ТЕПЛОТЕХНИКА Часть 1. Техническая термодинамика Тема 1. Основные понятия и определения Исторические предпосылки Техническая термодинамика Основоположники • Оформилась как наука в начале XIX века • Появилась как теория тепловых машин в ответ на потребности инженерной практики • Шарль, Гей-Люссак, Блэк, Ломоносов, Бернулли, Лавуазье, Дальтон (понимание внутреннего состояния вещества) • Карно, Майер, Клапейрон, Клаузиус, Больцман, Кельвин (теоретическая база для технически важных приложений) 1 Тепловой двигатель Паровой двигатель Герона Александрийского (1 век н.э.) 2 Реактивный двигатель Тепловой двигатель Работа и тепло – это численные характеристики процесса. Тепловой двигатель выступает в роли преобразователя тепла в механическую работу. В технической термодинамике тепловой двигатель – источник работы, которая может быть использована против других сил: тяжести, сухого трения, вязкого сопротивления, упругости. Главный показатель эффективности - коэффициент преобразования. Часто его называют КПД – коэффициентом полезного действия. Смысл его для любого механизма (теплового, электрического, финансового, политического и пр.) всегда общий – это отношение пользы к затратам: 3 Рабочее тело 4 • В целом более «охотно» меняют свой объем – в среднем на два порядка Газ • Изменяют свой объем в среднем на несколько тысячных долей процента при изменении температуры на градус Жидкость Твердые тела Что выбрать? • Коэффициент теплового расширения газов в несколько раз больше, чем у жидкостей. Таким образом, вещество в газообразном состоянии – наиболее походящее рабочее тело для теплового двигателя. Термодинамическая система 5 Термодинамическая система – это выделенная для рассмотрения часть пространства. Закрытая система – это система, которая не обменивается с внешней средой веществом Изолированная система – это закрытая система, которая не обменивается с внешней средой энергией. Открытые системы могут обмениваться веществом и энергией с окружающей средой система Внешняя среда Адиабатная система – это изолированная система, которая не обменивается с внешней средой только теплом Параметры системы Параметры системы – это набор величин, с помощью которых можно отличить одну систему от другой (или увидеть, что они одинаковы). Если речь идёт о простых системах, внутри которых содержится один газ, то достаточно двух параметров: нужно как-то задать количество газа и указать, какой это газ. Параметры состояния системы — это набор величин, с помощью которых можно отличить одно состояние системы от других. Давление Для простой газовой системы достаточно трёх величин Температура Объём 6 Параметры состояния 7 Давление – это сила, действующая на единицу площади: За единицу давления принимается такое давление, которое производит сила в 1 Н, действующая на поверхность площадью 1 м2 перпендикулярно этой поверхности. 1Н 1м Температура — это степень нагретости тел. Т(К) = t (°C) + 273 Объем - это численная характеристика величины занимаемого веществом пространства. Параметром состояния становится удельный объем – объем килограмма или киломоля вещества: Состояние и процесс тип состояния системы процесс • Стационарное (параметры системы со временем не меняются) • Нестационарное • Равновесное (это состояние, к которому стремится система при неизменных внешних условиях) • неравновесное • Это последовательность сменяющих друг друга состояний • Если скорость изменений постоянна – процесс стационарный • Реальный процесс можно считать равновесным, если «скорость» внешнего воздействия на систему много меньше скорости выравнивания параметров в ней. 8 Уравнение состояния 9 p=f(V,T) V=f(p,T) T=f(p,V) f(p,V,T)=0 уравнение состояния выражает связь между параметрами состояния вещества Уравнение состояния Уравнение Клапейрона Уравнение состояния идеального газа имени Клапейрона – Менделеева Универсальная газовая постоянная Индивидуальная газовая постоянная Уравнение Клапейрона-Менделеева в различном виде 10 Диаграммы 11 Идеальный газ Модель строения вещества это любое вещество в газообразном состоянии, строго подчиняющееся уравнению Клапейрона – Менделеева. Считается, что молекулы газа – материальные точки Считается, что молекулы газа взаимодействуют только при столкновениях – на расстояниях, равных нулю Вывод любой газ можно считать идеальным в разреженном состоянии 12 Идеальный газ 13 Распределение скоростей по данным видеороликов (врез справа вверху, красное) и его апроксимация (там же, черная) при распределении Максвела-Больцмана. Уравнение первого начала термодинамики частный случай общего закона сохранения энергии тепло, подведенное к системе, расходуется на изменение внутренней энергии вещества и на работу процесса, в ней происходящего 14 Работа 15 следствия 1 Давление всегда положительно Изменение объема 2 ΔV > 0 L>0 ΔV < 0 L<0 ΔV = 0 L=0 Работа – это величина, характеризующая способ обмена энергией, однозначно связанный с изменением объема Работа 3 площадь под кривой процесса в р-V диаграмме численно равна работе процесса 16 Работа 4 работа процесса при фиксированных начальном и конечном состояниях зависит от вида процесса 17 Внутренняя энергия Кинетическая энергия движения молекул Потенциальная энергия взаимодействия молекул 18 Внутренняя энергия Тепло Подвод тепла Отвод тепла 19 Без теплообмена Теплоёмкость 20 Удельная теплоемкость вещества равна теплу, необходимому единице количества вещества для изменения температуры на градус удельная массовая удельная мольная или молярная истинная теплоемкость – это теплоемкость вещества при любой определенной температуре удельная объемная средняя теплоемкость - это величина, соответствующая определенному конечному (т. е. крупному) интервалу температур
