Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В., страница 5

В качестве ТС может рассматриваться летательный аппарат, а в качестве его подсистем — двигатель, баки с топливом и т. д. Если же необходимо рассмотреть только внутрибаковые процессы, то в качестве ТС рассматривается только внутрибаковый объем, ограниченный внутренними стенками бака, а в качестве подсистем рассматриваются жидкая и газовая фазы топливного компонента. 22 КЗ. Термоаннамическое рабочее тело 1.3. Терыодинамическое рабочее тело Непрерывное материальное тело или поле, ограниченное замкнутой контрольной поверхностью термодинамической системы или входящей а ТС подсистемы, называется термодинамическим рабочим телом.

Объем термодинамического рабочего тела (ТРТ) может быть равен как объему ТС, так и объему подсистемы, если ТС состоит из нескольких ТРТ. Нередко, давая определение ТРТ, некоторые авторы, стремясь упростсить курс термодинамики, не упоминают о контрольной поверхности и не включают в понятие ТРТ поле, поскольку еще не все разновидности поля, например гравитационное, достаточно изучены.

В действительности, даже в классической термодинамике широко испольауются такие понятия, как параметры состояния фотонного газа, или, что то же самое, однородного электромагнитного поля. В неравновесной термодинамике градиенты потенциалов электрического, лсагнитного или гравитационного полей выстпупают в роли движущих сил, поэтому материальное поле наравне с материальными телами может выступать в качестве ТРТ. Каждый вид ТРТ может характеризоваться терлсодиназсическими параметрами состояния.

В классической и технической термодинамике ТРТ всегда однородно по составу и изотропно, а выступающие в роли ТРТ вещества могут быть чистыми (если состоят из одинаковых частиц), могут представлять собой смеси, например атмосферный воздух, состоящий из примерно 21% кислорода и 79% азота, а также растворы или двухфазные средьс. При этом вещества должны быть однородно перемешаны, а осредненные Физико-химические свойства одинаковы по всему объему ТРТ.

В неравновесной термодинамике ТРТ может быть и неоднородным — содержать градиенты термодинамическнх параметров, иметь поверхности раздела фаз, переменный химический состав. Иначе говоря, в неравновесной терлсодиналсике физико-химические свойства и паралсетрьс сосспояния ТРТ зависят как от координат, так и от времени. 23 Глава! .

Основные понятия и определения Термодинамическое рабочее тело может состоять как из реальных частиц (атомы, молекулы, атомарные или молекулярные положительно или отрицательно заряженные ионы, электроны, кванты электромагнитного излучения и т. д.), так и из виртуальных (фононы, энситоны и т. д.). В биологической термодинамике частицы могут быть более сложными: это клетки, клеточные органеллы и макромолекулы„'в социальной термодинамике: это люди и даже хозяйственные единицы.

В термодинамических системах ТРТ могут находиться в различных агрегапгаьгх (твердых, жидких, газообразных) и фазовых состояниях. Под фазой понимается совокупность частей системы с одинаковыми свойствами и имеющих границу раздела с другими частями системы. Такое определение фазы приемлемо при отсутствии полей.

Если же система находится, например, в поле центробежных сил или она достаточно протяженна по высоте в гравитационном поле, то вдоль этих сил свойства системы могут заметно меняться. Фаза может быть чистой (содержит чистое вещество), газовой смесью или конденсированным раствором, находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Как правило, контактирующие газообразные вещества образуют одну газообразную фазу. Однако при достаточно высоких давлениях в газе возможно образование и более чем одной фазы.

Агрегатные состояния ее<цеста в случае необходимости принято отмечать подстрочными буквами, например Н О<,>, НгО< г, НгО,; Аг<е и т. д., обозначающими твердое (т), жидкое (ж) и газообразное (г) состояния. Для газообразных ве- ществ, если это не вызывает недоразу° о о о о я я мений, отметку агрегатного состояния В я л о „",", я "я обычно <шускают.

жидкое:== л —. На рис. 1.2 приведен пример термо:.масло:= Н,О<,= динамической системы, содержащей <е — Вода — ' -- различные тела в трех агрегатных и ~~гОЬ < ='.".. ШЕСТИ фаЗОВЫХ СОСтОяНИяХ. Вещества с одинаковой химической формулой, но находящиеся в разных фа- В<О,<„ Рв„> зах, имеют различные свойства.

Чтобы отличить их один от другого, вводится Рис. 1.2 1.3. Термодинамическое рабочее тело понятие иыдивидуалвыого зешества — чистого вещества в определенном фазовом состоянии. Например, твердые графит и алмаз, а также пары графита — различные индивидуальные вещества, хотя они и образованы из одного и того же химического элемента углерода (С). Из рассмотренного понятно, что ТРТ вЂ” это частный случай наиболее простой термодинамической системы, оно представляет собой однородное материальное (физическое) тело, заполняющее все пространство ТС.

Именно с помощью ТРТ происходит превращение теплоты в работу, и наоборот. Например, в компрессоре воздушно-реактивного двигателя (ВРД) ТРТ— это атмосферный воздух, в камере сгорания — химически реагирующая смесь горючего и сжатого воздуха, в турбине — газообразные продукты сгорания. Иначе говоря, по тракту ВРД термодинамические свойства ТРТ существенно изменяются. Виды ТРТ в авиации и ракетно-космической технике весьма разнообразны. Орбитальный корабль «Буран» перед полетом в космос заправляется следующими термодинамическими рабочими телами: воздухом для дыхания экипажа„питьевой и технической водой, жидким кислородом в качестве окислителя для объединенной двигательной установки, газообразным кислородом для топливных элементов, углеводородным горючим для объединенной двигательной установки, газообразным водородом для топливных элементов, жидким гелием для наддува баков объединенной двигательной установки, газообразным гелием для автоматики, газообразным азотом для автоматики и для прецизионных ракетных двигателей, твердыми топливными составами для пиросредств, элегазом (шестифтористая сера) для заполнения систем управления и пожаротуптения, кремнийорганической жидкостью для гидросистем„ жидкими и порошкообразными смесями для пожаротушения, жидкими теплоносителями для систем термостатирования и систем обеспечения теплового режима как самого корабля, так и космонавтов, пусковыми самовоспламеняющимися смесями для запуска двигателей и т.

д. Всего различных ТРТ в орбитальном корабле не менее 20 наименований. Даже обычные урина и пот, выделяемые экипажем в космосе, перерабатываются в специальных инженерных системах, а стало быть, также являются рабочими телами, термодинамические свойства 25 Глава 1. Основные понятия и определения которых необходимо тщательно изучать и умело использовать. Многие применяемые в авиации и ракетно-космической технике ТРТ представляют собой гетерогенные смеси. Только небольшая часть из них — двухкомпонентные смеси — приведена в табл. 1.1.

таблица 1,1 Особое место при рассмотрении различных рабочих тел в двигателях для космоса занимает плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и далее, резко усиливается процесс термической ионизации, т. е.

молекулы газа начинают распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Свободно заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под воздействием электрического поля, что позволяет внешним электромагнитным полям дополнительно ускорять или тормозить нх. 1.4. Термодинамическое состояние Под термодинамическим сосгпоянием системы понимается распределение материи и ее энергетических характеристик по объему системы. Кз. Термодинамические силы Состояние сис гемы называется равновесным, если после изоляции от окружающей среды в ней не наблюдается никаких изменений. При наличии изменений — система неравноееснад.

Под изоляцией понимается прекращение энерго- и массообмена между системой и окружающей средой. Нели система находится в механическом взаимодействии с внешней средой, а тепловое взаимодействие исключено, то ее называют адиабат ной. Не следует смешивать равновесное и стационарное состояния.

Последнее может быть и неравновесным, если эта неравновесность поддерживается потоками энергии или массы через границы. Неравновесность бывает пространственной, т. е. между различными точками объекта, и локальной, т. е. в одной точке. В случае пространственной неравновесносгпи в разных точках объема могут оказаться различными, например, температура, давление. При локальной неравновесности в рассматриваемой точке могут отсутствовать, например, химическое равновесие между поступательными и вращательными степенями свободы молекул. В реальных условиях равновесных в строгом смысле этого слова систем не существует.

При бесконечно малом отклонении от равновесия систему называют квазиравновесной. Однако в дальнейшем квазиравновесную систему будем для простоты называть также и равновесной. 1.5. Термодинамические силы 1 Воздействия, которые могут привести систему в неравновесное состояние, называются термодинамическими силами. Силы можно разделить на внешние и внутренние.

Внешние силы возникают при взаимодействии системы с окружающей средой, внутренние — за счет внутренних причин. Примеры внешних сил: р, Р„Р, Т, ЕР', Е", где р — нормальное к границе системы давление, Р, — касательное напряжение, Р— механическая сила, Т вЂ” термодинамическая температура, Н" — напряженность магнитного поля, .Е"— напряженность электростатического поля. 27 Глааа Ь Осноеные понятия и определения Первые три из представленных сил являются механическими, остальные — немеханическими.

Для всех сил будем использовать термин «обобщенные силы». Общее свойство сил: каждая, будучи умноженной на соответствующий ей обобщенный путь, дает значение порции энергии, Пусть Ж вЂ” число действующих на систему внешних сил. Если на систему действуют только давление и температура, то Ат = 2 и система называется простой. При наличии других внешних сил Ат ) 2 и система называется сложной. Все внутренние силы стараются изменить систему в направлении, приближающем ее к состоянию равновесия.

Эти силы можно объединить в одну внутреннюю обобщенную силу. В Общее число внешних и внутренних сил, действующих на систему, называется числом степеней свободы системы. Для неравновесной системы Я„= Ат + 1, для равновесной системы Я„= л/. 1.6.