Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К., страница 2

Гениальный ученый-материалист М. В. Ломоносов в 1740 — 1750 гг. дал понятие о материи, находящейся в вечном движении. Он утвер>кдал, что все явления в природе представляют собой разлнчные формы движения материи. О теплоте он писал «...Совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении, а так как движение не может происходить без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалось в движении материи...». В этот же период зрел>ени М.

В. Ломоносов впервые формулирует единый всеобщий закон сохранения материи и энергии — закон Ломоносова. «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимегся, столько присовокупится к другому. Так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирает<я и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое столько оныя у себя теряет, сколько сообща т другому».

Только через 16 — 20 лет после Ломоносова французский химик Лавуазье подтвердил закон сохранения материи, и только через !00 лег был окончательно утвержден закон сохранения энергии. В период 1840 †18 гг. ряд ученых приходит к частичному утверждению закона сохранения и превращения энергии и, наконец, к признанию этого закона трудами Майера, Джоуля, Гельмгольца, русских академиков Г. И. Гесса и Э. Х. Ленца. М.

В. Ломоносов был первым ученым-материалистом, который четко и ясно сформулировал закон сохранения материи и энергии, как единый фундаментальный закон природы. Во второй половине Х1Х века было окончательно установлено, что превращение энергии из одного вида в другой всегда происходит по определенным эквивалентам, т. е. исчезновение нексторого количества одного вида энергии обязательно вызывает возникновение определенного количества другого вида энергии. Закон сохранения и превращения энергии представляет собой основу, на базе которой развивалась термодинамика, и поэтому он называется первым законом или первым началом пмрмодинамики. Наблюдения за работой паровых машин показали неравноценность превращения теплоты в механическую работу и обратго.

Эти наблюдения привели гениального французского инженера Сади Карно к опубликованию в 1824 г. труда «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В этой работе С. Карно изложил основы второго закона термодинамики, окончательно установленного в 1850 г. Клаузиусом и Том=оном, Строго систематически второй закон термодинамики был обоснован Л. Больцманом, М. Смолуховским, профессором Киевского университета Н. Н. Шиллером. Отечественные ученые внесли большой вклад в дело развития основ термодинамики; были проведены большие работы по изучению теплофизических свойств веществ.

В первую очередь следует отметить работы профессора А. Г. Столетова и его современника М. П. Авенариуса, работавших в области изучения веществ в критическом состоянии. Важные работы по вопросу об упругости насыщенных паров смесей жидкостей были проведены Д. П.

Коноваловым и Л, Г. Богаевским, им же принадлежат серьезные работы по теории соответственных состояний, Исторически термодинамика развивалась как теория тепловых машин, т. е, изучались только взаимопреобразования теплоты и механической работы. Этот путь был продиктован потребностями развивающейся промышленности, нуждавшейся в мощных двцга- телях с высоким коэффициентом полезного действия.

Исследование работы тепловых двигателей было основано на применении метода круговых процессов (циклов). Теплота, необходимая для работы тепловых двигателей, получалась до последнего времени путем сжигания в возчухе твердого, жидкого или газообразного горючего (топлива) при сравнительно невысоких температурах горения (2000 — 2500' К), при которых расчет процессов превращения химической энергии в теплоту был весьма простым. можно было ограничиться экспериментальными данными о количестве теплоты, выделяемой прн сгорании ! кг горючего (теплотворность). Расчет процессов горения весьма усложнился, когда в практике стали использоваться значительно более высокие температуры горения (ЗООΠ— 4000' К), которые, например, встречаются в ракетных двигателях, Возникла необходимость более тщательных н точных расчетов преобразования химической энергии топлива (горючее + + окислитель) в теплоту продуктов сгорания, вследствие чего энергетикам потребовалось основательное изучение новой области термодинамики, а именно химической термодинамики, в которой основные законы термодинамики применяются к процессам, происходящим при превращении химической энергии исходных веществ (топлива) в теплоту (продуктов горения).

При изучении этих процессов метод круговых процессов (циклов), широко применяемый в технической термодинамике, должен быть дополнен нли заменен методом термодинамических потенциалов. После Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране широкое развитие колучили исследования в области термодинамики и других теоретических основ теплотехники. Особо следует отметить большие работы таких научных учреждений, как Всесоюзный теплотехнический институт им.

Ф. Э. Дзержинского, Центральный котлотурбинный институт им. И. Й. Ползунова, Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского ЛН СССР, Московский энергетический институт, Центральный аэрогидродвнамическнй институт и ряддругих. Были проведены экспериментально обоснованные расчеты рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания, газовых течений н разработаны теории расчета газотурбинных и ракетных двигателей. Проводились обширные исследования теплофизических свойств большого колич~став рабочих тел (вода, ртуть, холодильные агенты, жидкие горючие и окислителя).

Водяной пар, имеющий широкое применение в теплоэнергетике, исследовался весьма тщательно в больших диапазонах давлений и температур. Здесь следует выделить работы М. П. Вукаловича, В, А. Кириллина и И. Р!. Новикова в МЭИ и работы Д. А. Тимрота и Н. Б. Варгафтика в ВТИ; в результате всех этих исследований даны обширные расчетныедиаграммы и таблицы, разработаны новые методы расчета.

Знаний, которые давала существующая до сего времени классическая термодинамика, оказалось недостаточно для изучения новых сложных тепловых процессов и исследований новых рабочих тел, применяющихся в современной технике. В 50-х годах текущего столетия был разработан новый раздел термодинамики — термодинамика необратимых процессов.

Исследования, проводимые методами термодинамики необратимых процессов, позволяют изучать медленные необратимые процессы (теплопроводносгь, диффузию и др.), исследовать термозлектр зческне и термодиффузионные процессы, процессы молекулярного переноса. Термодинамика необратимых процессов позволяет значительно расширить и уточнить области применения термодинамнческих исследований. Открытие нового состояния вешества — плазмы, которая, вероятно, в ближайшем будушем будет широко применяться в некоторых областях техники благодаря ее замечательным свойствам, например злектропроводности, настоятельно требует скорейшего и тщательного изучения ее теплофизических свойств; должен развиваться новый раздел термодинамики с новыми методами гсследования — термодинамика плазмы.

Мало изучены вопросы термодинамических свойств и процессов реагирующих газовых смесей; между тем повышение температур в камерах сгорания и других аппаратах заставляет такие гвления изучать весьма основательно. Также необходимо более широкое термодинамическое изучение газовых потоков, течения диссоциированных газовых смесей, ионизированных газов и др. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА ГЛАВА ! ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ЕЕ СОСТОЯНИЕ 5 Е Основные положения и определения Предметом термодинамики является изучение законов взаимных превращений различных видов энергии, связанных с переходами энергии между телами, чаще всего в форме теплоты и работы.

Фенщягкологическая илц классическая термодинамика не связана с представлением о микроструктуре вещества, не интересуется поведением и свойствами отдельных молекул, в ней не детализируются энергетические превращения, происходящие внутри тела, недифференцируются также виды энергии, присущие телу в данном его состоянии. В термодинамике объектом исследования являются макроскопические тела, состоящие из большого числа материальных часгнц (молекул, атомов, электронов и т. п.), а в более общей постановке и почя (электрическое, магнитное, гравитационное).

Под термодина мической с и стем о й понимают макротело или совокупность тел, выделенных из материального мира и являющихся объектами исследования. Система имеетопределенные границы, отделяющие ее от окружающей среды. Зти границы могут быть как реальными (газ в резервуаре, граница раздела фаз), так и чисто условными в виде контрольной поверхности. Система может быть либо г о м о г е н н о й (однородной), обладающей одними и теми же свойствами, либо г е т е р о г е н н о й, состоящей из нескольких разнородных частей (веществ) илн веществ в различных агрегатных состояниях.

Гомогенные части гетерогенной системы, отделенные от оста.чьной ее части видимыми границами (поверхностями раздела), называются фазами. При термодинамическом методе исследования, выделяя термодинамическую систему из окружающей среды, можно оценить те воздействия, которые окружающая среда произведет на систему, либо сама система (вследсгвие происходящих в ней изменений) на окружающую среду. Эти воздействия сводятся к обмену энергией и веществом.

Независимая система, которая совершенно не взаимодействует с окружающей средой, называется изолированной. го Если система не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты, то такую систему называют теплоизолиротанной, или адиабатной. Если энергообмен между системой и окружающей средой проис- ходит в форме теплоты и механической работы, то такая система называется термомеханической Система, изолированная от окружающей среды таким образом, что не может обмениваться с ней веществом, называется закраиной, обменивающаяся веществом — открытой. Процессы превращения теплоты в работу и процессы превращения работы в теплоту, реа- лизуемые в тепловых машинах, осуществляются термодинамической системой так называемым рабочим тпалом, которое изменяет в этих процессах свое физическое состояние. В термодинамике постулируется, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние т е р м о д и и а м и- ч е с к о г о р а в н о в е с и я и никогда самопроизвольнс выйти из него не может.

Макроскопическое равновесие устанавливается в результате движения материальных частиц системы, но это же движение в со- стоянии равновесия и обеспечивает его существование. Так, равно- весное давление существует лишь при непрерывной подаче имг ульсов молекул к стенке, а постоянная температура в газе обусловлена постоянством средней кинетической энергии движущихся молекул. Если система переходит из одного состояния в другое,,о про- цесс перехода представляет собой термодинамический процесс.