Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В., страница 3

В механике и Физике' широко применяются энергетические функции Лагранжа и Гамильтона„в прикладных дисциплинах — понятия потенциала и диссипации. Термодинамические уравнения состояния удобно использовать при расчетах процессов, протекающих в реальных газах, растворах, жидких и твердых кристаллах, твердых телах при их намагничивании и поляризации. ' Казалось бы, физика охватывает все области знаний, включая и термодинамику, однако зто не так.

По образному выражению Ричарда Фейнмана, «у физиков есть привычка брать простейший пример какого-то явления и называть его «физикой», а примеры посложнее отдавать на растерзание других наук». 12 Введение Сложность и энергетическая напряженность современных машин возрастает пропорционально их возможностям. Принципы их действия также усложняются, так как используются последние достижения науки, новые материалы и вещества. Все технологические процессы интенсифицируются, масштабы производства расширяются.

В этих условиях использование положений только лишь классической термодинамики не всегда оправдано, например, если терлодинамичесное рабочее тело (ТРУ) — это жидкий кристалл, который нагревается, поляризуется, частично изменяет фазовое состояние и хиличесний состав, а кроме того, находится в состоянии движения. В качестве такой научной дисциплины и выступает в настоящее время неравновесная термодинамика, развитие и освоение которой в инженерной практике позволяет не только отказываться от огромного числа эмпирических коэффициентов и зависимостей, но и более осмысленно создавать машины принципиально нового типа.

Расчет топливных элелентов, эленгпрохимичесних источников тона и аккумуляторов, тепловых труб, сложных процессов тепло- и массообмена в пограничном слое, процессов смесеобразования и горения, процессов в электрореактивных двигателях — вот далеко не полный перечень применения неравновесной термодинамики в инженерной практике. С наиболее общих позиций термодинамика может быть определена как наука о методах исследования свойств любых макроскопических материальных тел, проявляющихся в процессах преобразования одних видов движения материи в другие.

Основная задача неравновесной термодинамики заключается в установлении зависимости между возрастанием энтропии в термодинамической системе и происходящими в ней различными необратимыми процессами. С этой целью исследуются микроскопические (справедливые для большого числа частиц) ,законы сохранения массы, количества движения и энергии в дифференциальной форле, пригодной для исследования малых объемов (так называемая локальная форма законов). Перенос массы может при этом характеризоваться потоком диффузии, перенос энергии — потоком теплоты, а перенос импульса — тензорол давления. Эти и другие рассматриваемые неравновесной термодинамикой потоки являются следствием неравновесного состояния термодинамической системы.

13 Введение Выражение для скорости возрастания энтропии рассматривается как сумма ряда слагаемых, каждое из которых есть произведение конкретного термодиналшческого потока, характеризующего необратимый процесс, и так называемой термодинамической силы, обусловленной неоднородностью (градиентом) соответствующего термодинамического параметра (температуры, давления, концентрации, химического сродства и т. д.).

В результате, в отличие от классической термодинамики, получается более сложная система уравнений, содержащая упомянутые законы сохранения, уравнение баланса энтропии и уравнения состояния. В качестве неизвестных параметров в эту систему входят необратимые потоки, определив которые можно найти скорость возрастания энтропии. Для весьма большого числа прикладных задач уже само по себе определение потоков, особенно взаимосвязанных, имеет самостоятельное значение (термодиффузия, термоэлектричество, электрофорез, электроосмос и т.

д.). Для решения системы уравнений используются феноменологические (подтвержденные опытом) уравнения связи потоков и термодинамических сил. В современной неравновесной термодинамике уравнения связи предполагаются линейными, справедливыми для случая, когда система близка к состоянию равновесия. Феноменологические коэффициенты переноса в уравнениях связи могут отражать и перекрестные эффекты (термодиффузию, термоэлектрнчество и т.

д.). Связь между коэффициентами переноса устанавливается соотношением взаимности, уменьшающим число независимых величин и связывающих между собой различные процессы переноса. Теория учитывает также и пространственную симметрию, например независимость скалярного явления (химической реакции в изотропной среде) от векторного явления (теплопроводности). Такое упрощение системы феноменологических коэффициентов переноса именуется принципом Кюри. На живые организмы этот принцип не распространяется, поэтому возникло еще одно специфическое направление термодинамики — биологическая термодинамика, которой посвящена последняя глава второй части учебного пособия.

Введение И наконец, современная теория использует свойства инвариантности (неизменности) соотношений взаимности относительно ряда преобразований потоков и термодинамических сил, а также дополнительную инвариантность и экстремальность скорости возрастания энтропии при ряде ограничительных условий (механического равновесия, стационарного неравновесного состояния и т. д.).

Большое число работ по неравновесной термодинамике посвящено проблемам ее статистического обоснования, им в учебном пособии уделена специальная глава. Еще не так давно считалось, что термодинамические силы не имеют ничего общего с силами в ньютоновском понимании этого слова, хотя и отмечалось, что между уравнениями механики и неравновесной термодинамики существует прямая аналогия, создающая перспективу «механического» обоснования ряда положений последней.

Эта аналогия послужила толчком для использования достижений неравновесной термодинамики в анализе различных видов сложных механических систем, в частности для наиболее сложных видов механического движения — полета космической системы или летательного аппарата. Дальнейшие работы в этой области привели к объединению неравновесной термодинамики с системотехникой и созданию основ исключительно важного научного направления — теории эффективности.

сложных динамических систем. Таким образом, если техническая термодинамика является основой для определения энергетической эффективности маи«ин, то неравновесная термодинамика может служить базой для определения эффективности сложных динамических процессов, происходящих в так называемых больших системах (энергетических, транспортных, экологических, технологических, информационных), включая социальные. Эффективность социальных организмов характеризуется критерием эффективности жизни (КЭЖ), которому во второй части посвящен раздел, представляющий интерес для будущих политиков, экономистов, юристов и управленцев, Неравновесная термодинамика будет, естественно, развиваться и самостоятельно. Дальнейшей ее задачей является создание теории для нелинейных законов переноса как для 15 Введение сплошной среды, так и для прерывных систем с подвижными границами раздела. Последний вопрос еще только начинает исследоваться в линейной постановке.

Наконец, объединение в единой теории линейных и нелинейных процессов переноса как макроскопических, так и элементарных (квантовых), по-видимому, завершит создание общей теории. В настоящее время теплопроводность, дозвуковое течение вязкой среды, линейная акустика, электропроводность и диффузия являются частными случаями явлений переноса, изучаемых неравновесной термодинамикой. Нелинейная акустика и нелинейная сверхзвуковая аэрогазодинамика пока еще не могут без достаточных упрощений входить в общую теорию, поэтому эти дисциплины, как правило, изучаются самостоятельно — главным образом в качестве технического приложения, хотя в них и используются основные принципы термодинамики.

Авиационная и ракетно-космическая техника — наиболее динамичные области машиностроения. В связи с этим структура и содержание учебного пособия направлены на подготовку инженерного персонала, способного самостоятельно решать сложные современные термодинамические проблемы энергетики — прежде всего в области двигателей и энергетики летательных аппаратов, а также в многочисленных смежных областях инженерной деятельности. Материал учебного пособия от главы к главе усложняется, а для понимания последних глав второй части потребуется еще и знакомство со специальной литературой.

Наиболее важные главы снабжены подробным решением задач, обычно встречающихся в повседневной работе инженеров-теплофизиков и инженеров-конструкторов авиационной и ракетно-космической техники. Глава 1 Основные понятия и определения 1.1.

Предмет и методтермодинамики Исторически термодинамика возникла на рубеже ХУП1 и Х1Х вв. как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу. В это время тепловые машины были уже широко распространены, и надо было подвести теоретические основы их работы. Современная термодинамика является теоретической основой всех без исключения макроскопических процессов в природе и обществе. Макроскопическими называются процессы, в которых участвуют многие частицы, например молекулы окружающего нас воздуха, муравьи в муравейнике, галактики во Вселенной.

Применительно к разного рода антропогенным, т, е. построенным людьми, летательным аппаратам современная термодинамика занимается прежде всего изучением пяти глобальных инженерных проблем земной цивилизации, а именно: энергетики, транспорта, безопасности, производства и информатики. Основная задачатермодинамики — указать инженерам способы подсчета и увеличения эффективности или КПД самых разных организмов — от машинных до биологических (генная инженерия). Еще не так давно — в начале ХХ в. — главной задачей термодинамики считали исследование проблем преобразования (взаимопревращения) одних видов энергии в другие. Было даже предложено термин термодинамика заменить другим— энергетика, но этого, к счастью, не произошло.

Но современная термодинамика является не только инженерной наукой. Она входит важной составной частью в теорет иче с ну ю физи ку. 17 Глава 1. Основные понятия н определения Термодинамический метод базируется на ряде принципов и законов. Основным принципом термодинамики является принцип гпемпературы (два тела„находящиеся в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру).