перетворення в процесах взаємодії друг з другом чи силовими полями. Різним формам руху матеріальних об’єктів відповідають різні види енергії: механічна, електрична, магнітна, хімічна – в кінетичному чи потенціальному вигляді.

Внутрішня енергія тіл як тепловий (тобто хаотичний механічний) рух мікрочастинок, що складають тіла. Участь внутрішньої енергії тіл у макроскопічних процесах перетворення видів енергії.

Термодинаміка виходить із понять, які вироблені даними дослідів, і базується на експериментально встановлених закономірностях. Термодинаміка використовує феноменологічний метод опису, викриваючи основну фізичну сутність різних явищ, і, не вдаючись до штучних моделей чи інтуїтивних уявлень, завдяки суворої логічної послідовності суджень встановлює для цих явищ кількісні співвідношення.

Таким чином, термодинаміка – це феноменологічна теорія макроскопічних процесів, що супроводжуються перетвореннями енергії.

Основні риси термодинамічного методу:

– термодинамічний аналіз базується на обмеженій кількості законів природи, або начал, підтверджених всім досвідом розвитку природничих наук:

перше начало – це окрема форма всезагального закону збереження і перетворення енергії стосовно теплових явищ;

друге начало визначає направленість макроскопічних процесів обміну енергією у тепловій формі;

трете начало характеризує поведінку речовин при температурі, близькій до абсолютного нуля;

умова взаємності або „нульовий закон” – закон про термічну рівновагу тіл з однаковою температурою.

– для опису процесів обміну енергією використовуються лише такі поняття і величини, що не пов’язані з уявленнями про мікроскопічну будову речовин, а характеризують результуючу дію усього ансамблю мікрочастинок макроскопічними параметрами, які можна безпосередньо виміряти чи обрахувати за даними вимірювань; такі параметри називають термодинамічними, як то: температура, тиск, густина;

– відповідно до попередніх двох особливостей термодинамічного методу він має обмеження щодо сфери застосування, зокрема як стосовно мікроявищ, так і стосовно метагалактичних процесів.

Застосування термодинамічного методу для вивчення й аналізу процесів перетворення і обміну енергією в тепловій і механічній формі, які відбуваються у теплових машинах, визначає предмет „технічної термодинаміки”, тобто вона є теорією дії теплових машин, що складають основу сучасної енергетики.

2.2. Основні поняття та визначення.

2.2.1. Уся різноманітність енергетичних взаємодій може бути зведена до двох способів обміну енергією, якими визначається форми передачі енергії.

Розрізняють передачу енергії шляхом упорядкованого макроскопічного руху тіл, внаслідок чого здійснюється робота, яка і визначає кількість переданої енергії, тобто це є передача енергії у формі роботи.

Інший, принципово відмінний спосіб передачі енергії відбувається шляхом обміну хаотичним невпорядкованим рухом мікрочастинок, внаслідок чого здійснюється теплообмін, а кількість переданої енергії називають кількістю теплоти або теплотою процесу, тобто це є передача енергії у формі теплоти.

Фізичний стан тіла визначається певним набором величин макроскопічного рівня, які в термодинаміці називають параметрами стану. В умовах відсутності силових полів (ел-маг. і т.і.) стан тіла однозначно може бути визначений трьома основними параметрами, які, проте, не є незалежними, а пов’язані між собою. Ними є питомий об’єм, абсолютна температура та тиск.

Питомий об’єм і густина:

NB: < Багато явищ у газах, рідинах і твердих тілах знаходять просте й переконливе пояснення в рамках молекулярно-кінетичної теорії. >

_Так тиск, надаваний газом на стінки посудини, у якій він поміщений, розглядається як сумарний результат численних зіткнень зі стінкою молекул, що швидко рухаються, у результаті чого вони передають стінці свій імпульс. Кінетична енергія руху часток, усереднена по їхньому величезному числу, визначає те, що прийнято називати температурою речовини.

Так, якщо n = N/V – число молекул в одиниці об'єму, а w – їхня швидкість, то з урахуванням рівноймовірного їхнього розподілу по ступенях свободи середня величина тиску визначається усередненням квадрата ^{швидкості по всіх групах молекул . Це вираження можна представити також у вигляді ,}

де E_k = mw²/2 - середня ккінетична енергія молекул газу (у розрахунку на одну молекулу).

Тиск: абсолютний, атмосферний, надлишковий; розрідження – вакуум.

Вимірювальні прилади: барометр, манометр, вакуумметр.

Параметром стану є лише абсолютний тиск.

Одиниці:

Температура.

Температура, характеризуючи ступінь нагрітості тіл, являє собою міру середньої кінетичної енергії поступального руху його молекул, тобто температура характеризує середню інтенсивність руху молекул, і чим більше середня швидкість руху молекул, тим вище температура тіла. Поняття температури не може бути застосоване до однієї або декількох молекул. Якщо два тіла з різними середніми кінетичними енергіями руху молекул привести у дотик, то тіло з більшою середньою кінетичною енергією молекул (з більшою температурою) буде віддавати енергію тілу з меншою середньою кінетичною енергією молекул (з меншою температурою), і цей процес буде протікати доти, поки середні кінетичні енергії молекул обох тіл не зрівняються, тобто не вирівняють температури обох тел. Такий стан двох тіл називається тепловою рівновагою.

Оскільки поняття температури тісно пов'язане з усередненою кінетичною енергією молекул, було б природним для її виміру використовувати енергетичні одиниці (наприклад, ерг або джоуль). Однак, енергія теплового руху часток фактично дуже мала в порівнянні з ергом (не говорячи вже про джоуль), тому використання цієї величини виявляється незручним. У молекулярній фізиці користуються практично зручною умовною одиницею виміру температури - градусом, яка визначається таким чином, що інтервал температур між точками кипіння й замерзання води при атмосферному тиску покладається рівним 100 градусам.

Проте, середня швидкість молекул у газі навіть при помірних температурах виявляється дуже великою. Так, для молекул водню (H₂) при кімнатній температурі (T = 293K) ця швидкість дорівнює близько 1900 м/c , для молекул азоту в повітрі – порядку 500 м/с. Швидкість звуку в повітрі за тих самих умов дорівнює 340 м/с.

Кінетична теорія матерії при тепловій рівновазі зв'язує середню кінетичну енергію поступального руху молекул E_k = з абсолютною температурою ідеального газу Т и встановлює між цими величинами прямий зв'язок

де m — маса молекули; w — середня квадратична швидкість поступального руху молекул; Т — абсолютна температура; k —стала Больцмана, яка дорівнює 1,38∙10^-23 Дж/град.

Абсолютна температура завжди величина позитивна. При температурі абсолютного нуля (Т = 0) припиняється тепловий рух молекул (w = 0). Ця гранична мінімальна температура й є початком для відліку абсолютних температур.

У техніці для виміру температур використовують різні властивості тіл: розширення тіл від нагрівання в рідинних термометрах; зміна об'єму при постійному тиску або зміна тиску при постійному об'ємі в газових термометрах; зміна електричного опору провідника при нагріванні в термометрах опору; зміна електрорушійної сили в ланцюзі термопари при нагріванні або охолодженні її спаю. При вимірі високих температур оптичними пірометрами використовуються закони випромінювання твердих тіл і методи порівняння розпеченої нитки з досліджуваним матеріалом