Термодинамическая система

Теплотехника – наука, которая  изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов  и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники.

 

 Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом - теплота используется для направленного  изменения свойств различных  тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).

Такими  теоретическими разделами являются техническая термодинамика и  основы теории теплообмена, в которых  исследуются законы превращения  и свойства тепловой энергии и  процессы распространения теплоты.

 

Термодинамика — наука, изучающая внутреннее состояние  макроскопических тел в равновесии. По другому определению, термодинамика  — наука, занимающаяся изучением  законов взаимопреобразования и  передачи энергии.

Подчеркнём, что термодинамика — это феноменологическая (описательная) теория макроскопических тел. Термодинамика ничего не знает про атомы и молекулы. Поэтому в рамках термодинамического подхода выражение для энтропии ниоткуда не выводится и сама энтропия никак не истолковывается. Теория, опирающаяся на молекулярное строение вещества, называется статистическая физика. Она, действительно, дает более глубокое обоснование термодинамики некоторых систем. Однако термодинамический подход, сам по себе, есть нечто, совершенно не требующее статистической физики.

Термодинамическая система

 

Техническая термодинамика (т/д) рассматривает 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.

Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики:

I закон  термодинамики - закон превращения и сохранения энергии;

II закон  термодинамики – устанавливает  условия протекания и направленность  макроскопических процессов в  системах, состоящих из большого  количества частиц.

Техническая т/д, применяя основные законы к процессам  превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т.п.

 

Объектом  исследования является термодинамическая  система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что находится вне системы называется окружающей средой. Т/д система это совокупность макроскопических тел, обменивающиеся энергией друг с другом и окружающей средой.

Изолированная система - т/д система не взаимодействующая  с окружающей средой.

Адиабатная (теплоизолированная) система –  система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой.

Однородная  система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

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).

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

Параметры состояния

 

 Величины, которые характеризуют  физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. 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 (?), температурой (Т), давлением (Р).

Параметры состояния - физические величины, однозначно характеризующие состояние термодинамической системы и не зависящие от предыстории системы.

Давление - физическая величина, характеризующая  интенсивность нормальных сил, с  которыми одно тело действуют на поверхность  другого.

Давление подразделяется на абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуум.

Температура пропорциональна кинетической энергии частиц рабочего тела. Чем  ниже температура, тем меньше кинетическая энергия.

Рабочее тело — газообразное, жидкое или плазменное вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой-либо энергии при получении механической работы, холода, теплоты.

 

 Состояние  термодинамической системы может  быть равновесным и неравновесным.  Равновесное состояние изолированной  термодинамической системы характеризуется  постоянством по всему объему, занимаемому системой, таких параметров, как давление (механическое равновесие) и температура (термическое равновесие). В неизолированной системе равновесное состояние однозначно определяется внешними условиями, т. е. давлением и температурой внешней среды. В равновесных термодинамических системах отсутствуют стационарные потоки, например, теплоты и вещества. Всякая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние, которое остается затем неизменным, пока система не будет выведена из него внешним воздействием.

Параметры системы, находящейся в состоянии  термодинамического равновесия, связаны  между собой, причем число независимых  параметров состояния системы всегда равно числу ее термодинамических  степеней свободы.

Уравнение состояния и термодинамический процесс

 

Основные  т/д параметры состояния Р, ?, Т  однородного тела зависят друг от друга и взаимно связанная  между собой определенным математическим уравнением, который называется уравнением состояния.

Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, ? и Т и все другие физические свойства одинаковы.

Совокупность  изменений состояния т/д системы  при переходе из одного состояния  в другое называется т/д процессом. Т/д процессы бывают равновесные и неравновесные. Если процесс проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы являются неравновесными.

Если при  любом т/д процессе изменение  параметра состояния не зависит  от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т.д.

Интенсивные параметры – это параметры  не зависящие от массы системы (давление, температура).

Аддитивные (экстенсивные) параметры – параметры, значения которых пропорциональны  массе системы (Объем, энергия, энтропия и т.д.).

Техническая термодинамика

 

Термодинамика опирается на фундаментальные законы, которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях. Первым началом термодинамики для изолированной системы является закон сохранения и превращения энергии; второе начало термодинамики характеризует направление процессов обмена энергией, протекающих в природе; и в качестве третьего начала термодинамики принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.

 Техническая  термодинамика - раздел термодинамики,  занимающийся приложениями законов  термодинамики в теплотехники (занимается  разработкой теории тепловых  двигателей и установок) .

Термодинамика — наука о наиболее общих свойствах  макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.

 

 На изучение  этой науки ушло много лет.  Сейчас можно найти огромное  количество  хорошей литературы. Большую часть из которой мы изучили, переработали и предлагаем  начать ей пользоваться!