Лекци@01-Введение [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF)), страница 6

1.1,б представлена схема сложной термодинамической системы с четырьмя степенями43свободы: деформационной, термической, электрической и магнитной. Рабочим телом этой системыявляется газ с диэлектрическими ипарамагнитными свойствами(например, кислород). Его энергиюможно изменить сжатием, подводомтеплоты, изменением электрическогозаряда на поршнях 4, являющихсяодновременно обкладкамиконденсатора, и намагничиванием вовнешнем магнитном поле.В технической термодинамикеобычно рассматриваются простые(термодеформационные) системы.Характер взаимодействия междутермодинамической системой иокружающей средой зависит такжеот свойств контрольной поверхности.Система называется закрытойРис 1.1.

Термодинамические системы:(замкнутой), если контрольнаяа – с 2 степенями свободыповерхность непроницаема длявещества, т. е. между системой иб – с 4 степенями свободысредой отсутствует обмен массой(рис. 1.1, а). Открытой система называется в том случае, когда при взаимодействии черезконтрольную поверхность переходит вещество.Частным случаем открытой системы является так называемая проточная система, когда на однихучастках контрольной поверхности вещество входит в систему, а на других — выходит из нее.Термодинамическая система называется изолированной, если контрольную поверхность немогут пересекать ни потоки вещества, ни потоки энергии.Это понятие является научной абстракцией, так как идеальной изоляции не существует.

Практическиидеальна деформационная изоляция газа (газ в жестком сосуде или в цилиндре с закрепленнымпоршнем). Существуют также способы создания весьма совершенной тепловой изоляции. Системы,44находящиеся в тепловой изоляции и потому не обменивающиеся с окружающей средой теплотой,называются адиабатными.Состояние термодинамической системы, параметры и функции состоянияСостояние термодинамической системы.

Совокупность физических величин, по которым можноотличить данную систему от других, а также проследить за изменениями, возникающими в системе приее взаимодействии с окружающей средой, характеризует состояние термодинамической системы.Опыт показывает, что в изолированной системе с течением времени прекращается видимыймакроскопический обмен энергией и пошитом между различными ее частями и системаприхоти в состояние, которое называется равновесным.Понятие равновесного состояния играет в термодинамике чрезвычайно важную роль:только равновесные состояния термодинамических систем и их изменения могут бытьколичественно описаны методами классической термодинамики.Параметры и функции состояния.

В качестве характеристик состояния системы используютсялишь такие физические величины, значения которых не зависят от предыстории системы, т. е. оттого, по какому «пути» система пришла в данное состояние, какие изменения она претерпела до этого.Физические величины, значения которых однозначно определяются состоянием системы инe зависят от ее предыстории, называются параметрами состояния или функциямисостояния системы.При одинаковых состояниях одинаковые системы имеют равные значения одноименных параметровсостояния. Часто параметрами состояния называют лишь те величины, которые имеют простуюфизическую природу и могут быть непосредственно измерены. Такими величинами являются,например, температура, давление, плотность вещества, напряженность электрического поля и т.

п.Функциями состояния в этом случае называют величины более сложной природы, недоступные дляпрямого измерения. Они могут быть выражены через параметры состояния, которые в таких случаяхиспользуются в качестве аргументов в функциональных зависимостях. Например, значение энергииидеального газа можно вычислить, если известна его температура. Вместе с тем следует подчеркнуть,что понятия параметр состояния и функция состояния в принципе равнозначны.45Внутренняя энергия термодинамической системыТа часть полного запаса энергии термодинамической системы, которая не связана сположением системы в поле внешних сил и с ее движением относительно тел окружающейсреды, называется внутренней энергией термодинамической системы.Координаты термодинамического состояния ипотенциалы взаимодействийКоординаты термодинамического состояния. Как правило, при взаимодействии какого-либорода в системе одновременно изменяются значения нескольких параметров состояния.

Однако опытпоказывает, что среди параметров состояния всегда имеется один (и только один) такой параметр,изменение которого в так называемых равновесных процессах вызывается взаимодействием толькоодного определенного рода. Именно наличие таких параметров состояния, однозначно связанных ссоответствующим родом взаимодействия, и дает возможность отличать одни взаимодействия от других,различать между собой разные формы обмена энергией.Параметры состояния, обязательно изменяющиеся при наличии взаимодействия данногорода и не изменяющиеся под влиянием взаимодействия иных родов, называютсякоординатами термодинамического состояния.Координатой деформационного состояния однородного рабочего тела является его объем.Значение электрического заряда тела является координатой электрического состояния системы,изменяющейся в результате электрического взаимодействия.

Признаком наличия магнитноговзаимодействия является изменение координаты магнитного состояния — намагниченности тела.Если рабочее вещество системы является твердым телом или же система представляет собойнекоторый механизм, то обмен работой при деформации системы оказывается связанным с изменениемне объема, а геометрических координат точек приложения сил и моментов. В механике такиекоординаты называют обобщенными. В термодинамике, по аналогии, также используют этот термин.Значительно сложнее было выявить величину, которая является координатой термического(теплового) состояния системы, т. е.

найти такой параметр, изменение которого следует считать 46признаком изменения состояния термодинамической системы в результате передачи энергии вформе теплоты. Затруднения эти были вызваны тем, что физическая величина, являющаясякоординатой термического состояния системы, не оказывает воздействия ни на органы чувствчеловека, ни на измерительные приборы, т. е. величина эта оказалась неизмеряемой. Причинойневозможности измерить эту величину является хаотичность, ненаправленность тепловогодвижения материи, не способного оказать направленное силовое воздействие на чувствительныйэлемент прибора.Глубокий анализ тепловых взаимодействий термодинамических систем привел немецкогофизика Р. Клаузиуса в 1852 г. к выводу о том, что существует функция состояния, изменениекоторой (в равновесных процессах) однозначно связано с количеством энергии,передаваемым в форме теплоты.

Эти функции состояния была названа Клаузиусомэнтропией.Энтропия является параметром состояния, выполняющим роль координаты термическогосостояния термодинамической системыПотенциалы взаимодействий. Другую важную для термодинамического анализа группу величин,характеризующих состояние системы, составляют так называемые потенциалы термодинамическихвзаимодействий.Потенциалом взаимодействия некоторого рода называется параметр состояния,различие значений которого между системой и окружающей средой на контрольнойповерхности приводит к возникновению взаимодействия данного рода, т.е. к передачеэнергии в данной форме между системой и окружающей средой.При равенстве потенциалов в системе и окружающей среде соответствующее взаимодействиеотсутствует.

Например, при равенстве внешней и внутренней сил не возникает деформации, приравенстве электрических потенциалов невозможно электрическое взаимодействие, равенствотемператур исключает передачу энергии в форме теплового взаимодействия. Наоборот, наличиеразности указанных величин на контрольной поверхности является необходимым условиемвозникновения в неизолированной системе процессов деформации, электрической работы,теплообмена.Потенциалами термодеформационной термодинамической системы являются: длятеплового взаимодействия — термодинамическая температура, для деформационного 47механического взаимодействия - давление.Единицы термодинамических величинПрименяемые в термодинамике макроскопические (феноменологические) величины принято делитьна калорические и термические, интенсивные и экстенсивные, полные и относительные.Калорическими называют термодинамические величины, выражаемые в единицах энергии.

Такимивеличинами являются сама энергия, количество теплоты, количество работы, энтропия и др.Термическими являются величины, физический смысл которых не связан непосредственно спонятием энергии и которые выражаются через температуру, силы, размеры и т. п. Термическимивеличинами являются, например, температура, давление, коэффициент термического расширения и др.Интенсивными называют величины (параметры состояния), значения которых не изменяются, еслирассматривать какую-либо часть системы, отделив ее (мысленно) от системы. Примерами интенсивныхвеличин являются температура, давление, напряженность силового поля и вообще все потенциалывзаимодействий.Экстенсивными или аддитивными (суммируемыми) называют величины, значения которыхпропорциональны количеству вещества, находящемуся в данной части системы или во всей системе.Экстенсивными величинами являются внутренняя энергия, количество энергии, передаваемой привзаимодействии (т.

е. работа, количество теплоты), энтропия, объем и др. Если системарассматривается состоящей из отдельных частей, то значение экстенсивной величины для системыравно сумме значений этой величины для всех частей.Если термодинамическая система физически однородна во всех своих частях (гомогенна), то удобновсе расчеты проводить для некоторой единичной части этой системы. В зависимости от того,какие единицы используют для выделения такой единичной части, различают: удельные величины,отнесенные к 1 кг вещества; объемные величины, отнесенные к 1 м3 вещества; молярные величины,отнесенные к 1 кмоль вещества.481 бар = 105 Па1 кал = 4,19 Дж1эрг =10-7 Дж1 эВ = 1,6*10-19 Дж = 11600 К1 Дж = 1 Вт*с1 мм.рт.столба =133,3 Па1 физ.атм.

= 1,0133*105 Па1 техн.ат. =1 кгс/см2 = 98,1 кПа1 мм.вод.ст. = 9,81 ПаtF=9/5t+32T=t+273.15Магнитная постоянная: µ0=4π*10-7 Гн/м=12,6*10-7 Гн/мЭлектрическая постоянная: ε0=8,85*10-12 Ф/мПостоянная Авогадро: NA=6,02*1023 моль-1Атомная единица массы: 1 а.е.м=1,66*10-27кгУниверсальная газовая постоянная: R=8,31 Дж/(моль*К)Постоянная Больцмана: k=1,38*10-23 Дж/КПостоянная Фарадея: F=96,5*103 Кл/моль49Молекулярная масса (атомная масса)Молярная массаКоличества веществаКонцентрация молекулM=m01 mc12µ = M ⋅10−3кгмольN mν==Na µNn=V50Дольные единицыДольностьПриставка10-1Обозначениерусскоемеждународноедецидd10-2сантисс10-3миллимm10-6микромкм10-9нанонn10-12пикопp10-15фемтофf10-18аттоааКратные единицыКратностьПриставка101Обозначениерусскоемеждународноедекадаda102гектогh103килокk106мегаММ109гигаГG1012тераТТ1015петаПP1018эксаЭE51МНОЖИТЕЛИ И ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕСЯТИЧНЫХКРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ И ИХ НАИМЕНОВАНИЙОбозначение приставкиМножительПриставкамеждун.русское1018эксаEЭ1015петаPП1012тераTТ109гигаGГ106мегаMМ103килоkк102гектоhг101декаdaда10-1дециdд10-2сантиcс10-3миллиmм10-6микроµмк10-9наноnн10-12пикоpп10-15фемтоfф10-18аттоaа52Контрольные вопросы•••••••••••••••••Внутренняя энергия (определение, формула и физический смысл)Термодинамическая система, степени свободы системыОткрытая, закрытая и изолированная термодинамическая системаФункции (параметры) состояния, координаты состоянияТермодеформационные и сложные системыПотенциал взаимодействияОсновные определения.Постулат существования термодинамического равновесияФеноменологическая термодинамикаСтатистическая термодинамикаПять универсальных принципов термодинамикиПредмет термодинамикаПервый закон термодинамикиВторой закон термодинамикиТретий закон термодинамикиВиды энергии и формы обмена энергиейЕдиницы термодинамических величин53Список литературы.Теплотехника.