139

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С.П. Королева

Е.Л. Михеенков

О С Н О В Ы

Т Е Р М О Д И Н А М И К И

С А М А Р А

2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Разделы	Содержание	Стр.
I	Введение. Предмет науки термодинамика	4
1.1	Фазовые состояния веществ	5
1.2	Виды энергии	6
II	Кинетическая теория газов и параметры состояния.	8
2.1	Температура	12
2.1.1	Температурные шкалы	14
2.2	Теплоемкость газов	16
III	Реальные газы и пары.	18
3.1	Уравнение ван-дер-Ваальса	20
3.1.1	Уравнение Бертло	21
3.1.2	Уравнение Битти-Бриджмена	22
3.1.3	Критические параметры и константы уравнения ван-дер-Ваальса	24
3.1.4	Приведенное уравнение ван-дер-Ваальса и соответственные состояния	25
3.2	Общие соотношения термодинамики	27
3.2.1	Термодинамические потенциалы	27
3.2.2	Физическая интерпретация темодинамических потенциалов	28
3.2.3	Термодинамические диаграммы состояния реальных веществ	30
3.3	Законы термодинамики	33
3.3.1	Термодинамическая аналогия	44
3.4	Смеси идеальных газов	48
3.5	Водяной пар	50
3.5.1	Основные процессы с водяным паром	55
3.5.2	Влажный воздух	57
IV	Техническая термодинамика	62
4.1	Процессы циклов тепловых машин	63
4.1.1	Процесс сжатия	66
4.1.2	Процесс расширения	68
4.1.3	Процесс дросселирования	71
V	Циклы работы тепловых машин	78
5.1	Циклы работы двигателей внутреннего сгорания	78
5.2	Циклы работы воздушно-реактивных двигателей	79
5.3	Циклы работы паротурбинных двигателей	82
5.4	Бинарные циклы	87
5.5	Схема и цикл работы машины Стирлинга, машина Эриксона	91
5.6	Теория ракетых двигателей	95
VІ	Обратные циклы.	104
VII	Основы химической термодинамики	110
VIІI	Приложения	130
VIІI.1	Периодическая таблица элементов -2005	130
VIІI.2	Модель земных сфер	130
VIІI.3	Свойства топлив	132
VIІI 4	Газодинамические и π –i-Τ -функции	132
VIІI.5	Международная стандартная атмосфера	132
VIІI.6	Пересчет параметров смеси идеальных газов	139
VІІІ	Литература	140

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А – константы в уравнении состояния

а – скорость звука, м/с

с – теплоемкость, Дж/кг град

E – энергия, Дж

F – сила, ДаН

f - функция; свободная энергия, Дж

H – высота, км

i - энтальпия, Дж/кг

k - показатель адиабаты, константа

L – работа, Дж; длина, м

m – масса, кг

N – число молекул

р – давление, Па

Q- теплота, Дж

q – газодинамическая функция

R – газовая постоянная, Дж/кг град

S – площадь, энтропия, перемещение

Т – температура, К

u – внутренняя энергия, Дж

V – объем, м³

β – коэффициент сжимаемости

ε – относительная плотность потока

η – коэффициент полезного действия

λ- относительная скорость потока

μ – молекулярный вес

π – относительное давление

ρ-плотность, кг/м³

τ – относительная температура

υ- скорость движения молекул, удельный объем

φ- свободная знтальпия.

индексы

верхние

* - параметры торможения

нижние

р- при постоянном давлении

v – при постоянном объеме

Т – при постоянной температуре

волн – волновая,

вр – вращения,

деф – деформация,

зв – звуковая,

изл –излучения,

к – критические параметры, течения, сечения

кин – кинетическая,

м – относящийся к молю вещества,

магн – магнитная,

пот – потенциальная,

скр. тепл –скрытая тепловая,

тепл – тепловая,

эл – электрическая,

эл-магн – электромагнитная,

яд - ядерная

І. В В Е Д Е Н И Е. ПРЕДМЕТ НАУКИ ТЕРМОДИНАМИКА.

Термодинамика – одна из великих наук, созданных человечеством. Эта наука позволяет до начала большинства действий человека оценивать ожидаемые результаты. Термодинамика в силу общности своего подхода успешно помогает в широком круге научной и практической деятельности людей. Именно термодинамика не только объяснила, но и позволила измерить необратимость происходящих в мире явлений. Не многие науки могут достичь философского уровня познания природных явлений.

Ученым-термодинамикам удалось создать изумительные по красоте и краткости математические модели явлений, количественно хорошо совпадающие для большинства условий с наблюдаемыми результатами.

При термодинамическом рассмотрении явлений природы выделяется тело или группа тел, вещество или группа веществ. Эту группу рассматриваемых тел называют термодинамической системой, а все, что лежит вне его границ, - окружающей средой. Термодинамической системой называют рассматриваемую совокупность тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей средой. Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют изолированной, или замкнутой, системой. Особый случай, когда отсутствует процесс обмена энергией с окружающей средой, систему называют адиабатной (теплоизолированной).

Термодинаическая система, имеющая во всех своих частях одинаковые состав и физические свойства, называется однородной.

Вещества в рассматриваемой термодинамической системе могут находиться в одинаковых фазовых состояниях (газ, жидкость, твердое тело). Такие системы называются гомогенными. Если же в системе имеется несколько частей с различными фазовыми состояниями и разделяющими их границами (вода-пар, вода-лед и т.д.), то такая термодинамическая система называется гетерогенной. Эти среды могут быть двух-, трехфазными. При рассмотрении химических явлений компонентами системы называют вещества с одинаковыми химическими свойствами.

Если над рассматриваемой термодинамической системой изнутри или со стороны окружающей среды не происходит воздействий, то такая система находится в равновесном состоянии, то есть параметры системы не меняются. Если же или изнутри или со стороны окружающей среды на систему будет оказано воздействие, то начнут происходить изменения его характеристик. Явления, происходящие в термодинамической системе при воздействиях со стороны окружающей среды или при изменении внутренних свойств системы, называют термодинамическим процессом.

Основой же рассмотрения свойств термодинамической системы являются ее равновесные состояния. Они проще всего описываются удобными математическими соотношениями между основными свойствами среды, называемыми параметрами термодинамической среды.

Термодинамика позволяет находить описание стационарных и нестационарых процессов в природе в равновесных и неравновесных системах, оценивать кинетику и динамику процессов горения, химических, электрических, электромагнитных и прочих процессов в природе.

В данном курсе лекций будут приведены сведения, необходимые в дальнейшем для изучения других разделов знаний, относящихся к авиационному, энергетическому и транспортному двигателестроению. Термодинамика является составляющей курса теплотехники.

1.1. Фазовые состояния веществ

Все вещества в природе находятся в одном из четырех агрегатных (фазовых) состояний:

- твердое;

- жидкое;

- газообразное;

- плазма.

Твердое состояние вещества характеризуется способностью сохранять неизменными размеры и форму тел. Вещественные тела в твердом состоянии способны выдерживать значительные нагрузки и внешние воздействия, не теряя формы и размеры. Большинство наблюдаемых в жизни тел при нормальных атмосферных условиях находится в твердом состоянии.

Жидкое состояние характеризуется способностью легко трансформировать форму, принимая размеры и форму того тела, сосуда, в котором это вещество находится. Некоторые жидкости способны проникать через поры в стенках сосудов наружу, при некоторых условиях у веществ в жидкой фазе проявляется способность к жидкотекучести, когда жидкость вопреки силам гравитации перетекает через край сосуда наружу. Как и твердое вещество, жидкости еще способны сопротивляться воздействиям, проявляя свойство несжимаемости.

Газообразное состояние характеризуется способностью самопроизвольно заполнять любой объем любых полостей или сосудов, понижая при этом одну из характеристик состояния, давление. А вот процесс возврата в исходное, более концентрированное состояние, требует затраты работы. Как и два предыдущих агрегатных состояния, газы способны передавать сигналы о воздействии внутри них за счет сил упругости. Газы способны в значительной степени изменять объем или размеры под воздействием внешних или внутренних сил. При появлении возможности, они стремятся восстановить свой прежний объем. Это свойство газов используют люди, создавая объемные машины сжатия-расширения для создания полезной работы.

Плазма характеризуется тем, что внутренние связи, определявшие состояния всех вышеперечисленных агрегатных состояний, в ней отсутствуют. Для организации какого-то вида направленного движения плазмы требуется затрата существенных усилий. Используется свойство плазмы подчиняться электромагнитному воздействию.

Все агрегатные состояния, как правило, обратимо переходят друг в друга. Физическим параметром, определяющим агрегатное (фазовое) состояние является температура. Твердое состояние соответствует самым низким уровням температур. Плазма соответствует наивысшему уровню температур.

Твердые вещества при повышении температур переходят в жидкое состояние, а затем в газообразное состояние. При понижении температур происходит обратный переход. Имеется еще один параметр состояния – давление, который при сочетании с температурой образует точку, в которой имеется наличие как газообразной, так и жидкой фазы. Такое сочетание температур и давления называют критическим. Можно уверенно сказать, что при давлении ниже критического и температуре выше критической вещество находится в газовой фазе. Наоборот, при повышении давления и понижении температур по сравнению с критическими имеется жидкая фаза вещества.

На границе жидкой и твердой фаз тоже имеются характерные состояния. Линия начала перехода от жидкости к твердому состоянию называется линией ликвидуса, а линия на границе твердой и жидкой фаз называется солидус. Выше линии ликвидуса вся масса тела находится в жидком состоянии, а ниже линии солидуса вся масса тела находится в твердом состоянии.

Имеются вещества, которые переходят из твердого в газообразное состояния, минуя жидкую фазу. Характерным примером такого вещества при нормальных условиях является углекислота. Она ожижается при атмосферном давлении и температуре -78⁰С , но при повышении температуры она испаряется, не переходя в фазу жидкости . Такой переход называется сублимацией или возгонкой.

Вещества в твердом состоянии могут находиться в кристаллической или аморфной структуре. Кристаллические вещества сохраняют свою форму и размеры неизменными. Вещества с аморфной структурой способны течь. Примерами аморфных структур являются лед и некоторые виды стекла, пластмасс, резин и т.п. Кристаллические тела при кратковременном ударе издают приятный звон, а аморфные неспособны к изданию таких звуков. Свойства кристаллов используют в технологии изготовления металлических деталей. Собственно кристалл обладает повышенной прочностью, и разрушение происходит по границам зерен. Чем мельче зерно, тем прочнее деталь. Под нагрузкой в течение времени происходит укрупнение кристаллов, что является признаком ослабления материала. С целью использования бóльшей прочности кристаллов применяют технологии изготовления деталей с направленной кристаллизацией, ориентируя рост кристаллов в направлении действующего усилия. Развитием этой технологии является отливка детали в виде монокристалла.

Как правило, фазовые переходы относятся к обратимым явлениям, т.е. при прямых и обратных переходах не наблюдается безвозвратная потеря энергии. Причем, переход от твердой к жидкой фазе (плавление) сопровождается затратами энергии, а при затвердевании происходит возврат энергии количественно равной той, которая затрачена при плавлении. Эти количества тепла называют скрытой теплотой фазового перехода. Сама величина скрытой энергии перехода зависит от уровня еще одного параметра – давления. Аналогичные явления имеют место и при испарении-конденсации веществ.

1.2. В И ДЫ Э Н Е Р Г И И

Рассматривая процессы в природе, ученые-термодинамики сумели найти общие свойства материи и описать их в сравнительно простой форме. Совершение полезных для жизни действий связано с затратой работы. Работа обеспечивается за счет различных источников – расширения газа, от движущихся потоков воды и ветра, за счет падения с высоты грузов, за счет создания концентрации электрических зарядов и т.п. Термодинамики заключили, что все виды работ совершаются за счет изменения различных видов энергии.

Таблица №1.1