Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика

Термодинамика является наукой, в которой изучаются энергия и законы превращения ее из одних видов в другие. Раздел этой науки, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии с помощью тел, называемых рабочими телами, называется технической термодинамикой. Она является основой теории тепловых двигателей и других промышленных установок, так или иначе связанных с взаимопревращениями указанных видов энергии.

Преобразование теплоты в механическую работу происходит с помощью рабочего тела. Наиболее эффективными рабочими телами будут те, которые обладают резко выраженными упругими свойствами, позволяющими в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механических сил (давления) или термических воздействий (теплоты, температуры), или, проще говоря, под влиянием комбинированных термомеханических воздействий.

Наблюдая за поведением тел в природе в их различных агрегатных состояниях, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для использования их в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им же свойственны значительные (сравнительно с другими агрегатными состояниями тел) по величине коэффициенты объемного расширения.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем. Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники теплоты и рабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используется ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят: абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объем v (или величина, обратная удельному объему, — плотность ρ). Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называют термодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния. Давление (р) в термодинамике определяется как сила, действующая по нормали на единицу поверхности тела. Давление измеряют в ньютонах на квадратный метр (Н/м2).

Различают абсолютное и избыточное давление. Под абсолютным понимают действительное давление рабочего тела внутри сосуда. Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей среды. Прибор, служащий для измерения этой разности давлений, называют манометром.

Из приведенных выше определений следует, что для случая, когда Давление в сосуде превышает давление окружающей среды, справедливо равенство:

P _а = p _м + p _б,

где р а — абсолютное давление в сосуде; р м — манометрическое давление; р б

давление окружающей среды (барометрическое давление).

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между ними называют разрежением или вакуумом. Для измерения его служит вакуумметр — прибор, показывающий разность давления окружающей среды и абсолютного давления газа в сосуде. В этом случае:

Р _а = р _б – р _в, (2.2)

где р в — разрежение.

Для измерения небольших давлений пользуются жидкостными приборами, заполненными водой, ртутью или другой жидкостью. В системе СИ за единицу давления принят 1 паскаль (Па), причем 1 Па = 1 Н/м2.

В теплотехнических установках приборы чаще всего градуированы в системе МКГСС, в которой за единицу давления принята техническая атмосфера (ат): 1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2.

Так как 1 кгс = 9,8 Н, то 1 ат = 9,8·104 Н/м2 = 9,8·104 Па, или 1 ат = 98 кПа = 0,098 МПа, а с округлением 1 ат = 0,1 МПа. Следует также отметить, что рабочее тело находится при нормальных физических условиях, если давление его равно 1 атм (физическая атмосфера) (р 0 = 760 мм рт.ст., или 101 325 Н/м2), а температура t 0 = 0 °С. Под удельным объемом рабочего тела понимают объем, занимаемый массой в 1 кг этого тела. Удельный объем обозначают буквой v, измеряют в кубических метрах на килограмм (м3/кг).

Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т.е. массу вещества в 1 м3 рабочего тела. Плотность обозначают буквой ρ и измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м3). Из приведенных ранее определений следует, что v = V/M; ρ = M/V и поэтому v ρ = 1, где V — объем рабочего тела, м3; M — масса рабочего тела, кг.

Абсолютная температура является одним из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела, и является мерой степени нагретости тела. Знак разности температур двух неодинаково нагретых тел определяет направление передачи теплоты. Температуру измеряют либо по абсолютной шкале в градусах Кельвина (обозначается через Т, К), либо по Международной стоградусной шкале в градусах Цельсия (обозначается через t, °C). Единица деления шкалы Кельвина равна градусу шкалы Цельсия. Соотношение между величинами Т и t определяется формулой T, K = t, °C + 273,15.

В странах США, Канаде и других применяется шкала Фаренгейта, в которой за 0° принята температура смеси равных частей льда и нашатыря. В этой шкале температура таяния льда равна +32 °F, а температура кипения химически чистой воды равна +212 °F. Соотношение будет t, °F = 9/5 t, °C +32.