термодинамическая система

Техническая
термодинамика
Установочная лекция для
студентов заочного
факультета специальности
280102
Подготовлена доцентом кафедры ГДУ,
к.ф.-м.н Ивания С.П.
Структура
Структура раздела
Модуль 2. Связь характеристик
термодинамической системы
(Первый закон термодинамики)
Модуль 1. Обоснование принципа работы
теплового двигателя
(основные понятия и определения)
Термодинамическая
система
(обобщающее понятие)
Термодинамический
процесс
(переход из одного
состояния в другое)
Простейшие модели
Идеальный
газ
Смеси
идеальных
газов
Параметры состояния
cистемы (P,V, T, m)
Связь между параметрами
(уравнение состояния
идеального газа)
Структура
Изопроцессы
идеального газа
Внутренняя
энергия
Теплота
и работа
Энтальпия
Направленность самопроизвольных
термодинамических процессов,
возможности преобразования
теплоты в работу
(Второй закон термодинамики)
Изменение характеристик
термодинамической системы
в результате процесса
(исследование
термодинамических процессов)
Максимально
возможный к.п.д.
теплового двигателя
(цикл Карно, энтропия)
Объект изучения
Газ – рабочее тело –
под поршнем в цилиндре
теплового двигателя
На языке термодинамики это –
термодинамическая система
Структура
Термодинамическая система
3
Основные понятия и определения
Термодинамика – наука о наиболее общих
свойствах макроскопических физических систем,
находящихся в состоянии термодинамического
равновесия, о процессах перехода между этими
состояниями
Структура
Термодинамическая система
4
Основные понятия и определения
Термодинамическое равновесие – состояние
термодинамической системы, в которое она
приходит самопроизвольно через достаточно
большой промежуток времени в условиях изоляции
от внешней среды
Структура
Термодинамическая система
5
Простейшие модели
термодинамических систем
Идеальный газ – теоретическая модель газа:
молекулы – материальные точки, обладающие только
кинетической энергией
Смеси идеальных газов – воздух, горючие смеси и т.п.
Свойства реальных газов при высоких температурах
и низких концентрациях близки к свойствам
идеального газа
Структура
Термодинамическая система
6
Параметры состояния системы
Физические величины, которыми характеризуется
равновесное состояние, называются параметрами
состояния системы

абсолютная температура Т [К]

объем V [м3]; удельный объем v = V/m [м3/кг]

абсолютное давление Р [Па]; 1 Па = 1Н/м2

Т, K = t,0C + 273,15
Структура
Термодинамическая система
7
Нормальные условия

температура
Тн = 0 0С = 273,15 К

атмосферное давление
Рн = 760 мм рт.ст = 101,3 кПа
Структура
Термодинамическая система
8
Абсолютное давление
Р=Ри+Ра – абсолютное давление
Ра – атмосферное давление
Ри – избыточное давление
(выше атмосферного)

Р=Ра-Рв – абсолютное давление
Рв – давление, измеренное вакуумметром
(недостаток до атмосферного)

Структура
Термодинамическая система
9
Смеси идеальных газов
Cпособы задания состава смеси:
массовый и объемный
Массовый состав: mсм = ∑mi
Массовая доля газовой компоненты:
gi = mi /mсм ; ∑gi = 1
Парциальное давление Рi – давление, которое оказывала
бы i-тая компонента газа, если бы она одна занимала
весь объем смеси при температуре Т = Тсм
Закон Дальтона: Рсм = ∑Рi
Структура
Термодинамическая система
10
Смеси идеальных газов
Объемный состав: Vсм = ∑Vi



Парциальный объем Vi – это объем, который
имела бы i-тая компонента смеси при давлении
Р = Рсм и температуре Т = Тсм
ri = Vi / Vсм – объемная доля смеси; ∑ri = 1
Молекулярная масса смеси: μсм = ∑ μi·ri
Связь между массовой и объемной долями смеси:
gi = ri·μi /μсм
Структура
Термодинамическая система
11
Уравнение состояния
идеального газа
Три параметра состояния – P, V, T –
не являются независимыми
Они связаны соотношением, которое называется
уравнением состояния идеального газа
Два вида уравнения состояния в термодинамике:
PV = mRT
(1)
M – масса газа
R – газовая постоянная данного газа, [Дж/(кг К)]
Структура
Техническая термодинамика
Термодинамическая
система
12
Уравнение состояния
идеального газа
Другой вид уравнения состояния:
PV = nµR0T
(2)
nµ – количество молей вещества
nµ=m/ μ
μ – молекулярная масса данного газа
R0 – универсальная газовая постоянная
R0 = 8,314 [Дж/(моль К)]
Связь между газовыми постоянными R и R0:
R= R0/μ
Структура
Техническая термодинамика
Термодинамическая
система
13
Уравнение состояния
идеального газа
Связь с молекулярно-кинетической теорией:
P=nkT
(3)
– еще один вид уравнения состояния
n=N/V – концентрация молекул в объеме
N – общее количество молекул газа
k= R0/ NA – постоянная Больцмана
NA – количество молекул в одном моле – число Авогадро;
nµ=N/ NA
NA=6,02•1023 [моль-1]
k=1,38 •10-23 [Дж/K]
Структура
Термодинамическая система
14
Термодинамический процесс
Термодинамический процесс – переход системы из
одного состояния в другое в результате изменения
внешних условий (сообщения системе теплоты или
совершения над системой работы)
Структура
Термодинамический процесс
15
Термодинамический процесс
Термодинамический процесс называется
равновесным, если в любой его точке состояние
термодинамической системы можно считать
равновесным
Термодинамический процесс можно изобразить
графически в системах координат P-V, P-Т или V-Т,
называемых P-V, P-Т или V-Т-диаграммами
Структура
Термодинамический процесс
16
Основные изопроцессы
идеального газа
 Изохорный – V=const
 Изобарный – P=const
 Изотермический – T=const
 Адиабатный – dQ=0
Структура
Термодинамический процесс
Графическое изображение
процессов
Изохорный
Структура
Термодинамический процесс
(gannalv.narod.ru)
18
Графическое изображение
процессов
Изобарный
Структура
Термодинамический процесс
(gannalv.narod.ru)
19
Графическое изображение
процессов
Изотермический
Структура
Термодинамический процесс
(gannalv.narod.ru)
20
Графическое изображение
процессов
Адиабатный в сравнении с изотермическим
(www.fos.ru)
Структура
Термодинамический процесс
21