Термодинамический процесс. Термодинамические параметры состояния

Рабочие тело.

Термодинамические параметры состояния.

Термодинамическая систем.

Общие сведения термодинамики.

Занятие №2

1. Техническая термодинамика – наука, рассматривающая закономерности взаимного превращения теплоты 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.

Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела, которые взаимодействуют, как между собой, так и с окружающей средой.

Все тела находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы называются окружающей средой.

Например: т/д система – газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда – цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

· Изолированная система характеризуется постоянством массы m, объема V, энергии U (m=соnst, V= соnst, U= соnst) она не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, т.е. т/д система не взаимодействующая с окружающей средой.

· Закрытая система обменивается с окружающей средой только энергией и не обменивается веществом (m= соnst, V не соnst, Uне соnst).

· В открытой системе осуществляются оба указанных вида обмена с окружающей средой (m не const, V не соnst, U не соnst).

· Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

· Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

2. Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находится в разных состояниях, (пример: лед – вода – пар, одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества – так называемые термодинамические параметры состояния, т.е величины, которые характеризуют физическое состояние вещества.

Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – уд. объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р).

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.

υ = V / m, [м³/кг],

Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.

ρ = m / V, [кг/м³],

υ = 1 / ρ; ρ = 1 / υ; υ • ρ = 1.

Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем вышетемпература тела.

За т/д параметр состояния системы принимают термодинамическую температуру (Т), т.е. абсолютную температуру. Она всегда положительна, При температуре абсолютного нуля (Т=0) тепловые движения прекращаются и эта температура является началом отсчета абсолютной температуры.

Давление – с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат

ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку

сосуда, в котором заключен газ.

Р = F / S; [Па] = [Н/м2]

Внесистемные единицы давления:

1 кгс/м² = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст.

1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см²= 98,1 кПа.

1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст.

1 ат. = 0,968 атм.

1 мм.рт.ст. = 133,32 Па.

1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 105 Па.

Различают избыточное и абсолютное давление.

Избыточное давление (Р_изб)– разность между давлением жидкости или газа и давлением

окружающей среды.

Абсолютное давление (Р_абс)– давление отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является т/д параметром состояния.

Абсолютное давление определяется:

1) При давлении сосуда больше атмосферного: Р_абс = Р_изб + Р _ат;

2) При давлении сосуда меньше атмосферного: Р _абс = Р _ат + Р_вак;

где Р_ат – атмосферное давление;

Р_вак – давление вакуума.

Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлениях значительно ниже атмосферного.

Приборы, предназначенные для измерения положительного избыточного давления, называют манометрами, а приборы, измеряющиеотрицательное избыточное давление (разрежение) - вакуумметрами. Универсальные приборы называют мановакуум-метрами.

3. В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел – газ, пар.

В качестве рабочих тел используются, как правило, вещества в газообразном (парообразном) состоянии. Газы и пары под воздействием внешних условий (температуры и давления) допускают значительные изменения своего объема и поэтому могут совершать при расширении или сжатии существенно большую работу, чем жидкие и твердые тела, которые практически несжимаемы.

Рабочие тело – в термодинамике условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствамиидеального газа.

На практике рабочим телом тепловых двигателей являются продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. д.)
В холодильных машинах в качестве рабочего тела используются фреоны, аммиак, гелий, водород, азот. (См. Хладагенты)

4. Термодинамический процесс - всякое изменение, происходящее в термодинамич. системе и связанное с изменением хотя бы одного из её параметров состояния. Различают обратимые процессы (процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) могут возвратиться в начальное состояние), необратимые процессы (процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния) и квазистатические (бесконечно медленный переход термодинамич. системы из одного равновесного состояния в другое, при котором в любой момент времени физ. состояние системы бесконечно мало отличается от начального) процессы. Частные случаи Т. п.:адиабатный процесс, изобарный процесс, изотермический процесс, изохорный процесс, изоэнтальпийный процесс и изоэнтропный процесс.