Лекци@01-Введение [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF)), страница 5

Техническая термодинамикадает возможность построить теорию тепловых машин, составляющих основу современной энергетики.Химическая термодинамика представляет собой приложение общих термодинамических положенийк явлениям, в которых процессы обмена энергией сопровождаются изменениями химического составаучаствующих тел.Термодинамика как наука характеризуется своим специфическим методом описания изучаемыхявлений. Главные особенности термодинамического метода состоят в следующем.1.Термодинамический метод построен на использовании небольшого числа обобщенныхзакономерностей, установленных в результате накопления и научного анализа огромного количестваопытных фактов, что позволяет рассматривать эти закономерности как объективные законыприроды.Эти обобщенные закономерности были сформулированы в форме так называемых законов или трехначал термодинамики.Первый закон термодинамики вытекает из всеобщего закона сохранения энергии,выраженного в специальных термодинамических понятиях, и обеспечивает возможностьсоставления баланса энергии в термодинамических процессах.Второй закон термодинамики устанавливает условия для взаимного превращенияработы и теплоты, а также указывает определенную направленность изменения,39возникающих во всех реальных процессах обмена энергией.Третий закон термодинамики объясняет поведение веществ при температуре,стремящийся к абсолютному нулю.Иногда к числу законов термодинамики относят также существование термического равновесиямежду телами, имеющими одинаковую температуру (так называемый «нулевой» закон термодинамики).2.Для описания процессов обмена энергией и свойств различных тел в термодинамике используютсяфизические понятия и величины, не связанные с существующими представлениями о микроскопическом(молекулярном, атомарном и т.

д.) строении материи. Эти величины могут быть либо непосредственноизмерены, либо вычислены по термодинамическим соотношениям с использованием измеренныхвеличин. Они характеризуют итоговые результаты действия огромного числа микрочастиц вещества,когда влияние каждой отдельной частицы становится неразличимым. Подобного рода величиныназываются макроскопическими, феноменологическими, или термодинамическими в отличие отмикроскопических, характеризующих поведение отдельных молекул, атомов и других частиц.Примерами феноменологических величин являются температура, давление, плотность.В конце XIX в.

стала развиваться так называемая статистическая термодинамика, являющаясяразделом статистической физики. В статистической и термодинамике свойства макроскопических телвычисляются исходя из модельных представлений о строении вещества (идеальный газ рассматриваетсякак совокупность невзаимодействующих частиц, твердое тело — как идеальная кристаллическаярешетка и т. п.).

Поведение элементарных частиц описывается методами классической либо квантовоймеханики, а макроскопические свойства получают статистическим усреднением действия всех частиц,составляющих тело. Статистический метод позволяет проникнуть в физическую сущность изучаемыхявлений и вычислить значения физических свойств конкретных веществ. Однако правильность такихрасчетов зависит от того, насколько совершенна используемая физическая модель строения веществаи как точно известны величины, характеризующие поведение и свойства микрочастиц.

Поэтомурезультаты статистической термодинамики также требуют экспериментального подтверждения.3.Термодинамический метод не является абсолютно универсальным. Область его приложенияограничивается указанными ранее особенностями. С одной стороны, в силу своей феноменологичноститермодинамические методы исследования можно применять только к макроскопическим телам, т. е.состоящим из весьма большого числа элементарных частиц.

С другой стороны, количество этих тел илиих совокупностей должно быть ограниченным. Выводы термодинамики нельзя распространять набесконечную Вселенную, так как основные положения термодинамики сформулированы в результате40наблюдения явлений лишь в ограниченной ее части.Виды энергии и формы обмена энергиейФормы движения материи и виды энергии. Первой формой, изученной наукой качественно иколичественно, была механическая форма движения, состоящая в изменении пространственногорасположения макроскопических тел. К середине XIX в. были изучены тепловая, электрическая,химическая, магнитная и другие формы движения и найдены количественные меры для каждой изних.

При этом установлено, что передача движения oт одних тел к другим может происходитькак без изменения, так и с изменением формы движения. В первом случае уменьшениедвижении некоторой формы в одном теле сопровождается таким же увеличением движениятой же формы в другом (принцип сохранения движения). Во втором случае уменьшениедвижения некоторой формы в одном теле приводит к увеличению в другом теле движенияиной формы (принцип превращения движения).Энергия — общая количественная мера для всех форм движения материи, способныхпревращаться одна в другую.В связи с этим в качестве характеристики вида движения используют понятие вида энергии(кинетическая, гравитационная, химическая, электрическая энергия и др.). Следует иметь в виду, чтоэнергия «данного вида» не является чем-то, что передается от одних тел к другим в своем неизменномкачестве.

При передаче движения может происходить как исчезновение прежней, так и появлениеновой формы движения, но при этом энергия как общая мера любых форм движения едина по своейсущности, она не создаваема и неуничтожима.Особую роль в термодинамике играет понятие теплового движения материи.Тепловым движением называют хаотическое механическое движение большой совокупностимикрочастиц, составляющих макроскопические тела.В отличие от прочих видов движения (механического, электрического и др.), характерных как длямакроскопических тел, так и для элементарных частиц, понятия тепловое движение и тепловаяэнергия имеют смысл только для большой совокупности микрочастиц.От понятия вид энергии следует отличать понятие форма передачи энергии (или способ обменаэнергией).Передача движения (энергии) от одних тел к другим происходит в результате взаимодействия этихтел.

Современная физика различает четыре фундаментальных вида взаимодействия: электрическое,41гравитационное, ядерное и слабое. Во всех явлениях неастрономических и неядерных масштабов намикроскопическом уровне проявляется лишь одно из них — электрическое. Однако макроскопическиепроявления этого взаимодействия весьма разнообразны, и именно они определяют многиенаблюдаемые формы движения материи и соответствующие виды энергии.

Так, например, явленияупругости обусловлены электрическим взаимодействием между одноименно заряженнымиэлектронными оболочками соседних атомов твердого тела, электромагнитное излучение нагретоготела — электрическим взаимодействием между ядрами и их электронными оболочками, химическиеизменения — электрическим взаимодействием ядер и электронных оболочек различных химическихэлементов и т. д.В ходе развития науки об энергии было, однако, установлено, что нее видытермодинамических взаимодействий, т.

е. все формы обмена энергией, сводятся к двумпринципиально различным способам: совершению работы и теплообмену.Работа. Передача энергии в результате макроскопического, упорядоченного, направленногодвижения называется работой.Количество передаваемой при этом энергии называют работой процесса или просто работой.Простейшим, наиболее наглядным видом работы является механическая работа, совершаемаямеханической силой, которая перемещает в пространстве макроскопическое тело или некоторуючасть тела.

Кроме того, существуют различные виды немеханических работ. Так, электрическаяработа совершается, когда некоторое количество носителей электрического заряда переносится вэлектрическом поле (при течении тока по проводнику, накоплении зарядов на обкладках конденсатораи т. д.). При совершении магнитной работы происходит организованный, соответствующийориентации магнитного поля поворот в пространстве всех элементарных магнитов, присутствующих внамагничиваемом материале.Общим для всех видов работы свойством является принципиальная возможность ихполного количественного преобразования друг в друга.Теплообмен. Передача энергии в результате теплообмена не связана с какими-либо направленнымиперемещениями макроскопических количеств материи.

Передача энергии происходит под воздействиемхаотического, т. е. теплового, движения микрочастиц, составляющих макроскопические тела. Для этогомежду телами должен существовать так называемый тепловой контакт, осуществляемый либонепосредственным соприкосновением тел, либо переносом энергии беспорядочных электромагнитных42колебаний, а тела должны иметь различную температуру.Передача энергии в результате обмена хаотическим, ненаправленным движениеммикрочастиц называется т е п л о о б м е н о м, а количество передаваемой при этомэнергии — количеством теплоты, теплотой процесса и теплотой. Существуетмножество различных форм движения материи и соответственно множество различныхвидов энергии.

Однако имеется лишь два принципиально различающихся способа передачиэнергии (формы обмена энергией): работ и теплообмен .Термодинамические системы, окружающая среда ивзаимодействия между нимиТермодинамической системой называется та совокупность макроскопических тел, котораяявляется объектом термодинамического анализа в каждом конкретном случае.Объектом изучения в технической термодинамике часто является какое-либо вещество, выполняющееглавную функцию в тепловой машине: пар, продукты сгорания топлива, сжатый газ и т. п. Такое веществоназывается рабочим телом (рабочим веществом, агентом) машины и рассматривается как частныйслучай термодинамической системы.Тела, не входящие в состав изучаемой термодинамической системы, объединяются общим понятием«окружающая среда».

Границу между термодинамической системой и окружающей средой называютконтрольной поверхностью. Это условное понятие; лишь в ряде случаев контрольная поверхностьможет совпадать с некоторой реальной физической поверхностью. Например, для газа в цилиндреконтрольная поверхность совпадает с внутренними поверхностями поршня и цилиндра (рис. 1.1, а).На контрольной поверхности происходит взаимодействие термодинамической системы иокружающей среды, которое состоит в передаче энергии или вещества в систему или из нее.Конкретный способ или форму передачи энергии называют родом взаимодействия, аколичество различающихся между собой родов взаимодействия, к которым по своейфизической структуре способна данная система,— числом термодинамических степенейсвободы системы.Системы обладающие двумя степенями свободы (термической и деформационной),называют простыми или термодеформационными.На рис.