Основы термодинамики

Термодинамика возникла как наука о взаимном превращении двух форм энергии — теплоты и механи- ческой работы. В настоящее время термодинамика занимается исследованием практически всех явлений, связанных с полу­чением или потреблением энергии, совершением работы, переносом вещества и т. д.

Tехническая термодинамика исследует соотношения между параметрами термодинамических систем и совершае­мой работой. Материальные тела, входящие в состав термодинамических систем, делятся на следующие:

• горячие источники теплоты и холодные теплоприемники;

• рабочие тела

Рабочее тело, изменяя свое состояние под воздействием источников тепла и теплоприемников (посредством технических устройств), превращает один вид энергии в другой.

Состоянием системы называют определенное сочетание ее свойств в данный момент времени. Параметр состояния системы— ее показатель, изменение которого обязательно связано сизменением состояния системы.

Всякое изменение состояния тела или системы, связанное с теплообменом или механическим воздействием, называют термодинамическим процессом.

Замкнутую совокупность последовательных термодинамических процессов называют термодинамическим циклом (чаще просто циклом).

Повторим, основными параметрами системы, представляющей собой неперемещающийся объем газа как рабоче­го тела, являются:

• температура Т, К;

• давление р, Па;

• удельный объем v, м³/кг или плотность ρ, кг/м³.

Напомним также, что все три основных параметра находятся в определенном математическом соотношении, называемом уравнением состояния. Для идеального газа оно имеет вид уравнения Менделеева—Клапейрона.

Основу термодинамики составляют два ее закона или начала:

• первый закон термодинамики — это всеобщий закон сохранения и превращения энергии;

• второй закон термодинамики определяет направление самопроизвольного процесса в изолированной термоди­намической системе.

Внутренняя энергия и энтальпия. Тело как система составляющих его частиц обладает внутренней энергией, кото­рая не зависит ни от механического движения тела, ни от его местоположения относительно других тел и является исключительно функцией состояния тела.

С позиции молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия —

это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц» составляющих тело,

и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения.

Кинетическая энергия движения частиц зависит от температуры, а потенциальная энергия взаимодействия — от расстояния между частицами, т. е. от объема тела.

Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, газ называется идеальным, а его внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии движения молекул и пропорциональна его абсолютной температуре. Из­менение внутренней энергии определяется формулой

∆U = m cv ∆T ,

где ∆T — изменение температуры. К; т — масса газа, кг; cv — удельная массовая теплоемкость газа в изохорном процессе (v=const), Дж/(кг • К).

Удельную внутреннюю энергию относят к 1 кг массы газа;

и = U Дж/кг,

m

которая является функцией состояния неподвижного вещества.

Сумма внутренней энергии и энергии введения газа в объем V под давлением р есть полная энергия, называемая энтальпией:

H = U +pV Дж или h = u + р • v Дж/кг.

В термодинамических процессах интерес представляет не само по себе значение внутренней энергии или энталь­пии, а их изменение при переходе тела из состояния 1 в состояние 2, поскольку изменение параметров состояния в термодинамической системе не зависит от вида процесса:

∆ и = u2 – и1 = cv (Т2 – T1);

1→2

∆ h = h2 – h1 = cp (Т2 – T1),

1→2

где cp = cv + R — удельная массовая теплоемкость в изобарном процессе (р = const), R — универсальная газовая постоянная, Дж/(кг • К).

Первый закон термодинамики:

При любых процессах приращение внутренней энергии тела ∆ U

равно разности количества теплоты Q, переданного телу из окружающей среды, и работы А,

совершенной над телом внешними силами,

и описывается формулой

∆U = Q - А.

Для практических расчетов, связанных с определение результата энергообмена в том или ином процессе, исполь­зуется формула

∆E = m • ∆ h,

1→2 1→2

где m — масса вещества, ∆h — разность удель ных энтальпий вещества в конце и начале процесса

(h2 – h1) 1→2

Информация о термодинамических параметрах сжиженных газов, перевозимых на судах, дается в графической форме или в табличной форме (см. Приложение 1). Основными параметрами для входа в график являются инстру­ментально измеряемые параметры, такие как температура и давление газа.

Теплота. Количество теплоты в физике обозначается символом Q и связано с изменением внутренней энергии частиц, из которых состоит тело.

Количество теплоты — это количественная мера энергообмена рабочего тела при теплообмене.

Единица измерения — джоуль (Дж).

Теплоту, полученную телом, считают положительной, а теплоту, отданную телом, считают отрицательной. Для изолированной системы справедливо уравнение теплового баланса:

Q1 + Q2 + ... + Qn = 0,

где n — количество тел, участвующих в теплообмене.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1° С (К), называется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг •К).

В общем случае количество теплоты, переданной при охлаждении или полученной при нагреве тела, определяется по формуле

Q = с • т • ∆T,

где с — удельная теплоемкость; т — масса тела; ∆T= Т2 – T1 при нагревании Т2 > T1, а при охлаждении Т2 < T1

В табл. 19 приведены значения изобарной теплоемкости некоторых газов. Значения теплоемкости изменяются от нуля до бесконечности в зависимости от термодинамического процесса, в котором протекает теплообмен.

Таблица 19. Удельная изобарная теплоемкость и удельная скрытая теплота парообразования (Latent Heat of Vaporization) для некоторых газов

Газ	Удельная изобарная теплоемкость, Дж/кг •К		Скрытая теплота парообразования при ρ=101,3250 кПа (кДж/кг •К)
	Перегретый пар	Жидкость
Этан	1706	3807	489,36
Пропан	1625	2476	425,73
норм-Бутан	1652	2366	385,26
Изобутан	1616	2366	366,40
Этилен	1514	—	482,77
Пропилен	1480	2443	437,88
Бутилен	1483	2237	390,60
Аммоний	2079	4693	1366
1,2-Бутадиен	1446	2262	449,60
1,3-Бутадиен	1426	2124	418,70