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

 ТЕМА ОСНОВИ ТЕХНІЧНОЇ ТЕРМОДИНАМІКИ 

Температура є мірою інтенсивності теплового руху молекул. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії – це ступінь нагрівання тіла, яка залежить від швидкості хаотичного руху молекул цього тіла. Тому температуру можна розглядати як міру середньої кінетичної енергії молекул. Кінетичну енергію молекул безпосередньо виміряти не можна. У зв’язку з цим для вимірювання температури використовують залежність її від певних властивостей речовини: теплового розширення, електричного опору, ємності, тощо. Залежно від необхідної точності і інтервалу температури її вимірюють за допомогою термометрів, термоопорів, термопар і оптичних пірометрів. Якщо позначати температуру, виміряну в одиницях енергії – джоулях – θ, а ту ж саму температуру, виміряну в градусах – Т, то зв’язок між ними є наступним:

 θ = кТ ,                                               (5.3)

 

де к – 1,38·10^{-23 Дж} – стала Больцмана.

к

В СІ для вимірювання температури прийнята шкала Кельвіна, де одиницею вимірювання температури с Кельвін (1 К). Поряд з нею в Європі дуже поширена шкала Цельсія. Крім них ще користуються шкалами Фаренгейта і Реомюра. Оскільки не самі значення енергії системи, а лише різниця між ними мають певний фізичний зміст, то вибір нульової точки температури є питанням зручності і тому вона вибрана за домовленістю. Це і пояснює існування декількох температурних шкал.

 

 

Таблиця 5.1

Шкали температур

Назва шкали	Умовні позначення	Температура плавлення льоду	Температура кипіння води
Кельвіна	К	273	373
Цельсія	°С	0	100
Фаренгейта	°F	32	212
Реомюра	°R	0	80

 

Співвідношення між ними: 1 °С = 1 К = 0,8 °R = 1,8 °F.

Температуру вимірюють за допомогою термометрів, термоопорів, термопар і оптичних пірометрів. Першим приладом для вимірювання температури був термометр, який виготовив Галілео Галілей ще в 1597 році.

Питомий об’єм υ – це об’єм одиниці маси речовини:

 

V

                                                                                             ^,                                    (5.4)

M

 

де М – маса однорідного тіла, яке займає об’єм V.

В СI одиницею вимірювання питомого об’єму є ^м3 . Між

кг

питомим об’ємом і густиною речовини ρ існує таке співвідношення:

 

                                                                                                  ^υ=                                     (5.5)

 

Калоричні параметри:

Кожна термодинамічна система має запас внутрішньої енергії, яка складається із енергії хаотичного руху (теплового) і взаємодії молекул. Вона є екстенсивною функцією стану системи, тобто залежить від її маси. 

Внутрішня енергія залежить від температури Т і об’єму V та є однозначною функцією цих параметрів стану:

 

                                                                                    U f(T,V)                                        (5.6)

 

Її зміна не залежить від характеру процесу, а залежить від початкового і кінцевого стану газу. Оскільки абсолютне значення внутрішньої енергії методами термодинаміки визначиш неможливо, то визначають не абсолютне значення U, а лише її зміну. Тому умовно приписують деякому стану тіла нульове значення U і відлік розрахунків ведуть від цього значення. Так, для ідеальних газів прийнято вважати внутрішню енергію при t = 0°С рівною нулю.

Повна енергія системи буде складатися із внутрішньої енергії і потенціальної енергії дії зовнішніх сил тиску. Величина, що характеризує енергетичний стан системи в цілому, називається ентальпією:

 

H U        ^{PV, Дж},                              (5.7) кг

 

де Н – величина екстенсивна, тому вводить поняття питомої

ентальпії:

 

H h m ^,                               (5.8)

 

де m – маса робочого тіла.

Ентропія – це міра цінності теплоти: його роботоздатності і технологічної ефективності.

 

                                                                                  S S ₀ к nW,                               (5.9)

 

де S₀ – початкове значення ентропії, к – стала Бальцмана, 

W – термодинамічна ймовірність, яка характеризує кількість мікростанів, які реалізуються в макросистемах.

Цим вище буде температура при однаковій кількості теплоти

Q, тобто чим менше ентропія S_ ^Q , тим теплота цінніше, тому що

T

ширше може використовуватися не лише для здійснення роботи, а і для технологічних потреб. З іншої сторони ентропія – міра втрати роботи внаслідок втрати необоротності реальних процесів. Чим більшим буде необоротнім процес, тим більше буде розсіюватися енергія в оточуючому середовищі, тим більше зростатиме ентропія.

Ентропія – міра невпорядкованості термодинамічної системи. Із зростанням невпорядкованості збільшується ентропія, розсіювання енергії. При підводі теплоти збільшується хаотичний рух молекул і ентропія зростає, а при охолодженні системи, навпаки, теплота відводиться, впорядкованість системи зростає, а ентропія зменшується. При температурі, яка прагне до абсолютного нуля, ентропія речовини, що знаходиться в конденсованому стані з впорядкованою кристалічною структурою, прагне до нуля (теорема Нерста або третій закон термодинаміки).

Теплоємність – кількість теплоти, яку треба надати або забрати в системі, щоб змінити її температуру на 1К. Залежно від способу вимірювання одиниці кількості речовини і характеру термодинамічного процесу розрізняють масову C_X  ^Q , мольну

T m

C_{ } ^Q ,та ізобарну C_p і ізохорну C_v – питомі теплоємності.

T

Для ідеальних газів справедливе рівняння Майєра:

 

C_p  C_v ^{R, Дж} ,               (5.10) кг К

 

де R – газова стала, яка залежить від природи газу і є довідниковою величиною. Вона чисельно дорівнює роботі розширення одного кілограма газу при нагріванні його за постійного тиску на один Кельвін.

Теплоємність залежить від температури (рис. 5.1), а значення її для деяких газів подано в таблиці 5.2.

Таблиця 5.2 Теплоємність деяких газів при 0 ºС

Газ	Хімічна формула	Число ступенів вільностей	Мольна теплоємність  кДж/(кмоль К)
Гелій	Не	3	12,60	1,660
Аргон	Аг	З	12,48	1.660
Кисень	О2	5	20,96	1,397
Водород	Н2	5	20,30	1,410
Азот	N2	5	20,80	1,400
Метан	CH4	6	26,42	1,315
Аміак	NH2	6	26,67	1,313
Вуглекислий	СO2	6	27,55	1,302

 газ