🗊Презентация Основные положения термодинамики и теплотехники

Транспортная энергетика

Раздел 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ Раздел 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ Учебные вопросы 2.1. Термодинамические системы. Уравнения состояния парогазовых систем 2.2. Работа в термодинамическом процессе 2.3. Критическое состояние вещества 2.4. Первое начало (первый закон) термодинамики 2.5. Теплоемкость 2.6. Второе начало (второй закон) термодинамики

Учебный вопрос №2.1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПАРОГАЗОВЫХ СИСТЕМ

Проблемы, связанные с осуществлением тепловых процессов, рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термодинамика изучает процессы в системах путем анализа превращения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охватывает производство, распределение, транспортирование и утилизацию теплоты. Способы извлечения тепловой энергии, использования ее в тепловых машинах будут рассмотрены нами в соответствующих разделах. Проблемы, связанные с осуществлением тепловых процессов, рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термодинамика изучает процессы в системах путем анализа превращения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охватывает производство, распределение, транспортирование и утилизацию теплоты. Способы извлечения тепловой энергии, использования ее в тепловых машинах будут рассмотрены нами в соответствующих разделах.

Основным понятием термодинамики является понятие термодинамической системы - совокупности материальных тел, являющихся объектами изучения, которые могут взаимодействовать с окружающей средой. Основным понятием термодинамики является понятие термодинамической системы - совокупности материальных тел, являющихся объектами изучения, которые могут взаимодействовать с окружающей средой. В механике состояние системы в каждый момент времени полностью определяется, если известны положение и скорость каждой ее точечных масс. Для системы, состоящей из N точечных масс необходимо знать 6N переменных (для каждой массы три координаты и три скорости по каждой координате).

В термодинамике вводится другое и более простое понятие состояния системы. Во-первых, невозможно множество точечных масс (атомов и молекул) описать с помощью 6N переменных для каждой единицы и во-вторых, величины, с которыми приходится иметь дело в термодинамике, описывают средние свойства системы, а, следовательно, точное знание движения каждого элемента системы явно представляется излишним. В термодинамике вводится другое и более простое понятие состояния системы. Во-первых, невозможно множество точечных масс (атомов и молекул) описать с помощью 6N переменных для каждой единицы и во-вторых, величины, с которыми приходится иметь дело в термодинамике, описывают средние свойства системы, а, следовательно, точное знание движения каждого элемента системы явно представляется излишним. Для того, чтобы определить понятие термодинамического состояния, рассмотрим систему, представляющую собой некоторое количество химически однородного газа.

В такой системе измеряются температура t, объем V и давление P. Следует заметить, что термодинамические свойства системы в значительной мере не зависят от формы, поэтому задание объема является обычно достаточным для описания ее геометрии. Напомним, что давление - величина, определяемая отношением нормальной составляющей силы, действующей на поверхность, к площади этой поверхности. Единицей давления в системе СИ является паскаль 1Па=1Н/м2. В такой системе измеряются температура t, объем V и давление P. Следует заметить, что термодинамические свойства системы в значительной мере не зависят от формы, поэтому задание объема является обычно достаточным для описания ее геометрии. Напомним, что давление - величина, определяемая отношением нормальной составляющей силы, действующей на поверхность, к площади этой поверхности. Единицей давления в системе СИ является паскаль 1Па=1Н/м2.

Для данного количества вещества, содержащегося в системе, температура, объем и давление не являются независимыми величинами; они связаны в общем виде соотношением: f(p,V,t)=0, которое называется термическим уравнением состояния. Для данного количества вещества, содержащегося в системе, температура, объем и давление не являются независимыми величинами; они связаны в общем виде соотношением: f(p,V,t)=0, которое называется термическим уравнением состояния. Вопрос о выводе уравнения состояния окончательно не решен даже для газов, не говоря уже о жидких и твердых телах. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать идеальный газ, являющийся моделью реального газа, в которой пренебрегают потенциальной энергией взаимодействия молекул по сравнению с их кинетической энергией; между молекулами идеального газа не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения молекул со стенками сосуда и между собой абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

Перед тем, как начать обсуждение, какие конкретно соотношения характеризуют связь между параметрами уравнения состояния, напомним, как связаны температура и давление с энергией молекул вещества. Перед тем, как начать обсуждение, какие конкретно соотношения характеризуют связь между параметрами уравнения состояния, напомним, как связаны температура и давление с энергией молекул вещества. Температура T - величина, характеризующая степень нагрева тел. В настоящее время используются две температурные шкалы: Цельсия и Кельвина. В шкале Цельсия разница показаний термометра между точками таяния льда (0 град.C) и кипения воды (100 град. С) при нормальном атмосферном давлении (101 кПа или 760 мм рт.ст.), деленная на 100, представляет собой один градус по шкале Цельсия.

Моль (русское обозначение: моль; международное: mol; устаревшее название грамм-молекула (по отношению к количеству молекул); от лат. moles — количество, масса, счётное множество) — единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Моль (русское обозначение: моль; международное: mol; устаревшее название грамм-молекула (по отношению к количеству молекул); от лат. moles — количество, масса, счётное множество) — единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Моль принят в качестве основной единицы СИ XIV Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1971 году.

Из определения моля непосредственно следует, что молярная масса углерода-12 равна 12 г/моль. Из определения моля непосредственно следует, что молярная масса углерода-12 равна 12 г/моль. Количество специфицированных структурных элементов в одном моле вещества называется постоянной Авогадро (числом Авогадро), обозначаемой обычно как NA. Таким образом, в углероде-12 массой 0,012 кг содержится NA атомов. Значение постоянной Авогадро, рекомендованное Комитетом по данным для науки и техники (CODATA) в 2014 году, равно 6,022140857(74)·1023 моль−1. Отсюда, 1 атом углерода-12 имеет массу 0,012/NA кг = 12/NA г. 1/12 массы атома углерода-12 называют атомной единицей массы (обозначение а. е. м.), и, следовательно, 1 а. е. м. = 0,001/NA кг.=1/NA г.

Таким образом, масса одного моля вещества (молярная масса) равна массе одной частицы вещества, атома или молекулы, выраженной в а. е. м. и умноженной на NA. Например, масса 1 моля лития, имеющего атомарную кристаллическую решётку, будет равна 7 а. е. м. х NA=7 х 1/NA г х NA моль−1= 7 г/моль, а масса 1 моля кислорода, состоящего из двухатомных молекул 2 х 16 а. е. м. х NA=2 х 16 х 1/NA г х NA моль−1=32 г/моль. Таким образом, масса одного моля вещества (молярная масса) равна массе одной частицы вещества, атома или молекулы, выраженной в а. е. м. и умноженной на NA. Например, масса 1 моля лития, имеющего атомарную кристаллическую решётку, будет равна 7 а. е. м. х NA=7 х 1/NA г х NA моль−1= 7 г/моль, а масса 1 моля кислорода, состоящего из двухатомных молекул 2 х 16 а. е. м. х NA=2 х 16 х 1/NA г х NA моль−1=32 г/моль.

Термодинамическая система называется изолированной, если она не допускает обмена с окружающей средой как теплотой, так и работой. Если обмен возможен либо теплотой, либо работой, то такая система - полуизолированная, а если допустим обмен и теплотой и работой, то - неизолированная. Термодинамическая система называется изолированной, если она не допускает обмена с окружающей средой как теплотой, так и работой. Если обмен возможен либо теплотой, либо работой, то такая система - полуизолированная, а если допустим обмен и теплотой и работой, то - неизолированная. Рабочим телом называют ту материальную субстанцию термодинамической системы, с помощью которой осуществляется взаимное превращение теплоты и работы. В паровых турбинах это водяной пар, в газовых турбинах и ДВС - продукты окисления топлива, в холодильных установках - фреон, аммиак.

Если в термодинамическом процессе не происходит теплообмена с окружающей средой, то такой процесс носит название адиабатного. Обратимые состояния можно осуществить на практике, если изменять внешние условия так медленно, что система успеет постепенно прийти в соответствие с изменившимися условиями.

Учебный вопрос №2.2 РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

Во время термодинамического процесса система может совершать положительную или отрицательную внешнюю работу, т.е система может выполнять работу над средой, или среда - над системой. В качестве примера рассмотрим некоторое количество газа, заключенного в цилиндр, имеющий на одном конце подвижный поршень, площадь которого S. Когда поршень перемещается на бесконечно малое расстояние dh, то совершается бесконечно малая работа dL=pSdh, где p - давление газа на поршень. Угол между направлением силы и перемещением равен нулю, т.к. перемещение происходит параллельно действию силы.

Но Sdh равно изменению объема dV системы. Следовательно, можно записать: dL=pdV. Для конечного процесса работу по перемещению поршня из положения A в положение В получим, интегрируя последнее уравнение: Представляя данный процесс на (V,p) - диаграмме, можно получить простое его геометрическое толкование. Переход от начального состояния А к конечному состоянию В можно изобразить кривой (рис. 2.2 а), соединяющей точки А и В, форма которой зависит от вида рассматриваемого процесса.

В соответствии с последним выражением работа, совершаемая в течение этого процесса, выражается интегралом где пределы интегрирования суть объемы газа, соответствующие состояниям А и В. а) б) Рис.2.2. Диаграммы термодинамического процесса (а) и цикла (б).

Этот интеграл, а следовательно, и проделанная работа геометрически могут быть представлены заштрихованной на рис.2.2 а площадью. Процессы, в которых конечное и начальное состояния одинаковы, называются циклическими, или циклами. Другими словами, цикл это процесс, при котором система возвращается к своему начальному состоянию. При этом на (V,p) - диаграмме цикл можно изобразить замкнутой кривой, как, например, кривая ABCDА на рис.2.2,б. Работа, совершаемая во время части цикла АВС, положительна, а во время остальной части процесса CDA является отрицательной. Работа, совершенная в течение полного цикла, численно равна площади, ограниченной кривой ABCDА.

Следует подчеркнуть, что проделанная работа является положительной, так как цикл протекал в направлении по часовой стрелке. Если же цикл совершается в обратном направлении (ADCBA), то работа в течение цикла будет отрицательной, но численно будет также представлена площадью, ограниченной данной кривой. Если процесс является изохорическим (совершается при постоянном объеме), то система никакой работы не совершает. Данное утверждение следует из выражения для элементарной работы dL, где следует положить dV=0.

Учебный вопрос №2.3 КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

В термодинамике существует понятие критического состояния вещества, впервые введенное Д.И.Менделеевым в 1861 г. Критической температурой Tк он назвал абсолютную температуру кипения, при которой поверхностное натяжение жидкости становится равным нулю и исчезает различие между жидким и парообразным состоянием вещества. До открытия критического состояния вещества многие газы безуспешно пытались превратить в жидкость только путем увеличения давления. Однако при температуре выше критической вещество не может находиться в жидком состоянии. Поэтому следует сначала охладить газ до температуры ниже критической, а затем путем изотермического сжатия превратить его в жидкость.

Типичная изотерма для газа, находящегося при температуре ниже критической (t<Tк), приведена на рис. 2.3. Рассмотрим, какие процессы происходят при изменении объема газа при данной температуре.

Представим себе жидкость, заключенную в цилиндр с поршнем. Пространство между поверхностью жидкости и поверхностью поршня будет заполнено насыщенным паром при давлении, которое зависит лишь от температуры пара и не зависит от его объема. С поднятием поршня некоторое количество жидкости испаряется, что поддерживает давление пара неизменным. Таким образом, пока имеется достаточное количество жидкости, увеличение объема не изменяет давления. Поэтому изотерма для равновесной смеси жидкости и ее пара - это линия постоянного давления, параллельная оси V, как показано на рис. 2.3. Когда объем увеличивается настолько, что вся жидкость испаряется, дальнейшее увеличение объема уменьшает давление.

Если теперь сжимать систему, сохраняя по-прежнему температуру постоянной, то давление повышается до тех пор, пока не станет равным давлению насыщенного пара при данной температуре. При дальнейшем уменьшении объема давление остается неизменным, а часть пара конденсируется, что соответствует горизонтальному участку изотермы. Когда объем уменьшен так, что вещество полностью находится в жидком состоянии, дальнейшее сжатие ведет к значительному повышению давления, поскольку жидкость имеет очень малую сжимаемость. В результате эта часть изотерм имеет высокую крутизну, как и показано на рис. 2.3.

С повышением температуры величина горизонтального участка уменьшается, и при t≥TК горизонтальный участок изотермы исчезает. При дальнейшем увеличении температуры изотерма сглаживается и превращается в равнобочную гиперболу. На графике область под пунктирной линией соответствует состоянию равновесия "жидкость-пар" в докритическом диапазоне температур. Изотерма, содержащая критическую точку C, называется критической изотермой, а состояние, соответствующее параметрам pк,Vк,Tк, называется критическим состоянием или критической точкой системы.

Учебный вопрос №2.4 ПЕРВОЕ НАЧАЛО (ПЕРВЫЙ ЗАКОН) ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое начало (первый закон) термодинамики представляет собой формулировку принципа сохранения энергии для термодинамических систем. Чтобы уточнить это определение, рассмотрим понятие "энергия системы" и "энергия, которую система получает от окружающей среды во время процесса". В чисто механических изолированных системах энергия равна сумме потенциальных и кинетических энергий всех элементов системы. Если никакие внешние силы не действуют на систему, энергия остается постоянной. Таким образом, если А и В - два последовательные состояния изолированной системы, а UА и UВ - соответствующие им энергии, то: UА= UВ.

Когда на систему действуют внешние силы, то равенство не соблюдается. Если (-L) представляет работу, совершаемую внешними силами в процессе перехода от начального состояния А к конечному В (+L -работа, выполняемая системой), то принцип сохранения энергии приобретает вид: UВ - UА = -L, (2.1) откуда следует, что работа, выполняемая во время процесса, зависит только от крайних состояний процесса и не зависит от пути, по которому происходил процесс между А и В.

При взаимодействии тел в термодинамическом процессе тела обмениваются энергией. При этом возможны два пути передачи энергии. Для примера возьмем систему, состоящую из какого-то количества воды, и рассмотрим два состояния А,В при разных температурах (tА <tВ ) и атмосферном давлении. От состояния А к состоянию В систему можно привести следующими путями. Первый путь. Нагреваем воду и повышаем ее температуру от начальной величины tА до конечной tВ. Внешняя работа, производимая над системой, равна нулю (если пренебречь некоторым изменением объема воды при нагревании).

Второй путь. Повышаем температуру воды посредством трения лопастей, погруженных в воду и вращаемых с помощью некоторого привода. Температура воды возрастает непрерывно до тех пор, пока лопасти вращаются. При этом лопасти совершают механическую работу по преодолению сопротивления воды. При этом такое же количество отрицательной работы совершается водой, создающей сопротивление движению лопастей. Поскольку конечные состояния системы в первом и втором случае идентичны, то напрашивается вывод, что теплота и механическая работа эквивалентны, т.е. являются двумя различными видами энергии. При превращении механической энергии в теплоту ее отношение к соответствующему количеству теплоты называется термическим эквивалентом работы, который равен 4,1868 Дж/кал.

Величина, обратная термическому эквиваленту работы, называется механическим эквивалентом теплоты, который, очевидно, равен 0,2388 кал/Дж. Если система термически изолирована (обмен энергией с окружающей средой может производиться только в форме работы), то применительно к рассматриваемой системе уравнение (2.1) может быть записано в виде ΔU+L=0, (2.2) где ΔU=UВ - UА.

Для термически неизолированной системы левая часть последнего уравнения будет отличаться от нуля, т.к. обмен энергией может происходить и в форме тепла. Поэтому уравнение (2.2) заменим более общим: ΔU + L=Q, (2.3) где Q - количество тепла, полученное системой во время процесса. Уравнение (2.3), которое является точной формулировкой эквивалентности теплоты и работы, описывает первый закон (начало) термодинамики.

Известны следующие формулировки данного закона: 1. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. 2. В любой изолированной системе запас энергии постоянен. 3. Вечный двигатель первого рода невозможен. Последняя формулировка свидетельствует о невозможности создания периодически действующей машины, которая производила бы полезную работу без затраты энергии извне. Такая машина носит название вечного двигателя первого рода. Для циклического процесса уравнение (2.3) принимает вид: L=Q, поскольку начальные и конечные состояния циклов одинаковы. Таким образом, работа, совершаемая системой в течение циклического процесса, равна теплоте, поглощенной системой.

Учебный вопрос №2.5 ТЕПЛОЕМКОСТЬ

При подводе или отводе теплоты температура любого тела повышается или понижается. Способность поглощать теплоту зависит от свойств тел и их природы. Для характеристики этой способности вводят понятие теплоемкости. Количество теплоты, которое необходимо сообщить телу единичной массы для нагревания его на 1 град.С, называется его удельной теплоемкостью c. Теплоемкость тела будет различной в зависимости от того, нагревается тело при постоянном объеме (cV) или при постоянном давлении (cp). Следует также различать среднюю теплоемкость от истинной.

Для соблюдения единообразия обозначений в формулах условимся в дальнейшем обозначать соответствующие величины (количество теплоты, внутреннюю энергию и работу), относящиеся к единице массы (молю) газа, строчными буквами, а к произвольной массе газа - прописными. Если для нагревания единицы массы вещества от температуры T1 до температуры T2 требуется подвести количество теплоты q, то величина c=q/( T2-T1) называется средней удельной теплоемкостью в данном диапазоне температур. Если перейти к бесконечно малым величинам, то величина (2.4) называется истинной удельной теплоемкостью тела.

Определим, как связаны между собой удельные теплоемкости cp и cV для идеального газа. Запишем уравнение (2.3) для единицы массы газа в малых приращениях: du+dl=dq. (2.5) Если единицу массы газа нагревать при постоянном объеме на dT градусов, то в соответствии с (2.4) и (2.5) при условии dl=0 (V=const) запишем du= cVT.

Величина du в точности соответствует увеличению внутренней энергии газа. А поскольку собственно внутренняя энергия газа определяется только температурой и не зависит от объема, занимаемого газом, то с учетом выражения для элементарной работы dl=pdV уравнение (2.5) может быть записано в виде dq=cVdT+pdV. (2.6) Продифференцируем уравнение Клапейрона-Менделеева pdV+Vdp=RdT. (2.7) Совместное решение (2.6) и (2.7) дает следующее уравнение (cV+R)dT-Vdp=dq.

Поскольку для процесса при постоянном давлении dp=0, то из последнего уравнения следует связь между теплоемкостями cp и cV Таким образом, разность между удельной теплоемкостью газа при постоянном давлении и при постоянном объеме равна газовой постоянной R. Обозначив отношение cp/cV через K, получим (2.8) В кинетической теории газов показано, что K=5/3 для одноатомного газа и K=7/5 для двухатомного.

Учебный вопрос №2.6 ВТОРОЕ НАЧАЛО (ВТОРОЙ ЗАКОН) ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое начало термодинамики, констатируя непреложность принципа сохранения количества энергии при ее превращениях, не дает ответа на вопрос, какая часть подводимой к рабочему телу теплоты, при каких условиях и по каким направлениям может превращаться в работу. На основе только первого закона всегда имеется возможность превратить теплоту в работу или работу в теплоту при условии эквивалентности общего количества теплоты общему количеству работы. Если бы это было так, то запасы тепловой энергии в Земле, воде и атмосфере, являясь практически неограниченными, позволили бы создать такую машину, которая для всех практических целей была бы эквивалентна "perpetuum mobile". Такую гипотетическую машину называют вечный двигатель второго рода.

Второе начало (второй закон) термодинамики исключает возможность построения такой машины. Этот закон устанавливает, что самопроизвольные процессы возможны лишь в том случае, когда в системе нет равновесия, и что эти процессы всегда протекают в направлении, при котором система приближается к равновесному состоянию. Наиболее общая формулировка второго закона термодинамики дана Клаузиусом в виде постулата: "Теплота не может самопроизвольно (без компенсации) переходить от менее нагретого тела к более нагретому".

Понятие компенсации и другие формулировки второго закона термодинамики будут даны ниже, а сейчас отметим следующее. Понятие компенсации и другие формулировки второго закона термодинамики будут даны ниже, а сейчас отметим следующее. С открытием первого закона термодинамики было осознано значение энергии в материальном мире. Все виды энергии в конечном счете превращаются в теплоту, которая затем рассеивается в окружающей среде. Мера этого рассеивания была названа энтропией. Чем больше рассеивается энергия, тем больше увеличивается энтропия. Т.е. энергия и энтропия - неотъемлемые свойства материи: энергия суть мера движения материи, а энтропия - мера рассеивания (деградации) энергии. Различные способы движения материи определяют многообразие видов энергии, о чем мы говорили в первом разделе. Превращение видов энергии происходит при переходе движения материи из одних форм в другие. Кроме видов энергии различают формы передачи энергии. В термодинамики приняты две формы передачи энергии: работа и теплота процесса.

Теплота, связанная с движением молекул и атомов, является микрофизической формой передачи энергии, а работа, связанная с перемещением тела или его частей, - макрофизической. Следует заметить, что теплота и работа - не равноценные формы передачи энергии. Работа непосредственно может быть преобразована в любой вид энергии, а теплота без промежуточного превращения в работу может быть направлена только на увеличение запаса внутренней энергии тела. Теплота, связанная с движением молекул и атомов, является микрофизической формой передачи энергии, а работа, связанная с перемещением тела или его частей, - макрофизической. Следует заметить, что теплота и работа - не равноценные формы передачи энергии. Работа непосредственно может быть преобразована в любой вид энергии, а теплота без промежуточного превращения в работу может быть направлена только на увеличение запаса внутренней энергии тела. Работа без каких-либо ограничений может быть превращена в теплоту, а переход теплоты в работу, согласно второму закону термодинамики, без компенсации (некоторого дополнительного процесса) невозможен.

Лекция окончена Благодарю за внимание