Основные принципы термодинамики. Параметры рабочего тела и их измерение

Федеральное образовательное учреждение высшего образования

Государственное бюджетное

 «Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВО РГУПС)

Тамбовский техникум железнодорожного транспорта

(ТаТЖТ-филиал РГУПС)

 

ПМ.01. Эксплуатация и техническое обслуживание подвижного состава

МДК 01.01. Конструкция, техническое обслуживание и ремонт подвижного состава (по видам подвижного состава) и обеспечение безопасности движения поездов.

Специальность 23.02.06 «Техническая эксплуатация подвижного состава железных дорог»

 

 

Тема 1.4. Энергетические установки вагонов.

 

 

 

 

 

 ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Основные принципы термодинамики. Параметры рабочего тела и их измерение.

     Процесс преобразования тепловой энергии в механическую

осуществляется в тепловых двигателях при помощи рабочего тела, назначение которого заключается в восприятии тепла и совершении механической работы.        

    Существует три агрегатных состояния, в которых вещество встречается в природе: твёрдое, жидкое и газообразное. Работа совершается при расширении, поэтому для рабочего тела наиболее удобной формой состояния вещества по сравнению с другими является газообразное, при котором тело средой. Такую систему называют открытой. Примером открытой системы является поток газа (пара) в турбинах, а также процессы впуска и выпуска в поршневых машинах. Систему, в которой отсутствует обмен между телами, называют закрытой. Примером закрытой системы может быть газ, находящийся в цилиндре с поршнем. Термодинамическую систему, не обменивающуюся теплотой с окружающей средой, называют адиабатной, а не обменивающуюся со средой ни теплотой, ни телами, ни работой – изолированной. Состояние системы, при котором значения характеризующих её физических величин не изменяются во времени, называется стационарным. Если же значения физических величин системы меняются во времени, её состояние называется нестационарным. Величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называются параметрами. Основные из них – это давление, температура, удельный объём обладает наибольшей способностью к расширению при нагревании.                 В основе термодинамики лежат два наиболее общих закона природы. Первый – это закон сохранения и превращения энергии, впервые открытый М.В.Ломоносовым в 1748 году. И подтверждённый работами Дж. Джоуля и Р.Майера в 1843г. Он является фундаментом первого закона, или первого начала, термодинамики. Второй закон, или второе начало, термодинамики является обобщением многочисленных наблюдений и результатов экспериментов. Он определяет переход тепла между телами и совершение работы.                                                                                                                                      Совокупность любых материальных тел (твёрдых, жидких или газообразных), которые могут обмениваться энергией в форме теплоты и работы как между собой, так и с окружающей средой, называют термодинамической системой. Термодинамическая система может обмениваться перемещающимися однородными или разнородными телами с окружающей и плотность.

 

ДАВЛЕНИЕ. Оно измеряется силой, действующей равномерно на единицу поверхности, и обозначается буквой р. За основную единицу измерения давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль:1Па=1н/м2. Паскаль – очень малая величина, поэтому используются кратные, более крупные единицы. Давление газа можно измерять высотой столба жидкости.

ТЕМПЕРАТУРА. Под температурой газа понимают запас средней кинетической энергии движения молекул газа. В России применяют две температурные шкалы: термодинамическую и международную практическую. Температура по каждой из шкал может быть выражена двояким способом: в градусах Кельвина (К) и в градусах Цельсия (С) в зависимости от начала отсчёта (положение нуля) на шкале.                                                           Под массой тела принимают меру его инертности, т.е. свойство сохранять приобретённое движение или состояние покоя. За единицу массы всех веществ и тел принят 1 кг. Все вещества отличаются друг от друга своей плотностью. Плотность тела определяется как масса единицы объёма, т.е. отношением покоящейся массы к её объёму: R=mlV, где m - масса тела, кг; V- объём вещества, м3.

 УДЕЛЬНЫЙ ОБЪЁМ. Он представляет собой выраженный в кубических метрах объём 1кг массы газа, т.е. отношение полного объёма вещества     V к его массе M: v=Vlm. Эти величины взаимно обратные (vp=l).            Зная удельный объём (или плотность), можно найти объём вещества по известной массе: V=mv; V=mlp. Давление, объём и температура газа находятся во взаимной зависимости. Это значит, что любой из параметров газа может быть найден через два других.          

 

               Внутренняя энергия и механическая работа газа.                                                    Законы термодинамики. 

        Внутренней энергией называется совокупность всех видов энергии, которыми обладают любое тело или система тел в данном состоянии. В общем случае в понятие внутренней энергии входят тепловая, химическая, электрическая, магнитная и другие виды энергии. Поскольку в технической термодинамике изучаются лишь физические процессы применительно к тепло- и хладотехнике, то будем рассматривать только те виды внутренней энергии, которые существенно преобразуются в различных термодинамических процессах изменения состояния газов в зависимости от изменения их основных параметров. Вследствие того, что температура газа определяет кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул и энергию внутримолекулярных колебаний, а давление или объём определяют потенциальную энергию, то внутренней энергией газа называют сумму перечисленных четырёх видов энергии молекул газа. При этом под потенциальной энергией газа понимают энергию, обусловленную силами сцепления между его молекулами. Для данной температуры газа силы сцепления между молекулами зависят от расстояний между ними. Они определяются давлением, под которым газ находится, или объёмом, который он занимает. Естественно, чем больше объём газа, тем больше будут средние расстояния между его молекулами, а следовательно, меньше будут силы сцепления между ними и больше – значение потенциальной энергии и наоборот. Действительно, с возрастанием средних расстояний между молекулами увеличивается работа, связанная с разъединением этих молекул, что вызывает увеличение их потенциальной энергии. В идеальном газе силы сцепления между молекулами отсутствуют (точнее, пренебрежительно малы), следовательно отсутствует и потенциальная энергия, которая обусловлена наличием сил сцепления. Поэтому для идеального газа внутренняя энергия будет складываться только из первых трёх видов энергии его молекул (поступательного, вращательного движений и энергии внутримолекулярных колебаний), определяемых температурой газа, т.е. для идеального газа внутренняя энергия есть функция только температуры газа и только ею она определяется.

 

Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики, являясь фундаментальным законом природы, лежит в основе термодинамической теории. Он имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов и установлении их энергетических балансов. Первый закон термодинамики устанавливает возможность превращения различных форм энергии друг в друга и определяет, в каких количественных соотношениях эти взаимные превращения осуществляются. Таким образом, первый закон термодинамики фактически является законом сохранения и превращения энергии, отражающим особенности вечно движущейся и вечно изменяющейся материи. Сущность этого закона, как известно, состоит в том, что энергия не создаётся и не уничтожается, различные формы энергии превращаются друг в друга в строго эквивалентных соотношениях. Большинство тепловых процессов, происходящих в природе, имеют необратимый характер. Первый закон термодинамики, устанавливая эквивалентность различных форм энергии, соотношения между изменением внутренней энергии системы, количеством подведённого тепла и совершённой работой, не позволяет в то же время решить вопрос о вероятности осуществления того или иного процесса, о направлении его возможного развития и о глубине его протекания.

Второй закон термодинамики.  Он показывает, что необратимые процессы возможны лишь при условии отсутствия в системе равновесия, когда, например, в системе имеется разность температур и что процессы эти всегда протекают в направлении, приближающем систему к равновесию, при котором подобные процессы и заканчиваются. Второй закон термодинамики устанавливает также, что максимальную работу можно получить от системы только при условии протекания в ней термодинамических обратимых процессов. Он также обобщает повседневно наблюдаемые тепловые процессы. Поэтому он является опытным и справедливым только в пределах наших наблюдений, хотя до сих пор неизвестно ни одно явление, противоречащее ему. Следует, однако, добавить, что второй закон термодинамики неприменим для очень маленьких (из нескольких молекул) и очень больших (звёздные галактики) систем. Применительно к тепловым явлениям второй закон термодинамики устанавливает весьма важную специфическую особенность при превращении тепла в работу в тепловых двигателях.