Термодинамическая система

Техническая термодинамика (ТД) рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.

Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики:

I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии;

II закон термодинамики устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц.

Техническая ТД, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т.п.

Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То, что находится вне системы, называется окружающей средой.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами (внешней средой) - обмениваться с ними энергией и веществом. Термодинамическая система состоит из столь большого числа структурных частиц (атомов, молекул), что её состояние можно характеризовать макроскопическими параметрами: плотностью, давлением, концентрацией веществ, образующих термодинамическую систему, и т. д. Например: ТД система – газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда – цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

В термодинамике рассматривают: закрытые термодинамические системы, не обменивающиеся веществом с др. системами; открытые системы, обменивающиеся веществом и энергией с др. системами

Изолированная система - ТД система, не взаимодействующая с окружающей средой.

Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой.

Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел – газ, пар.

Параметры состояния

Параметры состояния— (от греч. parametron отмеривающий, соразмеряющий) (термодинамические параметры, термодинамические переменные), физические величины, характеризующие состояние термодинамич. системы в условиях термодинамического равновесия.

Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – удельным объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р).

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.

υ = V / m , [м³/кг] ,

Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.

ρ = m / V , [кг/м³] ,

υ = 1 / ρ ; ρ = 1 / υ ; υ • ρ = 1

Давление – с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.

Термодинамический смысл давления. Время от времени, ударяясь о стенки сосуда, молекулы газа оказывают на них силовое воздействие, описываемое силой. Согласно 3 закону Ньютона, равная ей и противоположно направленная сила, воздействует на газ со стороны стенок. Очевидно, что сила, с которой молекулы воздействуют на стенку, тем больше, чем больше площадь ее поверхности. Для того, чтобы физические законы не зависели от размеров тел их принято выражать через относительные величины. Поэтому действие газа на стенку характеризуется не силой, а давлением, т.е. отношением проекции нормальной составляющей силы F к площади поверхности S:

Свойства газа оказывать давление на стенки содержащего его сосуда - одно из основных свойств газа. Давление - один из главных параметров газа.

Р = F / S ; [Па] = [Н/м²]

Давление - это физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Давление - один из основных параметров состояния термодинамической системы, входящий в уравнения состояния (вместе с температурой и уд. объемом). При равномерном распределении сил вдоль поверхности давление р определяется как сила F, действующая по нормали к поверхности на площадь S: р = F/S. Если распределение сил по поверхности неравномерно, рассматривают давление в данной точке:

При сжатии газов и жидкостей прилагаемая нагрузка распределяется в веществе изотропно, т.е. давление по всем направлениям одинаково (гидростатич. давление). При сжатии твердых тел возникающие в объеме тела напряжения обычно распределяются неравномерно. В этом случае под давлением в данной точке понимают среднее арифметическое нормальных напряжений, действующих в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Давление условно делят на низкие, умеренные, высокие и сверхвысокие. Диапазон давления, называемый высокими, различен в разных областях науки и техники.

Давление в системе СИ измеряется в Паскалях.

[p] = 1 Па = 1 Н/м².

Существуют и другие системы измерений. Ниже приведены соотношения между ними:

1 бар = 105 Па;

1 атмосфера = 760 миллиметров ртутного столба = 101325 Па;

1 дин/см² = 0,1 Па;

1 мм. рт. ст. = 1 Тор = 1/760 атм = 133,3 Па = 1,33·103 дин/см².

1 кгс/м² = 9,81 Па = 1 мм.вод.ст.

1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см2 = 98,1 кПа.

1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст.

1 ат. = 0,968 атм.

1 мм.рт.ст. = 133,32 Па.

1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 105 Па.

Различают избыточное и абсолютное давление.

Избыточное давление (Р_и) – разность между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды.

Абсолютное давление (Р) – давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является ТД параметром состояния.

Абсолютное давление определяется:

1). При давлении в сосуде больше атмосферного:

Р = Р_и + Р_о ;

2). При давлении в сосуде меньше атмосферного:

Р = Р_о - Р_в ;

где Р_о – атмосферное давление; Р_в – давление вакуума.

Температура. Термодинамический смысл температуры. В повседневной жизни температура для нас - величина, которая отличает "горячее" от "холодного". И первые представления о температуре возникли из ощущений тепла и холода. Строго говоря, понятие температуры имеет смысл только для равновесных состояний. Если соприкасающиеся тела находятся в состоянии теплового равновесия, т.е. не обмениваются энергией путем теплопередачи, то этим телам приписывается одинаковая температура. Если при установлении теплового контакта между телами одно из них передает энергию другому посредством теплопередачи, то первому телу приписывается большая температура, чем второму. Некоторые свойства тел - объем, электрическое сопротивление и т.п. зависят от температуры. Любое из этих свойств может быть использовано для количественного определения температуры.

Температура - это величина, характеризующая состояние теплового равновесия. У тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, температуры одинаковы и наоборот, тела с одинаковой температурой находятся в тепловом равновесии друг с другом.

Если два тела находятся в равновесии с каким-нибудь третьим телом, то оба тела находятся в тепловом равновесии и между собой. С молекулярно-кинетической точки зрения температура равновесной системы характеризует интенсивность теплового движения атомов и молекул и других частиц.

В технике и в быту используется температура t, отсчитанная по шкале Цельсия. Единица этой шкалы называется градусом Цельсия (°С). В физике более удобна абсолютная шкала. Температура Т, отсчитанная по этой шкале, связана с температурой t по шкале Цельсия соотношением:

T = t + 273,15

Единица абсолютной температуры Кельвин (К). Температура, равная 0°К называют абсолютным нулем температуры, ему соответствует t = - 273,15 °C.

Абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул вещества. В этом заключается физический смысл абсолютной температуры.

Существует понятие термодинамической температуры, входящей во второе начало термодинамики .

Своеобразие температуры как физической величины состоит прежде всего в том, что она в отличие от многих других величин, не аддитивна. Это значит, что если мысленно разделить тело на части, то температура всего тела не равна сумме температур его частей. Этим температура отличается от таких величин, как длина, объем, масса и т.п.

Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем выше температура тела. За ТД параметр состояния системы принимают термодинамическую температуру (Т), т.е. абсолютную температуру. Она всегда положительна. При температуре абсолютного нуля (Т=0) тепловые движения прекращаются, и эта температура является началом отсчета абсолютной температуры.