ГР 34 ТМ -Ф Основи гідравліки і теплотехніки ТЕМА ОСНОВИ ТЕХНІЧНОЇ ТЕРМОДИНАМІКИ

  

Технічна термодинаміка досліджує загальні закономірності перетворення теплоти в роботу і навпаки. Вона встановлює взаємозв’язок між тепловими, механічними і хімічними процесами, які проходять в теплових і холодильних машинах, вивчає процеси, які проходять в газах і водяній парі, а також властивості цих тіл при різноманітних фізичних умовах.

Вивчення внутрішніх процесів переходу до стану рівноваги і їх закономірностей базуються на двох основних дослідних положеннях, що називаються першим і другим законами (початком) термодинаміки. Ці закони базуються на закони збереження і перетворення енергії, який має дві взаємопов’язані сторони:

–               кількісну – незнищуваність руху матерії, що можна виміряти в певних одиницях;

–               якісну – схильність до перетворення її в інші форми руху. 

Перше начало термодинаміки є застосуванням до теплових явищ загального закону природи – закону перетворення і збереження енергії. Друге начало термодинаміки встановлює умови протікання і спрямованість мікроскопічних процесів в системах, що складаються із великої кількості частинок. 

Об’єктами дослідження в термодинаміці є різні термодинамічні системи. Термодинамічними системами називається сукупність матеріальних тіл, що знаходяться в енергетичній взаємодії між собою і оточуючим середовищем. Термодинамічною системою може бути окремо взяте макротіло. Термодинамічна система, що не може обмінюватися енергією з оточуючим середовищем називається ізольованою. Однорідна система, що складається з однієї фази, називається гомогенною, яка може перебувати у твердому, рідкому і газоподібному стані. Система, що складається з декількох гомогенних частин, які мають поверхні розділу, називаються гетерогенними.

Під термодинамічною рівновагою розуміють таку рівновагу системи, яка перебуває в незмінних зовнішніх умовах, тобто без віддачі і акумулювання енергії: у всіх точках її об’єму тиск і температура будуть однаковими.

Рівноважним станом термодинамічної системи називається такий стан, який не змінюється без зовнішнього енергетичного впливу в часі. Параметри рівноважного стану всієї маси тіла однакові і рівні відповідним параметрам оточуючого середовища.

Послідовна зміна стану термодинамічної системи, яка відбувається внаслідок енергетичної взаємодії термодинамічних систем з навколишнім середовищем, називається термодинамічним процесом. Будь-який процес зміни стану системи є відхилення з стану рівновага. Процес, який протікає настільки повільно, що в системі в кожний момент установлюється рівновага, називається рівноважним. Якщо ця умова не витримується, процес називається нерівноважним.

Оборотним називають такий термодинамічний процес, який може відбуватися через ті самі рівноважні стани як у прямому, так і зворотному напрямках, без будь-яких залишкових змін у системі. Для того щоб процес був оборотнім, треба, щоб він був рівноважним. Процеси, які не відповідають цим умовам, називають необоротними. 

Коловим процесом або циклом називається такий послідовний процес, здійснивши який робоче тіло повертається, в початковий стан. Термодинамічний цикл, як і процес, може бути оборотним і необоротним. 

Перетворення теплоти в механічну роботу здійснюється у теплових двигунах, де робоче тіло знаходиться в газоподібному стані. Таким чином, робочим тілом теплових машин є газ або водяна пара. В цілому гази умовно поділяють на ідеальні та реальні. Ідеальний газ – це газ, коли нехтують розмірами молекул і силами міжмолекулярної взаємодії. В реальних газах ці фактори враховуються і також газ можна розглядати як пару певної рідини, яка знаходиться далеко від стану “зрідження”, а пара – значно ближче до нього.

Макроскопічні величини, які характеризують фізичні властивості тіла в даний момент, називаються термодинамічними параметрами стану. До основних параметрів стану, які можна виміряти простими технічними засобами, відносять абсолютний тиск Р, абсолютну температуру Т і питомий об’єм .

Додатково до цього існують ще калоричні параметри стану:

внутрішня енергія U, ентальпія h, ентропія S.

Абсолютний тиск є середнім результатом силової дії молекул на стінки посудини і чисельно дорівнює силі, яка діє на одиницю площі поверхні по нормалі до неї:

 

F

                                                                                         P S ^,                                  (5.1)

 

де F – сила взята по нормалі до поверхні при умові рівномірного розподілу зусиль по ній; S – площа поверхні.

Розрізняють барометричний (атмосферний), манометричний тиск і вакуум або розрідження. Барометричний – це тиск навколишнього середовища, який вимірюють за допомогою барометрів. Манометричний тиск – це такий тиск, який перевищує барометричний, і вимірюють його манометрами. Якщо тиск нижчий за барометричний, то його називають вакуумом або розрідженням і вимірювання здійснюють за допомогою вакууметрів. Слід відзначити, що параметром стану робочого тіла є абсолютний тиск, який визначають таким чином:

 

                                                   Pабс. Pб P ;Pм абс. Pб Pвак ,                                                    (5.2)

 

де P_б ,P_м ,P_вак – відповідно покази барометра, манометра, вакууметра. Слід мати на увазі, що у всі формули термодинаміки входять абсолютний тиск, виражений у паскалях. Це пояснюється тим, що надлишковий тиск або розрідження при одному і тому ж абсолютному тиску можуть мати різні значення залежно від величини барометричного тиску.