Теплотехника Учеб. для вузов А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт и др (Учебник (А. П. Баскаков)), страница 2

В 1983 г. на электюктьнциях страны было язрасхоповаяо максимальное ксмичество мазута 120 млн, т Часть первая ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Глава первая ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ ЕС ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕРМОДИНАМИКИ Т е р м о д и н а м и к а изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящик в макроскопических системак и сопровождающикся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов. В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т, д. Т е х н и ч ес к а я т е р м о д и н а м и к а изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она явлнется теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопические системы, термодинамика изучает закономерное~и тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа кепрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов), Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическим и термодинамическим методами. Статистический метод основан на использовании теории вероятностей н определенных моделей строения этих систем и представляет собой содержание статистической физики.

Термодинамический метод не требует привлечения модельных представлений о структуре вещества и являетсн феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — явления в целом). При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики. В дальнейшем исходя из термодинамического метода мы будем для нагляднасти использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.

Ьз. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Т е р и од н н а м и ч е с к а я с и с т е и а представляет собой совокупность мотериальнык тел, находящихсн в механическом и тепловом вэаимодействияк друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»). Выбор системы произволен и диктуетси условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют о к р уж а ю щ е й с р ед о й Систему отделяют от окружающей среды ко н т р ол ьн о й и о в е р х н о с т ь ю (оболочкой). Так, например, для простейшей системы — газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень. Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осуществляются через контрольные поверхности.

При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также электрические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет совершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодинамики, но нами в дальнейшем рассматриваться не будут). В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением обьема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой.

В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра. В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом (массообмеиное взаимодействие) . Такая система называется от к р ы т о й. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах -- примеры открытых систем. Если вещества не проходит через границы системы, то она называется з а к р ыт о й. В дальнейшем, если зто специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые системы. Термодинамическук~ систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют т с и. лоизолированной или адиаб а т н о й Примером адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной теп. ловой изоляцией, исключающей теплооб.

мен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатиой. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется и з о л и р о в а ни о й (или замкнутой) . Простейшей термодинамической системой явлиется р а б о ч е е т е л о, осуцгествляюшее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая иэ воздуха и паров бензина. !.3.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из ннх, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исчезающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом лишь при соударениях. Д а в л е н и е обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, дей.

ствующей на единицу плошади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением 2 шсэ р= — л — -, 3 2 где и — число молекул в единице обьема; гп — масса молекулы; с — средняя квадратическая скорость поступательно|о движения молекул. В Международной системс единиц (СИ) давление выражается в паскалях (1 Па=) Н/м'). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа= =1ООО Па н 1 МПа =!О' Па. Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров. 7 гпс» 3 о о (1.2) где й — постоянная Больцмана, равная 1,380662 10»' Дж/К. Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К), на практике широко применяется градус Цельсия ('С) . Соотношение между абсолютной Т и стоградусной ( температурами имеет вид Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, представляющее собой разность между пол. ным или абсолютным давлением р измеряемой среды и атмосферным давлением р„„, т е. р„„=р — р„,„. Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум- метрами; их показания дают значение разрежении (нли вакуума): р,=р,,„ — р, т.

е. избыток атмосферного давления над абсолютным. Следует отметитгч что параметром состояния явлнется абсолютное давление. Именно оно входит в термодинамические уравнения. Температурой назыеаетслфизическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства нх температур они будут обмениваться теплотой друг с другам, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрении молекулярно-кинети ческих представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества: однородное тело массой М занимает объем (т, то по определению и= )г/М.

В системе СИ единица удельного объема 1 м"/кг. Между удельным объемом вещества и его плотностью существует очевидное соотношение: и = 1/р. Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные физические условия»: р= 760 мм рт. ст,= =101,325 кПа; Т=273,15 К.

В разных отраслях техники и разных странах вводнт свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (р= =735,6 мм рт ст/=98 кПа, 1=15'С) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (р= =101,325 кПа, 1=20'С) н т.д. В данной книге, если зто не оговорено особо, будут использоваться нормальные физические условия.

Если все термодинамические пара. метры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется р а в н ов е с н ы м. Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то она является н е р а в н о в е с н о й. В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолировинная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы. 1М. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ Т = (+ 273, 15.

В промышленных и лабораторных ус. ловиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, ниро- метров, термопар и других приборов. Удельный объем о — -зто объем единицы массы вещества. Если Для равновесной термодинамической системы существует функциональнан связь между параметрами состояния, которая называется у р а в не н нем сос т о я н н я, Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление простейших систем, которыми являются газы, пары нли жидкости, связаны т е р- мическим уравнением состоя н и я вида 1(р, о, Т)=0. Уравнению состояния можно придать другую форму; Р=П (и, Т); о=)х(р, Т); Т=!з (!э, и), Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определякзщих состояние системы, независимыми являются два любых. Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния.