Предмет и метод технической термодинамики

Реферат Предмет и метод технической термодинамики

В работе 1851 г. «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» Майер сжато и популярно излагает свои идеи о сохранении и превращении силы. Джоуль провёл многочисленные исследования по превращению теплоты в работу и напечатал несколько работ на эту тему в 1843—1850 гг. Майер считал Джоуля одним из открывателей закона сохранения и превращения энергии. Гельмгольц в 1847 г. опубликовал в виде брошюры результаты своих исследований по теории физиологических тепловых явлений.

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков XVIII-го в. Их борьба за признание закона была нелёгкой, но она окончилась полной победой. Наука получила в своё распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.

Во второй половине XIX-го в. продолжилось теоретическое изучение тепловых явлений. Ведущую роль в основании теории теплоты сыграли Р. Клаузиус, В. Томсон и др.

Одним из выдающихся естественнонаучных достижений М. В. Ломоносова является его молекулярно-кинетическая теория тепла.

1. Предмет и метод термодинамики. Термодинамическое тело и система. Основные термодинамические параметры. Идеальный газ и уравнение его состояния

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами.

Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц.

Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), которые получаются путём обобщения наблюдений над процессами, протекающими в природе. Первое начало является законом сохранения и превращения энергии для изолированной системы. Второе начало указывает направление процессов обмена энергией, протекающих в природе. В качестве третьего начала принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.

Техническая термодинамика (есть также химическая термодинамика, термодинамика биологических систем и т. п.) занимается разработкой теории тепловых двигателей и установок. Другими словами техническая термодинамика — раздел термодинамики, занимающийся приложениями законов термодинамики в теплотехнике.

Назовём термодинамической системой большое число материальных частиц (тел), находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами (внешней средой). От внешней среды система должна быть отделена оболочкой. Например, газ под поршнем в цилиндре образует термодинамическую систему, отделённую от внешней среды стенками цилиндра (оболочка). Если оболочка не пропускает тепло (такой оболочкой можно считать стенки термоса, дьюарова сосуда), то система называется адиабатной.

Понятие «термодинамическая система» в термодинамике используется в очень широком смысле. Самой простой термодинамической системой считается рабочее тело тепловых двигателей — газ или пар, с помощью которого совершаются взаимопревращения теплоты и работы.

Свойства рабочего тела характеризуются некоторыми величинами, которые принято называть термодинамическими параметрами. Наиболее важные из них — абсолютное давление, абсолютная температура и объём. Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе давления, действующей на единицу площади поверхности. Измеряется в Па = н/м2, МПа= = 106Па или барах (1бар = 0,1 МПа= 105 Па). Примечание: в механике жидкостей и гидравлических машинах мы использовали кгс/см2 = 9,8 ? 104 Па. Температура определяет степень нагретости тела. Она пропорциональна кинетической энергии частиц рабочего тела. Жидкие тела при нагревании расширяются и это свойство жидкостей (спирт, ртуть и др.) используется на практике для измерения температур. В системе СИ единицей измерения температуры является градус Кельвина (1°К), но термометры измеряют температуру в градусах Цельсия. Следует иметь в виду, что 1 °C = 1°К, но 0°К = - 273,15°С, а 0 °C = 273, 15°К, т. е. температурные шкалы Цельсия и Кельвина связаны соотношением:

Т°К = t°C + 273,15 (1)

Объём в системе СИ измеряют в м3, удельный объём v = (V/m) — в м3/кг. Здесь v -удельный объём, V-полный объём, m - масса, заключённая в объёме V. Величина, обратная удельному объёму называется плотностью вещества:

1/v= с= m/V (кг/м3).

Греческий алфавит: м -мю; с -ро; ф -тау; в -бета; д -дельта; г -гамма; е -эпсилон; у -сигма; р -пи; л- ламбда; б -альфа; з -эта; н - ню; о -кси; ш -пси; щ -омега; ц -фи; и -тэта.

Из прописных чаще всего используется У (сигма) для обозначения суммы и ?(дельта) для обозначения разности (изменения), а также Щ (омега).

Если давление и температура в разных частях термодинамической системы имеют одинаковые значения, то состояние системы называют равновесным.

Связь между параметрами равновесного состояния рабочего тела выражается уравнением состояния. Для реальных рабочих тел найдено большое число различных видов уравнений состояния. Наиболее простым является уравнение состояния идеального газа. Идеальным газом считают газ, размерами молекул которого и силами взаимодействия между ними можно пренебречь. Молекулы такого газа обладают только кинетической энергией (прямо пропорциональной абсолютной температуре). Это уравнение имеет следующий вид:

P?V = (m/м) ? R?T (2)

Читается оно следующим образом: для данной массы газа (m) произведение давления на объём прямо пропорционально абсолютной температуре. Коэффициент пропорциональности R называют газовой постоянной (R = 8314 дж/ кмоль °К), м — молярная масса, кг/кмоль. Уравнение (1−2) получило название уравнения Клапейрона-Менделеева.

При переходе идеального газа (реальный газ, например воздух, при нормальных условиях можно с определённой погрешностью считать идеальным) из одного равновесного состояния в другое совершается термодинамический процесс.

термодинамика газ теплоемкость

2. Тепло и теплоёмкость

Истинная теплоемкость рабочего тела определяется отношением количества подведенной (отведенной) к рабочему телу теплоты в данном термодинамическом процессе к вызванному этим процессом изменениям температуры тела:

С = дQ / dT, [Дж /0К]; (3)

Теплоемкость зависит от внешних условий или характера процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты.

Различают удельные и молярные теплоемкости:

массовую (удельную): с = С/m, [Дж/кг 0К]; (4) (m-масса тела)

молярную: См = С / н; [Дж/моль0К], (5)

где н = m /м- количества вещества [моль]; м -молярная масса вещества. Её определяют с помощью таблицы Менделеева. Так, для водорода она равна 2 г/моль или 2 кг/кмоль, кислорода 32 кг/кмоль, азота 28 кг/кмоль, для воздуха 29 кг/кмоль и т. д.

Теплоемкость газов в большой степени зависит от тех условий, при которых происходит процесс их нагревания или охлаждения. Наиболее важными и часто используемыми для газов и паров являются теплоемкости при постоянном давлении (изобарный процесс) и при постоянном объеме (изохорный процесс):

ср, сv — массовые (удельные) изобарные и изохорные теплоемкости; Сpм, Сvм — молярные изобарные и изохорные теплоемкости. Между изобарными и изохорными теплоемкостями существует следующая зависимость: ср — сv = Rµ -(6) — уравнение Майера; Rµ = R/µ -удельная газовая постоянная.

Сpм — Сvм = R (7).

Между удельными и молярными теплоёмкостями существует следующая связь:

ср = Сpм /м; сv = Сvм /м

Теплоемкость зависит от температуры, в справочниках обычно даются средние теплоемкости в интервале температур от 00С до t0С.