Термодинамика – одна из областей физики – наука о закономерностях превращения одних видов энергии в другие (причем любых видов энергии, а не только тепловой). Для обеспечения непрерывной работы ГТУ её процессы должны идти по кругу. В термодинамике круговые процессы называются циклами. Таким образом, термодинамической базой тепловых машин является термодинамический цикл.
Термодинамический цикл ГТУ – совокупность процессов расширения и сжатия с подводом и отводом тепла, в результате которого получается полезная работа, а рабочее тело возвращается в исходное состояние.
Первым проанализировал термодинамический цикл французский инженер С. Карно в 1924 году. Это был цикл для идеального газа. Такое понятие было введено для упрощения изучаемых свойств рабочих тел.
Идеальный газ – совокупность молекул, обладающих исчезающе малыми объемами и лишенных сил взаимодействия (взаимного притяжения и отталкивания).
Именно из этого цикла была выведена зависимость к.п.д. только от температуры (теплоты) и ни от чего больше.
Исходными аксиомами термодинамики служат так называемые «начала».
Первое начало термодинамики (по существу является законом сохранения энергии) – количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение системой работы:
Второе начало термодинамики (лежит в основе устройства тепловых машин) – невозможно получить от двигателя непрерывную работу без отдачи теплоприемнику (в нашем случае окружающей среде) части тепла подводимого к рабочему телу, то есть невозможно всю подведенную теплоту превратить в работу.
Таким образом, к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше единицы.
Пути увеличения к.п.д.:
- увеличение степени сжатия;
- увеличение T1(Q1) (ограничение по жаропрочности материалов);
- уменьшение T2(Q2) (применение систем регенерации тепла) – система утилизации тепла.
Состояние термодинамической системы описывается параметрами ее состояния.
Параметры состояния – физические величины, характеризующие состояние системы и поддающиеся непосредственному измерению. Для газа параметрами состояния являются: температура, давление, плотность.
1. Температура – мера нагретости вещества (тела). На практике используются две температурные шкалы – Цельсия и Кельвина:
Т (К) = t 0C + 273, 15 K.
2. Давление – это сила, действующая на единицу поверхности:
Н/м или Па.
1 Па – давление, вызванное силой 1 Ньютон, распределенной по нормали к поверхности площадью 1 м2;
1 атм = 101325,1 Па = 1,033228 кгс/см2 = 760 мм рт. ст.;
1 бар = 100000 Па = 1,0197 кгс/см2 = 750 мм. рт. ст.;
3. Плотность – масса единицы объема – отношение массы газа к занимаемому объему:
кг/м3 или г/см3.
Величина, обратная плотности – удельный объем – объем единицы газа.
4. Удельная теплоемкость газа (с) – количество теплоты, которое нужно сообщить количественной единице газа (/м3, /кг) при нагревании его на 10.
Теплоемкость газов зависит от условий протекания процесса.
– ср – удельная изобарная теплоемкость при Р = const;
– сν – удельная изохорная теплоемкость при V = const, причем ср > сν.
Термодинамический процесс – изменение состояния термодинамической системы, то есть ее параметров состояния, зависимость между которыми определяется уравнением состояния.
Экспериментальным путем установлено, что поведение реальных газов при сжатии, нагревании и других процессах подчиняется простым законам, а именно:
- при T = const PV = const (изотермический процесс) – закон Бойля-Мариотта, 1662-1679 г.
- при P = const V/T=const (изобарный процесс) – закон Гей-Люссака, 1802 г.
- при V = const P/T = const (изохорический процесс) – закон Шарля, 1787 г.
Термический процесс, при котором один из параметров состояния постоянен, называется изопроцессом.
Адиабатический процесс – процесс, при котором нет теплообмена PVk = const.
Политропный процесс – удельная теплоемкость остается постоянной PVn.
Частными случаями политропного процесса являются процессы: изобарический P(n=0), изотермический T(n = 1), адиабатический (n = k = cp/ cν), изохорный V(n =±∞).
Удельная теплоемкость С для идеального газа Rn равна
На основании сопоставления изопроцессов было выведено знаменитое уравнение состояния газа для единицы массы (уравнение Менделеева-Клайперона):
| где | R | – | газовая постоянная, 
|
| – | молекулярный вес газа. |
Например, 
для метана.
Реальные газы в условиях рабочих процессов ГТУ подчиняются законам идеального газа с погрешностью 2-3%.
Теплоемкость.
Теплоемкостью тела называется количество теплоты, необходимое для нагрева тела на один градус.
Теплоемкость единицы количества вещества называется удельной теплоемкостью:
| где | t1 | – | начальная температура, |
| t2 | – | конечная температура, | |
| q1-2 | – | теплота, подведенная к единице массе. |
