Уравнение состояния и законы термодинамики в термодинамических системах

Согласно второму закону термодинамики (глава 3) самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры.

Закономерности переноса теплоты и количественные характеристики этого процесса являются предметом исследования теории теплообмена (теплопередачи) [2].

Теплота может распространяться в любых веществах и даже через вакуум (пустоту). Идеальных тсплоизоляторов не существует.

Во всех веществах теплота передается теплопроводностью (молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры). Быстродвижущиеся микрочастицы отдают свою энергию более медленным, перенося теплоту из зоны с высокой температурой в зону с более низкой. В теории теплообмена (как и в гидромеханике) термином «жидкость» обозначается любая сплошная среда, обладающая свойством текучести.

В жидкостях перенос теплоты может осуществляться и за счет перемешивания. При этом уже не отдельные молекулы, а большие объемы горячей жидкости перемещаются в зоны с низкими температурами. Холодная жидкость попадает в зоны с высокими температурами. Перенос теплоты, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переносов теплоты, носит название конвективного теплопереноса, или просто конвекции.

Следует отметить, что одновременно с конвекцией всегда сосуществует и теплопроводность, однако конвективный теплоперенос в жидкостях обычно является определяющим, поскольку он значительно интенсивнее теплопроводности.

В твердых телах перемещение макроскопических объемов относительно друг друга невозможно, поэтому в них теплота переносится только теплопроводностью. Однако при нагреве (сушке) зернистых материалов очень часто искусственно осуществляют их перемешивание. Процесс теплопереноса при этом резко интенсифицируется и физически становится похожим на конвективный теплоперенос в жидкостях.

Часто приходится рассчитывать теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела. Этот процесс получил название конвективный теплообмен (теплообмен между движущейся средой и поверхностью раздела ее с другой средой: твердым телом, жидкостью или газом).

Третьим способом переноса теплоты является излучение. Теплообмен излучением происходит следующим образом: внутренняя энергия вещества превращается в энергию излучения (энергия фотонов или электромагнитных волн, излучаемых телом или средой), далее происходит распространение излучения в пространстве (процесс переноса излучения) и, наконец, энергия излучения поглощается веществом, которое оказалось на пути фотонов или электромагнитных волн.

Как правило, теплота может переноситься всеми тремя способами одновременно — такой процесс называется теплопередачей.

Теплопередача связана с весьма сложными процессами и при ее изучении надо знать законы и методы анализа, применяемые в физике, термодинамике, гидрогазодинамике и химии.

Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока q (количество теплоты, переносимое в единицу времени через единичную площадь поверхности, Вт/м²). Следует обратить внимание на то, что в термодинамике теми же буквами обозначают другие величины: Q — количество теплоты, q — удельное количество теплоты, т. е. отнесенное к единице массы рабочего тела.

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, в теории теплообмена принято называть мощностью теплового потока (или просто тепловым потоком) и обозначать буквой Q. Единицей ее измерения обычно служит Дж/с, т. е. Вт.

Количество теплоты, передаваемое за произвольный промежуток времени т через произвольную поверхность F, будем обозначать Q_x. Используя эти обозначения, можно записать:

В общем случае тепловой поток Q, а соответственно, количество теплоты Q_x могут изменяться как во времени, так и по координатам поверхности:

Глава 10.

Уравнение состояния и законы термодинамики в термодинамических системах Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергий и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также технологического оборудования [1,2, 5, 6].

Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическим и термодинамическим методами. Статистический метод — это метод статистической физики, основанный на использовании теории вероятностей и определенных моделях строения этих систем. Термодинамические метод не требует привлечения модельных представлений о структуре вещества и является феноменологическим методом (рассматривает «феномены» — явление в целом). При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодинамического метода будем использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для системы: газ, заключенный в цилиндр под поршнем, внешней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями — стенки цилиндра и поршень. В данном примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой (теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра).

В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой (потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах). Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой.

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатической. Примером адиабатической системы является газ, находящийся в сосуде с идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатической.

Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. Рабочим телом в двигателе внутреннего сгорания является горючая смесь воздуха и паров бензина, приготовленная в карбюраторе.