Термодинамический процесс. Термодинамическая система

Термодинамическая система

Тема 1. Термодинамическая система, термодинамический процесс. Основные термодинамические параметры состояния. Уравнения состояния идеальных газов

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры системы несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. На её основе осуществляют расчёт и проектирование всех тепловых двигателей, а также технологического оборудования.

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами (внешней средой). Например, для простейшей системы газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень. В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема. Теплота подводится к газу через стенки цилиндра. Система может обмениваться со средой каким-либо веществом (массообменное взаимодействия). Такая система называется открытой. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой. Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называется теплоизолированной или адиабатной.

Изменение состояния термодинамической системы во времени называется термодинамическим процессом. Так при перемещении поршня в цилиндре объем, давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться, будет совершенствоваться процесс расширения или сжатия газа.

Самопроизвольно возвращение системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а промежуток времени в течение которого это происходит, называется временем релаксации. Для разных процессов оно различно в зависимости от агрегатного состояния рабочего тела.

Термодинамический процесс называется равновесным, если все параметры системы при его протекании меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации. Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров системы dА/dτ должна удовлетворять соотношению

dА/dτ ≤ с_рел А/τ_рел (1)

где А - параметр, наиболее быстро изменяющейся в рассматриваемом процессе; с_рел - скорость изменения этого параметра в релаксации процесса; τ_рел – время релаксации. Процессы, не удовлетворяющие условию dА/dτ ≤ с_рел протекают с нарушением равновесия, т.е. является неравновесными.