Частина і. Термодинаміка

1.1 Основи термодинаміки

1.1.1 Основні поняття технічної термодинаміки. Основні термодинамічні параметри. Рівняння стану.

Термодинаміка як окрема наука почала розвиватись на початку XIX ст. Термодинаміку можна розглядати як науку про загальні властивості тіл і закони взаємоперетворення енергії. Вона є фундаментальною загальноінженерною наукою. Термодинамічний метод дослідження базується на використанні основних законів термодинаміки.

Перший закон за своєю суттю є законом збереження і перетворення енергії. Другий закон термодинаміки встановлює умови, за яких можливе перетворення теплоти в роботу і дає можливість встановити напрям проходження термодинамічних процесів.

До основних понять термодинаміки належать термодинамічна система, робоче тіло, теплота, робота. Термодинамічною системою називається сукупність матеріальних тіл, що перебувають у тепловій і механічній взаємодії одне з іншим та з довкіллям. Розрізняють термодинамічні системи: відкриті, закриті та ізольовані. Відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем речовиною і енергією. Прикладом такої системи є двигун внутрішнього згоряння. Закритими називаються термодинамічні системи, які можуть обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною. Прикладом такої системи може бути електрична праска. Термодинамічна система, яка не може обмінюватись з навколишнім середовищем ні енергією, ні речовиною, називається ізольованою. Ізольованих термодинамічних систем у природі не існує, такі системи не реалізуються на практиці.

Сукупність фізичних властивостей системи в заданих умовах називається термодинамічним станом системи. Існують рівноважні (стаціонарні) і нерівноважні (нестаціонарні) стани термодинамічної системи. Рівноважним станом термодинамічної системи називається такий стан, в якому параметри не змінюються з часом.

Будь-яка зміна в термодинамічній системі, обумовлена зміною хоча б одного із параметрів називається термодинамічним процесом. Розрізняють термодинамічні процеси рівноважні і нерівноважні. Необхідною умовою проходження рівноважного процесу є існування механічної і термічної рівноваги. Умовою механічної рівноваги є рівність тиску у високій масі робочого тіла, а умовою термічної рівноваги є однаковість температури по всій масі робочого тіла.

Характерною властивістю рівноважних процесів є їх оборотність. Всі реальні процеси проходять з великими швидкостями, при цьому не виконуються умови механічної і термічної рівноваги, тому вони є необоротними процесами.

Макроскопічні величини, параметри стану, що визначають стан термодинамічної системи в даний момент часу, називають параметрами стану. Розрізняють термічні і калоричні параметри стану. До термічних відносять абсолютний тиск P, питомий об’єм υ і абсолютну температуру T. Чисельно абсолютний тиск дорівнює силі, що діє на одиницю площі поверхні тіла в напрямку нормалі до неї. В системі СІ тиск вимірюється в паскалях. Один паскаль .

У практичних розрахунках частіше використовують

Використовують також такі одиниці :

Термодинамічним параметром є абсолютний тиск, який відраховується від нуля. Між абсолютним P, барометричним Р_б і надлишковим Р_н, є така залежність :

Співвідношення між абсолютним, барометричним тиском і розрідженням Р_в є таке відношення

Атмосферний тиск P_б вимірюють за допомогою барометра. Для вимірювання тиску P_в застосовують вакуумметри.

Температура T – міра нагрітості тіла; згідно з молекулярно-кінетичною теорією – це середня кінетична енергія руху елементарної частинки

де k – стала Больцмана, m – маса молекули, ω – середня квадратна швидкість руху молекул.

В системі СІ абсолютна температура вимірюється в кельвінах К.

Зв’язок між термодинамічною температурою T_k і t в °C такий

Питомий об’єм υ – це об’єм, що займає одиниця маси речовини. Для однорідного тіла масою m і об’ємом V. Питомий об’єм визначають за формулою

_{Одиницею вимірювання питомого об’єму є} .

Зв’язок між термодинамічними параметрами стану задається рівнянням стану, яке для довільної кількості ідеального газу записується

де R – питома газова стала.

Для 1 кг газу

Питому газову сталу з молярною масою μ знаходиться за формулою