Основные понятия и определения

Министерство образования Российской Федерации

Бийский технологический институт (филиал)

ГОУВПОАлтайский государственный технический

университет им. И.И.Ползунова

А.И. Жигульский, М.А. Ленский

 

 

ОБЩИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсам «Теплотехника»,

«Техническая термодинамика и теплотехника»

для студентов всех специальностей

 

Бийск 2008

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА

 

       Основы учения о теплоте были заложены в середине XVIII в. М.В. Ломоносовым, создавшим механическую теорию теплоты и основы закона сохранения и превращения материи в энергию. В дальнейшем развитии учения о теплоте разрабатывались его общие положения. В XIX в. основное внимание уделялось вопросам превращения теплоты в работу. С развитием техники и ростом мощности отдельных агрегатов роль процессов переноса теплоты в различных тепловых устройствах и машинах возросла. Именно в эти годы была опубликована работа О. Рейнольдса, в которой устанавливается единство процессов переноса теплоты и количества движения, его «гидродинамическая теория теплообмена» (1874 г.).

       Теплотехника – общетехническая фундаментальная дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, трансформаторов теплоты, тепловых машин и аппаратов и тепловых устройств.

       Слово термодинамика происходит от двух греческих слов: therme – теплота; dinamis – сила. Термодинамика в настоящее время может быть разделена на три части:

• общую термодинамику или физическую термодинамику, изучающую процессы превращения энергии в твердых, жидких и газообразных телах, излучение различных тел, магнитные и электрические явления, а также устанавливающую математические зависимости между термодинамическими величинами;
• химическую термодинамику, которая на основе законов общей термодинамики изучает химические, тепловые и физико-химические процессы, равновесие и влияние на равновесие внешних условий;
• техническую термодинамику, рассматривающую закономерности взаимного превращения тепла в работу. Она 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. Техническая термодинамика базируется на двух основных законах, получивших название начал термодинамики.

ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состояние термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.

Термодинамика опирается на фундаментальные законы, которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях.

Первое начало термодинамики представляет собой приложение к тепловым явлениям всеобщего закона природы – закона превращения и сохранения энергии.

Второе начало термодинамики устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц. Поэтому второе начало термодинамики имеет более ограниченное применения, чем первое.

В качестве третьего начала термодинамики принимается принцип не достижимости абсолютного нуля.

Техническая термодинамика – раздел термодинамики, занимающийся приложениями законов термодинамики в теплотехнике.

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Тепловое движение - это хаотическое движение микрочастиц (молекул, атомов и др.), из которых состоят все тела. Совокупная кинетическая энергия движущихся микрочастиц составляет энергию теплового движения материи, которая также как и механическая, может передаваться от одной части материи к другой. Совокупность энергии теплового движения всех микрочастиц системы и энергии их взаимодействия составляет внутреннюю энергию системы. Перенос энергии теплового движения происходит при разности температур частей материи в результате их соприкосновения или беспорядочных электромагнитных колебаний.

Передача энергии происходит двумя способами теплотой Q и работой L.

Первый способ передачи энергии реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел. Поскольку передача энергии этим способом происходит на молекулярном уровне (без видимого движения тел), ее называют микрофизической формой передачи энергии. Количество энергии, преданное этим способом от одного тела к другому, называют количеством теплоты или просто теплотой, а сам способ – передачей энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученное телом в форме теплоты называется подведенной (сообщенной) теплотой, а количество энергии, отданное телом – отведенной (отнятой) теплотой.

Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом, тело либо должно передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. В этом случае передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. Поэтому второй способ будет макрофизической формой передачи энергии. Этот способ называется передачей энергии в форме работы, а количество переданной энергии в процессе – работой.

Если работа L или количество теплоты Q относятся к 1 кг массы материи, то они называются удельными, обозначаются соответственно через l и q и измеряются в Дж/кг.

В общем случае передача энергии и в форме теплоты, и в форме работы может происходить одновременно. При этом, важно отметить, что в различных термодинамических процессах, в зависимости от условий их протекания, количество теплоты и работы будет также различно. Следовательно, теплота и работа являются функциями процесса. Само понятие теплоты и работы связано с протеканием термодинамического процесса. Если процесса нет, то нет ни теплоты, ни работы.