Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc

Опыт показывает, что температура, давление и объем простейших термодинамических систем, в которых рабочими телами являются газы или пары жидкостей, связаны уравнением состояния вида

.

Уравнению состояния можно придать другой вид

; ;.

Эти уравнения показывают, что, зная два любых параметра состояния термодинамической системы, можно всегда определить третий, используя одну из приведенных формул.

Вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств каждого рабочего тела.

Если пренебречь силами межмолекулярного взаимодействия и объемом молекул, то можно перейти к анализу свойств простейшего рабочего тела - «идеального газа». Для «идеального газа» справедливо уравнение Клайперона:

,

где (Дж/кг·К) – газовая постоянная;

М – масса вещества.

В реальных рабочих телах (парах и газах) существенное влияние на параметры состояния оказывают силы взаимодействия атомов и молекул вещества и нельзя пренебречь собственным объемом молекул. Поэтому в уравнение состояния идеального газа необходимо вносить поправки при расчете процессов в реальных газах, например, используя уравнение Ван–дер–Ваальса:

В этом уравнении поправочный коэффициент «A» учитывает силы взаимодействия молекул, а «B» – объем, ими занимаемый. Для двухфазных термодинамических систем (типа жидкость–пар) получить математическое уравнение состояния рабочего тела практически невозможно, поэтому при расчетах таких систем используют термодинамические таблицы или аппроксимационные уравнения различного вида.
Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала

1. 
   Какие основные разделы входят в дисциплину «Теплотехника»?
   
2. 
   Что изучается в разделе «Техническая термодинамика»?
   
3. 
   Назовите разновидности термодинамической системы.
   
4. 
   Какая термодинамическая система называется открытой?
   
5. 
   Какая термодинамическая система называется адиабатной?
   
6. 
   Какая термодинамическая система называется изолированной?
   
7. 
   Какие виды энергии взаимодействуют в термодинамической системе?
   
8. 
   Изобразите модель термодинамической системы «Тепловая машина».
   
9. 
   Какую роль играет «рабочее тело» в термодинамической системе?
   
10. 
    Какие вещества могут использовать в качестве рабочего тела?
    
11. 
    Назовите три основных параметра состояния рабочего тела.
    
12. 
    Какой вид энергии относят к параметрам состояния рабочего тела?
    
13. 
    Дайте характеристику параметру состояния энтальпия.
    
14. 
    Дайте характеристику параметру состояния энтропия.
    
15. 
    Запишите известные вам виды уравнения состояния рабочего тела.
    
16. 
    Запишите уравнение состояния «идеального» газа.
    
17. 
    Как учесть «не идеальность» газа при записи уравнения состояния?
    
18. 
    Приведите примеры теплотехнических аппаратов и устройств.
    
19. 
    Можно ли искусственно создать термодинамическую систему?
    
20. 
    Дайте характеристику термодинамического процесса.
    

---

---

Глава 2. Первый закон Термодинамики

2.1. Анализ уравнения Первого закона термодинамики
Первый закон термодинамики представляет собой переложенный к тепловым явлениям вид всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который является фундаментальным законом природы, полученным на основе всего научного опыта человечества. Он гласит: «Энергия любой системы не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую».

Рассмотрим взаимодействие энергий в термодинамической системе.

1. Если система является замкнутой, то она не обменивается энергией с окружающей средой (в виде теплоты и работы). При этом все энергетические превращения Е в рабочем теле могут быть сведены к изменению внутренней энергии

.

2. Если рассматривать адиабатную систему, то обмен энергией с окружающей средой может произойти за счет выполнения работы изменения объема рабочего тела

.

3. В случае неизолированной системы будет происходить обмен энергией не только в форме работы, но и теплоты

.

Поскольку в термодинамической системе учитывается взаимодействие трех видов энергии, то в дифференциальной форме Первый закон термодинамики можно записать следующим образом:

.

Таким образом, тепловая энергия, подводимая к рабочему телу, расходуется на изменение его внутренней энергии и совершение работы изменения объема. В любой термодинамической системе всегда соблюдается баланс между тремя видами энергии – теплотой, работой и внутренней энергией рабочего тела.

Первый закон термодинамики подтверждает, что невозможно создать двигатель, который бы позволял получать работу без энергетических затрат (так называемый вечный двигатель первого рода).
2.2. Тепловая энергия и теплоемкость рабочего тела
Обмен тепловой энергией термодинамической системы с окружающей средой происходит в любом реальном термодинамическом процессе. Тепловая энергия может передаваться или при непосредственном контакте между телами, или на расстоянии, причем во всех случаях этот процесс возможен только при наличии разности температур и имеет необратимый характер.

---

Обмен тепловой энергией приводит к изменению температуры рабочего тела, зависящей от характера термодинамического процесса. Тепловая энергия передается от одного тела к другому микрофизическим путем и обычно непосредственно связана с изменение внутренней энергии вещества.

Для установления функциональной зависимости между тепловой энергией и температурой тела используют величину, поручившую название теплоемкость.

Теплоемкость – это теплофизический параметр вещества, она определяется как отношение количества теплоты dQ, подведенной к рабочему телу, к обусловленному этим процессом изменению температуры тела dT:

.

Теплоемкость зависит от того, в каких условиях происходит процесс передачи тепловой энергии.

Наиболее важными видами теплоемкости являются изобарная (определенная ври постоянном давлении) и изохорная (определенная при постоянном объеме газа).

Тепловую энергию, как и любую другую энергию, невозможно измерить прямым путем, однако знание теплоемкости дает возможность рассчитать количество подводимой теплоты, если известно изменение температуры тела.

Если , тогда

.

Теплоемкость реальных рабочих тел (газов, паров) зависит от температуры и в меньшей мере от давления. Истинная теплоемкость рабочего тела может быть представлена в виде функции С = f(T) и задана линейной зависимостью или в виде таблицы.

Рис. 2.1. К определению средней теплоекости
2.3. Работа термодинамического процесса
Работа является количественной мерой передачи энергии от одного тела к другому путем механического воздействия, обычно это часть внутренней энергии, передаваемая макрофизическим путем. В термодинамике эквивалентом произведения силы на путь является произведение давления на объем. Таким образом, полная работа, совершаемая в любом термодинамическом процессе рабочим телом равна

.

В дифференциальной форме , таким образом, полная работа может быть разделена на две составляющие

.

В этой формуле первая составляющая называется работой изменения объема рабочего тела, она положительна при расширении рабочего тела и отрицательна при уменьшении его объема (сжатии)

.

Вторая составляющая, взятая с противоположным знаком

---

, представляет техническую работу, которая совершается обычно при работе технических устройств и связана с повышением давления среды

.

Таким образом, полная работа

.

С другой стороны для любого термодинамического процесса (не учитывая действие сил гравитации и кинетическую энергию движения рабочего тела в виде потока) можно найти полную работу через изменение давления и объема, поэтому полную работу принято называть также работой проталкивания

.

Для исследования термодинамических процессов применяются термодинамические диаграммы, связывающие различные параметры рабочего тела. Наиболее часто используется для этой цели P–V диаграмма. Изобразим в этой диаграмме процессы расширения и сжатия (рис 2.2).

Рис. 2.2. Термодинамические процессы в P-V диаграмме
В результате осуществления любого термодинамического процесса совершаются тот или иной вид работы. Так как работа изменения объема L определяется как интеграл функции P =f(V), то ее можно найти на диаграмме в виде соответствующей площади. Таким же способом может быть определена техническая работа L*, при этом интеграл берется от функции V = f(P). На рисунке 2.3 и 2.4 представлены изображения диаграммы Р–V с определением этих работ как площади интегрирования.


Рис. 2.3. К определению работы изменения объема рабочего тела

Рис. 2.4. К определению технической работы
Поскольку в Первый закон термодинамики входит работа изменения объема, полностью оценивающая механическое взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой, то она может быть определена через подвод или отвод теплоты и изменение внутренней энергии рабочего тела

.

Любая работа термодинамического процесса как вид энергии зависит от характера данного процесса и не является функцией состояния термодинамической системы.
2.4. Внутренняя энергия и энтальпия газа
Для «идеального» газа внутренняя энергия зависит только от энергии движения молекул газа, которая полностью определяется температурой рабочего тела U =f(T). Так как по Первому закону , то при постоянном объеме можно найти изменение внутренней энергии через теплоемкость .

Для реальных рабочих тел необходимо учитывать силовое взаимодействие между молекулами, которое зависит от плотности газа . В связи с этим его внутренняя энергия определяется двумя любыми параметрами, например

---