Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В., страница 2

Есть науки, без которых не может обойтись практически ни один человек. К ним относятся языкознание, которое оперирует буквой и словом; экономика, изучающая балансы между доходами и расходами разного рода ресурсов; математика, оперирующая количественными соотношениями с помощью чисел; термодинамика — наука об эффективности (о коэффициентах полезного действия) процесса преобразования различных видов энергии в необходимую полезную работу.

Такие «всеобщиеь науки мы рекомендуем называть суперфундал«ентпалъныл«и. В области инженерных дисциплин суперфундаментальными являются термодинамика и механика. Термодинамика занимается поведением макроскопических, т.е. состоящих из большого числа элементов систем, которые мож- Введение н о охарактеризовать т е р м о д и н а м и ч е с к и м и параметрами, в частности температурой.

Становление термодинамики как науки продолжалось около четырех веков и было сопряжено со многими трагедиями, заблуждениями и озарениями лучших умов человечества. Впервые понятие энергия появилось в 1619 г. в трудах ХХ. Кеплера (1571 — 1630) применительно к механике, законы которой сформулировали Г. Галилей (1564 — 1642) и И. Ньютон (1642 — 1727).

Одним из основоположников «науки о теплоте» был наш великий соотечественник М. В. Ломоносов (1711 — 1765), который в своей диссертации «Размышления о причинах теплоты и стужи» (1750) высказал мысль о том, что теплота— зто форма «вращения» многих мельчайших частиц, составляющих тело.

Кроме того, он утверждал в «Рассуждении о твердости и жидкости теле, что из двух соударяющихся тел одно тело «теряет своего движения» ровно столько, сколько передает другому. Впоследствии весь ученый мир стал использовать зто гениальное предвидение как первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии. Но вернемся к «Размышлению о причинах тепла и стужи», в котором утверждалось, что холодное тело самопроизвольно не может воспринять большую «степень теплоты», чем имеет окружающее его более горячее тело. Это уже явная предтеча толкования закона природы, который ныне именуется вторым законом термодинамики или законом, запреи4аю«цим самопроизвольную концентрацию тепловой энергии. Наконец, утверждение ученого о том, что «высшей степени холода на нашей планете не может быть», очень напоминает трегпий закон термодинамики, или закон недостижимости абсолютного нуля температур. Именно зти три утверждения и составляют сущность современной классической термодинамики.

Но как много пришлось пройти научной мысли, чтобы прозрения М. В. Ломоносова были восприняты всем научным миром как незыблемые законы мироздания! Прообраз современного соосного воздушного винта вертолета или так называемая «аэродромная машина», т. е. летающая машина тяжелее воздуха, также была предложена, построена и продемонстрирована М. В. Ломоносо- Введение вым, которого с полным правом можно назвать пионером современной авиации, использующей аффект возникновения подъемной силы на движущемся крыле, и основоположником метеорологии, поскольку на своей летательной машине он предполагал проводить измерения параметров атмосферы на разных высотах.

Затем научная мысль сделала ошибочный шаг — в 1779 г. Клехгорн выдвинул теорию об упругой, невесомой, неуничтожимой и невоссоздаваемой жидкости, которую в 1787 г. Лавуазье назвал теплородом. К счастью, вскоре, а именно в 1796 г., Б. Томсон (1753 — 1814) — позже он получил титул графа Румфорда — доказал несостоятельность теории теплорода, исследуя процесс сверления пушек и сравнивая нагрев отрезанных частей ствола и работу лошадей.

Б атом же году родился будущий основоположник термодинамики (в переводе с греческого слово «термодинамика» означает движу>цая сила теплоты) С. Карно (1796 — 1832), который в 1824 г. выпустил свой классический труд «О движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу». Без разности температур рабочего тела в начале и конце процесса тепло не может быть превращено в работу — такой основной вывод был сделан молодым инженером. Современное здание классичес>>ой термодинамики, >свторая не рассматривает пространственных координат и времени, строительство которого начал С.

Карно, было завершено трудами очень многих ученых, и прежде всего Б. Клапейрона, Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца„В. Томсона (лорда Кельвина), Р. Клаузиуса, 5>. Ренкина, В. Нернста, представителями российской термодинамической школы Г. Г. Гессом, М. Ф.

Окатввь>м, О. Хвольсоном и др. Классическую термодинамику именуют еще и феноменологической от слова «феномен», или опытный фа>ст. Но опытным фактам требуется теоретическое обоснование, и такое обоснование было дано авторами статистической термодинами>си Л. Больцманом и Д. Гиббсом. Эквивалентность положений термодинамики и теории информации К. Шеннона (1948) была доказана в 1957 г. Э.

Длсейнсом: были получены все результаты Д. Гиббса. Существенный вклад в развитие неравновесной термодинамики, начало которой положил в 1854 г. В. Томсон (лорд Кельвин), принадлежит Л. Онзагеру, опуб- Введение ликовавшему в 1931 г. соотношения взаимности между коэффициентами линейных уравнений переноса, и И. Р. Пригожину, доказавшему основные теоремы об инвариантных свойствах и условиях экстремальности возрастания энтропии. В 1947 г. И. Р. Пригожин практически завершил создание основ новой науки «Термодинамика необратимых процессов>, которая в настоящее время имеет и другое наименование «Не- равновесная термодинамика». Значительные работы по неравновесной термодинамике принадлежат также Л. Больцману, Р.

Клаузиусу, П; Дюгему, Г. Казимиру, Дж. Мейкснеру, С. де Грооту, П. Мазуру, М. Трайбусу и др. Советские ученые А. В. Лыков, А. Ф. Иоффе, Ю. А. Михайлов, Д. Н. Зубарев и многие другие также внесли немалый вклад в развитие неравновесной термодинамики. Неравновесная термодинамика или термодинамика необратимых процессов, в отличие от термодинамики классической, позволяет исследовать наиболее общие свойства потоков вещества под действием термодинамических сил, а советский исследователь А.

Вейник в 1965 г. высказал идею о возможности всеобщего применения этой новой обобщенной термодинамики ко всем явлениям природы и общества. На базе обобщенной термодинамики в 1970 г. возникло новое научное направление — экоматермика, сочетающее достижения экономики, математики и термодинамики (В. П. Бурдаков), нашедшее поддержку лауреатов Нобелевской премии А. М. Прохорова и И. Р. Пригожина. В дальнейшем эта наука получила и другое название — общая фрактальнокластерная теория организмов (ОФКТО). Сложные термодинамические системы, способные самостоятельно циклически функционировать под воздействием природных илиуи антропогенных факторов, носят название организмов.

Организмы могут быть машинными (часы, авиационный или ракетный двигатель, беспилотный самолет-разведчик, баллистическая ракета), биологическими (человек, птица, бактерия, растение, живая клетка), человеко-машинными (самолет-истребитель, пилотируемый космический корабль, 10 Введение орбитальная станция), общественными (пчелиный рой, муравейник), социальными (город, область, государство, человечество). Абсолютно все организмы построены по одной и той же структурной схеме и включают пять обязательных блоков, выполняющих соответственно пять жизненно важных функций высшего уровня: энергетическую, транспортную, безопасностную, производственную и информационную.

Областями практического применения современной термодинамики являются все пять ипостасей организма: энергетика, транспорт (явления переноса), безопасность, производство и информатика. Отсюда ее важность и значение в современном мире. Не случайно именно термодинамике посвящено более 25 000 монографий и учебников и, естественно, огромное число научных статей, сборников, методических пособий и справочников. Вот почему знание основных законов и положений термодинамики необходимо для всех без исключения специалистов, работающих в области исследований, проектирования, создания, производства, эксплуатации и утилизации летательных аппаратов любого типа и их систем, а также в области обеспечения интеграции летательных аппаратов с экипажем и управляющим персоналом, решающим проблемы стратегии выбора схем и параметров, проблемы экономики, конкуренции и эксплуатации техники.

Учебное пособие «Термодинамика» для удобства пользователей разделено на две части. Первая часть «Основной курсе дает первичные базовые знания предмета, позволяющие с помощью приведенной библиографии самостоятельно углубить знания и осуществить их инженерное приложение к конкретным задачам, не включенным в данное издание из-за недостатка места. Вторая часть «Специальный куре» предлагается будущим специалистам, которые захотят посвятить себя углубленному изучению тех или иных разделов термодинамики.

В технической термодинамике рассматриваются только идеальные обратимые и равновесные процессы в так называемых идеальных машинах (двигателях или орудиях) на начальном этапе проектирования. 11 Введение Предварительные термодинамические вычисления, выполненные с использованием методов технической термодинамики, химической термодинамики и основ теплопередачи, в инженерной практике лишь предшествуют длительным расчетам и экспериментальным работам по созданию реальной машины.

Еще не так давно основной объем инженерного труда приходился на «доводочные» работы. Теперь, когда на помощь инженеру пришла электронно-вычислительная техника, объем экспериментальных работ начинает сокращаться, так как проводятся детальные расчеты на этапе проектирования. Теоретическая база для таких расчетов, т. е. фундаментальные научные дисциплины, также продолжает совершенствоваться. Термодинамика входит в число важнейших фундаментальных научных дисциплин, необходимых современному инженеру любой специальности.

Термодинамические методы, главным образом метод циклов и метод термодинамических потенциалов (в их основе лежат принципы температуры, энергии и энтропии, на базе которых сформулированы первый и второй законы термодинамики), в настоящее время широко используются. Удобство и наглядность термодинамических представлений способствовали развитию и неравновесной термодинамики — сначала при описании процессов тепло- и массопереноса, а затем и других известных процессов движения материи. Кроме того, была установлена аналогия между неравновесной термодинамикой и наиболее изученными механическими явлениями, сопровождающимися диссипацией энергии.