teplotekhnika (Учебник по теплотехнике. Ерофеев, Семенов, Пряхин), страница 2

В2, где представлено изменение во времени экономичностиэнергетических установок. Тепловые двигатели, по-видимому, достиглиЕ, гт у.т.2515Рис. В1. Базовый прогноз мирового потребления энергииФиг-19502000Годы2050210070Рис. В2. Изменение экономичности энергетических установок:І- паровые машины Сэвери - Ньюкомена; 2 - паровые машины Уат'га; 3 -“0%50усовершенствованные паровые машины; 4 - паровые машины с тройнымрасширением пара; 5 - первые наровые турбины; 6 - двигатели внутреннего сгорания (поршневые), паровыетурбины высокого давления; 7 - топливные элементы, магнитогазоднна-30101700]17601820188019402000МИЧЄСКНЄ ЭЛЄКТрОГСНСрЄІТОрНЫС уСТЄІ-новки; 8огибаюшая кривая; 11,, КПД энергетической установки-Годыпредела своего теплотехнического совершенства, и лишь установки, ра-ботающие по схеме «первичный источник - электроэнергия», исключа-ющей преобразование теплоты в работу (топливные элементы, магнитогазодинамические электрогенераторные установки), имеют возможность существенно повысить КПД преобразования энергии.

Но создание и широкое использование таких сравнительно дешевых установок -дело достаточно отдаленного будущего. В настоящее время тепловыедвигатели вне конкуренции. Их созданию и повышению экономичностив десятки раз способствовали возникновение и развитие теплотехники науки о теплофизических основах энергетики, составными частями которой являются термодинамика и теплопередача, изучающая закономерности переноса теплоты и массы.История формирования понятий и законов преобразования энергии,создания энергетической техники имеет много ярких страниц, в том числе трагических. Примером тому - судьбы ученых и изобретателей - Сади Карно, Роберта Майера, Рудольфа Дизеля и др.

История становлениятеплотехники как науки, так же как и прикладные вопросы теплотехники, развитые в теории и конструкции различных энергетических установок, выходят за рамки данного учебника.В отличие от традиционного построения учебник дополнен изложениемособенностей получения и использования энергии на водном транспорте, экологических проблем использования теплоты и особенностейэнергосбережения на объектах транспорта.Раздел 1ТЕРМОДИНАМИКАГЛАВА 1ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙТЕРМОДИНАМИКИ1.1. Предмет, метод исследования и область примененияфеноменологической термодинамикиТермодинамику можно определить как науку о методах исследованиянаиболее общих свойств материальных тел, проявляющихся в процессахпреобразования одного вида движения материи в другой. Термодинамика занимается изучением физических процессов в макроскопических системах, т.е. в телах, содержащих огромное число микрочастиц.Термодинамический метод не опирается ни на какие модельные представления о структуре вещества; задачей метода является установление связей между непосредственно наблюдаемыми, измеряемыми в опытах величинами, т.е.

термодинамика является дедуктивной наукой, идущей от общего к частному.В основе термодинамики лежит один из наиболее общих законовприроды - закон сохранения и превращения энергии, выраженный вспецифической, присущей только термодинамике форме - в формеуравнения первого начала термодинамики, что позволяет установить непосредственную связь между физическими величинами, характеризующими влияние разнородных воздействий на материальное тело - объектисследования или на некоторую систему, в которой происходят процессы,подлежащие изучению.Вторым законом, также лежащим в основе термодинамики, являетсязакон одностороннего развития естественных (самопроизвольных) процессов, протекающих в макрообъемах веществ.Механизм протекающих процессов и явлений при этом не рассматривается, поэтому классическая термодинамика называется феноменологической наукой.Термодинамика как наука об энергии и ее превращении начала складываться в такой исторический период, когда мир физических наук ещене был озарен законом сохранения энергии, даже не были известны нитермин «энергия», ни сущность теплоты.

Сложные закономерности превращения энергии, открытие которых происходило постепенно и ценой7больших усилий, не сразу становились ясными и очевидными. Они под-вергались критике, иногда со стороны крупных ученых, и получали признание нередко через многие годы и даже десятилетия. Путь формирова-ния и развития классической термодинамики был очень непростым. Онделится условно на три этапа длительностью полстолетия каждый.Первый этап - первая половина ХІХ столетия. Происходит накопление опытных и теоретических знаний.

В 1824 г. выходит в свет эпохальный труд С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах,способных развивать эту силу». Этот год принято считать годом рождения термодинамики. Хотя нельзя не сказать, что С. Карно придерживается еше вешественной концепции теплоты. Только в последние годы онпришел к тому, что «тепло - это движение частиц тела», т.е. то, что в наше время называется энергией теплового движения. Теперь теплотой называется энергия, передаваемая под действием разности температур.Второй этап - вторая половина ХІХ столетия. Выходит в свет основополагаюшая работа Р. Клаузиуса (1822-1888) «О движущей силе теплоты...›› (1850).

Автор вводит понятие энтропии и разрабатывает второе начало термодинамики. Через 15 лет Р. Клаузиус приводит «измененноеобоснование второго начала», основанное на конкретных энергетических представлениях, путем введения «эквивалента превращения». Этаработа опередила эпоху, поэтому не могла получить достойную оценкусовременников. Она не нашла отражения ни в научной, ни в учебной литературе. И только теперь она отвечает требованиям времени.Независимо от Р.

Клаузиуса в этот период успешно занимаются исследованием термодинамики В. Томсон, Дж. Максвелл, Л. Больцман и др.К концу ХІХ столетия термодинамика, именуемая классической, закончила свое формирование. Однако новое поколение ученых испытывало неудовлетворение основами, на которых базируется термодинамика.Наступает третий этап - первая половина ХХ столетия.

Происходитпоиск таких новых аксиом, которые могли бы служить более надежнымоснованием второго начала и с большей отчетливостью определяли былогическую стройность курса. Аксиоматикой термодинамики занимались Н. Шиллер, К. Каратеодори, Н. Афанасьева-Эремфест и др. Крометого, углубляются и развиваются основные положения термодинамикиблагодаря широкому применению ее методов для анализа явлений химической и биологической энергетики.Феноменологическая термодинамика в том виде, в каком она быласоздана классиками и дошла до наших дней, представляет собой вел ичественную систему научных знаний, отличаюшуюся научной строгостьюи завершенностью логических построений.

Обладая тонким и универ-сальным методом анализа, она сыграла выдаюшуюся роль в развитии теплотехники, в частности теплоэнергетики. 0на оказалась источником8возникновения и развития многих фундаментальных наук ХХ в., точнее,источником двух научных направлений, давших две ветви наук.Первое направление. Исследуя методами второго начала термодинамики свойства черного излучения, М. Планк открыл «квант действия» исоздал тем самым квантовую механику. Это позволило Н. Бору создатьсовременную модель атома и тем самым современные представления остроении вещества. Эти достижения послужили основой для стремительного развития физической и квантовой химии, помогли биологиивыйти на молекулярный уровень и стать точной наукой из науки умозрительной и описательной.

На той же основе возникла теория квантовыхэлектромагнитных генераторов (лазеров и мазеров).Второе направление. Исследования Л. Больцманом свойств идеального газа привели его к статистической термодинамике. Развитие статистического математического аппарата и физических представлений определило возникновение математической статистики и статистической механики, теории вероятностей, теории информации и кибернетики.В развитии наук этого направления сработала «обратная связь››: в 1970 г.вышла книга по термодинамике, полностью основанная на теории информации.

Несмотря на столь значительные прогрессивные сдвиги в науке, совершенные благодаря мощному методу термодинамического анализа, возможности термодинамики еще далеко не исчерпаны. Ее метод находит всеболее широкое применение в самых различных областях науки и техники.И это понятно: являясь наукой физической, термодинамика отличается отвсех других разделов физики тем, что проникает во все ее сферы.

По первоначальному смыслу классическая термодинамика Карно-Клаузиуса-Томсона - это наука о тепловых процессах, идущих в условиях равновесия всехсил. Применение термодинамического метода к исследованию неравновесных процессов породило новое направление - термодинамику неравновесных (или необратимых) процессов, в связи с чем классическую термодинамику стали иногда называть термостатикой.Развитие физических и химических наук и использование в них термодинамических методов исследования привели к разделению термодинамики на отдельные специальные области.

Таким образом создались:физическая, или общая, термодинамика, изучающая свойства твердых,жидких и газообразных тел, а также закономерности преобразованияэнергии в различных физических явлениях (машинных, электрических,капиллярных и т.д.); химическая термодинамика, изучающая химические и физико-химические процессы, их тепловой эффект, а также свойства и поведение растворов и т.п.; техническая термодинамика, рассматривающая приложение законов термодинамики к преобразованию теплоты в работу.Далее будут рассматриваться в основном вопросы технической термодинамики и лишь элементы химической термодинамики.1.2. Термодинамическая система. Параметры и уравнениясостояния.