2. Основные определения. Термодинамическая система

Объектами изучения в термодинамике являются различные термодинамические системы. Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, находящихся в энергетическом взаимодействии между собой и окружающей средой. Отдельно взятое макротело (тело, состоящее из множества микрочастиц) также может рассматриваться как термодинамическая система. Все, что находится вне системы, называется окружающей средой.

Термодинамическая система, которая не может обмениваться энергией с окружающей средой, называется изолированной.

Однородная система, состоящая из одной фазы вещества, называется гомогенной. В соответствии с тремя видами агрегатного состояния различают твердую, жидкую и газообразную фазы. Система, состоящая из нескольких различных гомогенных частей с разными физическими свойствами, имеющих поверхностность раздела, называется гетерогенной.

Рабочими телами, как правило, являются газообразные вещества — газы и пары, которые способны значительно изменять свой объем при изменении внешних условий. Принципиального различия между газом и паром нет: газ можно рассматривать как пар соответствующей жидкости, находящийся далеко от состояния сжижения (сильно перегретый пар), а пар — как реальный газ, близкий к состоянию сжижения.

Известно, что в разных состояниях влияние сил взаимодействия между молекулами и размеров самих молекул на физические свойства газов различно.

В тех состояниях, когда можно пренебречь влиянием сил взаимодействия между молекулами и объемом самих молекул (сильно нагретый газ при небольших давлениях), газ называется идеальным. В противоположном случае газ называется реальным. Следовательно, один и тот же газ может быть в зависимости от условий и идеальным и реальным.

Рабочее тело в тепловой машине получает или отдает теплоту, взаимодействуя с более нагретыми или более холодными внешними телами. Такие тела носят название источников теплоты.

Термодинамическое состояние и термодинамический процесс.

Термодинамическим состоянием системы (тела) называется совокупность физических свойств, присущих данной системе (телу).

Макроскопические величины (т. е. величины, которые характеризуют тело в целом), характеризующие физические свойства тела в данный момент, называются термодинамическими параметрами состояния. Последние разделяются на интенсивные (не зависящие от массы тела) и на экстенсивные (пропорциональные массе тела).

Основными (независимыми) параметрами состояния являются те параметры, при помощи которых можно вполне определенно описать состояние тела и через которые могут быть выражены все другие параметры.

К основным параметрам состояния, поддающимся непосредственному измерению простыми техническими средствами, относятся абсолютное давление р, удельный объем v и абсолютная температура Т. Эти три параметра носят название термических параметров состояния.

К параметрам состояния, как будет показано дальше, относятся также внутренняя энергия и, энтальпия h и энтропия s, которые носят название калорических параметров состояния.

Равновесным термодинамическим состоянием называется состояние рабочего тела, которое не изменяется во времени без внешнего энергетического воздействия. Параметры равновесного состояния по всей массе тела одинаковы и равны соответствующим параметрам внешней среды. В состоянии термодинамического равновесия исчезают всякие макроскопические изменения (диффузия, теплообмен, химические реакции), хотя тепловое (микроскопическое) движение молекул не прекращается. Термодинамика изучает главным образом свойства систем, находящихся в равновесном состоянии.

Последовательное изменение состояния тела, происходящее в результате энергетического взаимодействия рабочего тела с окружающей его средой, называется термодинамическим процессом. В термодинамическом процессе обязательно изменяется хотя бы один параметр состояния.

Всякий процесс изменения состояния тела представляет собой отклонение от состояния равновесия. Процесс, протекающий настолько медленно, что в системе (теле) в каждый момент времени успевает установиться равновесное состояние, называется равновесным. В противоположном случае он называется неравновесным. Следовательно, равновесный процесс может быть только бесконечно медленным.

Всякий процесс, протекающий с конечной скоростью, вызывает появление конечных разностей плотности, температуры, давления и т. д. Очень важно уяснить, что протекание равновесного процесса при переменной температуре рабочего тела можно осуществить в том случае, когда источник тепла изменяет свою температуру так же, как и рабочее тело, т. е. в общем случае при наличии бесконечного количества источников теплоты. Если имеется только один источник теплоты с постоянной температурой, то равновесный процесс будет протекать при постоянной температуре, равной температуре источника теплоты.

Равновесные состояния (А, А', А", ...) и равновесный процесс (А — В) можно изображать в виде диаграмм, на осях которых откладываются значения параметров равновесных состояний (рис. 2.1). Следует также иметь в виду, что исследовать с исчерпывающей полнотой можно только равновесные процессы.

Обратимым процессом называется такой термодинамический процесс, который протекает через одни и те же равновесные состояния в прямом (А — В) и обратном (В — А) направлениях так, что в рабочем теле и в окружающей его среде (системе) не произойдет никаких остаточных изменений.

Процессы, не удовлетворяющие этому условию, называются необратимыми. Любой процесс, сопровождаемый трением и завихрением, является необратимым, так как при трении или завихрении часть работы превращается в теплоту, которая нагреет окружающую среду, и при этом произойдут остаточные изменения. Все процессы передачи теплоты от нагретых тел к холодным при конечной разности температур также являются необратимыми, так как известно, что обратный переход теплоты от холодных тел к горячим без затраты энергии извне (т.е. без остаточных изменений в окружающей среде) невозможен. Таким образом, основные условия осуществления обратимого процесса таковы:

1) тепловое и механическое равновесия, т.е. равенство температур и давлений рабочего тела и окружающей среды в каждом состоянии процессе (условия внешней обратимости);

2) отсутствие трения, завихрения и других односторонне направленных процессов (условия внутренней обратимости).

Обратимые процессы в чистом виде в природе и технике не встречаются, так как реальные процессы всегда протекают с конечными скоростями и с конечными разностями температур и в рабочем теле не успевают устанавливаться равновесные состояния. Однако изучение обратимых процессов играет большую роль, так как многие реальные процессы близки к ним. Кроме того, обратимые процессы приводят к максимальной эффективности преобразования энергии в тепловых машинах и служат мерой сравнения и оценки эффективности реальных (необратимых) процессов.

Круговым процессом, или циклом, называется процесс, в результате осуществления которого рабочее тело возвращается в начальное состояние (рис. 2.1.).

Обратимые круговые процессы являются основой теоретических циклов тепловых двигателей и тепловых машин.

Сравнение эффективности реальных (необратимых) циклов тепловых двигателей и машин с эффективностью теоретических (обратимых) циклов может служить мерой совершенства процессов, протекающих в реальных условиях.