3.1. Основные законы, на которых базируется современная наука и техника (законы сохранения материи и энергии)
Энергия есть физическая величина, характеризующая способность тела (или системы взаимодействующих тел) совершать работу.
Внутренняя энергия есть кинетическая и потенциальная энергия частиц, составляющих микромир: молекул, из которых состоят макротела, атомов, из которых состоят молекулы, электронов и других частиц, составляющих атомы.
При всех движениях, как происходящих без трения, так и сопровождающихся трением, сумма кинетической, потенциальной и внутренней энергий всех участвующих тел не изменяется. Эту сумму мы будем называть полной энергией тел или просто их энергией.
Закон сохранения и превращения энергии в применении к понятиям термодинамики носит название первого закона термодинамики, согласно которому энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит в различных физических (а также химических) процессах из одного вида в другой в строго определенном количестве.
Опыт показывает, что подвод теплоты Q к какому-либо телу (так же, как и отвод теплоты), обычно связан с изменением температуры тела Т и его объема V.
Изменение объема тела при нагревании (или охлаждении) связано с работой, которую производят возникающие в этом процессе внутренние силы, проявляющиеся в форме давления на поверхность тела. Работа этих сил в процессе подвода теплоты Q называется внешней работой L. Отсюда следует, что затрата теплоты Q при изменении температуры и объема тела связана с изменением внутренней энергии ∆U и совершением внешней работы.
3.2. Рабочее тело и его основные параметры
Объектом изучения в технической термодинамике весьма часто является какое-либо вещество, выполняющее главную функцию в тепловой машине. Такое вещество также является термодинамической системой и называется рабочим телом машины.
Величины, характеризующие тело в данном состоянии, называются параметрами состояния. Параметры, которые можно измерить, называются основными. К основным параметрам относится: абсолютное давление; удельный объём; абсолютная температура.
1) Давление газа обуславливается совокупностью ударов хаотически движущихся молекул о стенки сосуда, в который заключён газ, и представляет собой нормальную составляющую результирующей силы F, действующую на единицу площади S поверхности стенки: p = F/S. В СИ давление выражается в паскалях (1 Па = 1 Н/м2). Различают абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое давления.
Абсолютным (ра) называется действительное давление в сосуде. Давление, превышающее атмосферное (рбар), называется избыточным (ризб). Превышение атмосферного давления над абсолютным называется вакуумметрическим давлением рв.
2) Удельный объём
тела представляет собой объём единицы
его массы:
.
Величина, обратная удельному объёму
называется плотностью. Плотность также
может служить параметром состояния
тела.
3) Температура количественно характеризует степень нагретости тела, которая зависит от скорости поступательного движения молекул. Чем больше средняя скорость поступательного движения молекул вещества, тем выше его температура. Температура является единственным параметром состояния, определяющим направление самопроизвольного процесса теплообмена.
Абсолютная термодинамическая температурная шкала называется шкалой Кельвина, а единица температуры - Кельвином (Т, К).