В термодинамике рассматриваются только макроскопические тела, которые носят общее название термодинамической системы.
Термодинамическая система (ТДС) – это материальное тело (или совокупность тел), способное (способных) обмениваться энергией между собой и окружающей средой (ОС). На рис. 1.1 представлена термодинамическая система и окружающая среда.
Газ с давлением Р заключен в цилиндре 1 под поршнем 2 со штоком 3, внешняя среда - окружающий воздух, контрольная поверхность (оболочка) - стенки цилиндра 1.
В зависимости от условий энергетического взаимодействия ТДС с окружающей средой и другими системами различают изолированную, открытую, закрытую и адиабатно изолированную (без теплообмена с ОС) термодинамические системы.
Рис. 1.1. Термодинамическая система и окружающая среда
Изолированная термодинамическая система не может обмениваться энергией и веществом с другими системами, окружающей средой, но вместе с тем ее отдельные части могут взаимодействовать между собой. Термодинамическую систему, которая может обмениваться веществом с другими системами, называют открытой (например, потоки пара или газа в турбине). Если вещество не проходит через границы системы, ее называют закрытой. Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), называется теплоизолированной, или адиабатной.
Термодинамическая система в зависимости от внешних условий в каждый момент времени находится в каком-либо физическом состоянии. Количественное состояние системы при этом характеризуется определенными физическими величинами – параметрами состояния.
Параметрами состояния называют физические величины, которые характеризуют свойства системы и могут быть измерены.
Это – давление Р, температура Т и удельный объем ν.
Температура – мера внутренней энергии, пропорциональная кинетической энергии рабочего тела, абсолютная Т, К; T = t + 273,15, t, oC.
Давление Р – сила, действующая по нормали на единицу площади поверхности тела.
Рабс = Ризб + В, p > B.
Pабс = B – Pвак, р < B,
где B – барометрическое давление,
Ризб, Рвак – манометрическое давление и давление вакуума.
За единицу давления принят один паскаль (Па)
1 Па = 1н/м2; 1 кПа = 103 Па, 1 МПа = 106 Па, 1 бар = 105 Па,
1 ат = 0,098 МПа; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
Удельный объем ν – это объем единицы массы вещества, м3/кг.
Плотность ρ – величина, обратная удельному объему ν, ρ = 1/ν, кг/м3.
Если термодинамические параметры состояния (давление Р, температура Т и удельный объем ν) постояны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такая система называется равновесной. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, называемая уравнением состояния:
F(P, T, ν) = 0. (1.1)
При взаимодействии системы с окружающей средой ее состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической системы называют термодинамическим процессом.
Термодинамический процесс
Термодинамический процесс – последовательное изменение состояния рабочего тела под действием окружающей среды. Равновесный термодинамический процесс – это непрерывная последовательность равновесных состояний системы.
Рис. 1.2. Диаграмма состояния газа в координатах р, v:
1, 2, 3, А, В, - изображение состояния газа;
АС, АВ – термодинамические процессы
На рис. 1.2 показаны равновесные термодинамические процессы, протекающие при неизменном объеме – изохорный (линия АС), при постоянном давлении – изобарный (линия АД), неизменной температуре – изотермический (линия АВ), а также без отвода и подвода теплоты – адиабатный (линия АЕ).
Обратимый термодинамический процесс (АВ) может быть проведен в обратном направлении от точки В к А так, что рабочее тело и окружающая среда пройдут через те же промежуточные состояния (точки 3,2,1) в обратной последовательности, что и в прямом направлении от точки А к В при отсутствии изменений в окружающей среде, в противном случае процесс является необратимым. Процесс АВ – обратимый термодинамический процесс.
Цикл (замкнутый термодинамический процесс) – система проходит через ряд равновесных состояний и возвращается в первоначальное состояние.
