Уравнение состояния и термодинамический процесс

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Основные понятия и определения

Введение

Теплотехника - наука, которая изучает:

- методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты;

- принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Различают энергетическое и технологическое использование теплоты.

При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в электрических машинах - генераторах - создается электрическая энергия. Теплоту при этом получают на котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом использовании с помощью теплоты изменяют свойства тел (расплавление, затвердевание, изменение структуры и свойств).

Теоретическая основа теплотехники - термодинамика (ТД) - рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты и работы. ТД устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.

Термодинамика опирается на два основных закона термодинамики.

Техническая ТД, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей и исследовать протекающие в них процессы.

Один из теоретических разделов теплотехники - технические основы теории теплообмена. В этом разделе исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты.

Теплопередача - передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному через стенку, разделяющую эти теплоносители.

 

 

Термодинамическая система

 

Объект исследования ТД - термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. Находящееся вне системы называется её окружающей средой.

ТД система - это совокупность макроскопических тел, способных обмениваться энергией и веществом друг с другом и окружающей средой.

Например, ТД система - это газ, находящийся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда - цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Закрытая система - ТД система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом, в отличие от открытой системы, которая обменивается с другими телами и энергией и веществом.

Изолированная система - система, не взаимодействующая с окружающей средой (не обменивающаяся с окружающей средой ничем).

Адиабатная (теплоизолированная) система - система с адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой.

Однородная система - система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

Гомогенная система - однородная по составу и физическому строению система, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

Гетерогенная система - система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел - газа, пара.

 

Параметры состояния

Величины, характеризующие физическое состояние тела, называются ТД параметрами состояния.

1.Удельный объем - отношение объема V вещества к его массе m:

v=V/m, [м³/кг]. (1.1)

2.Температура - мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул тела, определяющая степень его нагретости. Чем больше средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела (температура пропорциональна скорости движения молекул).

ТД параметром состояния системы служит термодинамическая температура Т, т.е. абсолютная температура. Она всегда положительна, При температуре абсолютного нуля (Т =0) тепловые движения прекращаются, и эта температура - начало отсчета абсолютной температуры.

Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ:

p=F / S, [Па=Н/м²], (1.2)

где F- сила ударов; S – площадь стенки.

Внесистемные единицы давления:
1 кгс/см² = 98066,5 Па = 10 м вод. ст.
1 ат (техническая атмосфера) = 1 кгс/см² = 98,1 кПа.

1 атм (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм рт. ст.
1 ат = 0,968 атм.
1 мм рт.ст. = 133,32 Па.
1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 10⁵ Па.

Избыточное давление (p _и) - разность между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды (атмосферным давлением).

3. Абсолютное давление (p) - давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления (абсолютного вакуума) - ТД параметр состояния.

Абсолютное давление:

при давлении в сосуде больше атмосферного

p = p _а + p _и; (1.3)

при давлении в сосуде меньше атмосферного

p = p _а - p _в; (1.4)

где p _а - атмосферное давление; p _в - давление вакуума.

При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела однозначно определяется тремя параметрами: удельным объемом v, температурой Т, давлением p.

Плотность вещества - отношение массы к объему вещества:

ρ=m/V, [кг/м³]. (1.5)

Следовательно,

v= 1 /ρ; ρ =1/ v; v∙ρ =1. (1.6)

 

Уравнение состояния и термодинамический процесс

Основные ТД параметры состояния однородного тела (p, v, Т) связаны между собой уравнением состояния

f (p, v, Т)=0. (1.7)

Равновесным состоянием называют состояние тела, при котором во всех точках его объема p, v, Т и все другие физические свойства одинаковы.

Совокупность изменений состояния ТД системы при переходе из одного состояния в другое называется ТД процессом. Если процесс проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы неравновесны.

Если при любом ТД процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметр состояния считается функцией состояния. Такими параметрами оказываются внутренняяэнергия, энтальпия, энтропия и др.

Интенсивные параметры не зависят от массы системы (давление, температура).

Аддитивные (экстенсивные) параметры - такие, значения которых пропорциональны массе системы (объем, энергия, энтропия и др.).