ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

Конспект лекцій

Термодинаміка — наука про закономірності перетворення енергії. Розділ термодинаміки, що розглядає взаємоперетворення теплової і механічної енергії, називається технічною термодинамікою.

Закони і процеси технічної термодинаміки — основа роботи теплових двигунів і інших енергетичних установок, пов'язаних з взаємоперетвореннями вказаних видів енергії, парових і газових турбін, двигунів внутрішнього згорання, парових машин, котельних установок, парогенераторів атомних електростанцій і т.д.

Одним з основних в технічній термодинаміці є поняття про термодинамічну систему, що є системою тіл, що знаходяться у взаємодії як між собою, так і з навколишнім середовищем. Простим прикладом термодинамічної системи може служити газ, що розширюється або стискається в циліндрі з рухомим поршнем.

В результаті взаємодії термодинамічної системи з навколишнім середовищем стан системи змінюється. Стосовно газу, використовуваного в тепловому двигуні як робоче тіло, зміна стану в загальному випадку виявлятиметься в зміні його температури Т, питомого об'єму v і абсолютного тиску р. Ці характерні для даної системи величини називають основними термодинамічними параметрами її стану.

Параметри стану не залежать від кількості речовини в системі і є інтенсивними властивостями речовини. Навпаки, властивості, залежні від кількості речовини в системі, називають екстенсивними.

У теплових двигунах як робоче тіло застосовуються реально існуючі гази. У технічній термодинаміці для спрощення широко застосовується поняття про ідеальний газ, під яким умовно розуміється сукупність матеріальних і цілком пружних молекул, що володіють мізерно малими об'ємами і позбавлених сил взаємодії один з одним. Для 1 кг ідеального газу рівняння стану записується у вигляді

, (1.1)

де R — газова постійна, така, що фізично є роботою, яка може бути виконана 1 кг газу при його нагріві на 1 До [].

Рівняння (1.1) називається рівнянням Клапейрона.

Для 1 кіло-моля будь-якого газу, об'єм якого згідно із законом Авогадро при і рівний , по рівнянню стану можна знайти універсальну газову постійну R»,

(1.2)

Для М кг газу рівняння (1.1) записується у вигляді:

(1.2а)

Для графічного зображення термодинамічних процесів користуються координатною системою, на осях якої відкладені абсолютний тиск і питомі об’єми —р, v-діаграма (мал. 1.1). Полягання робочого тіла в р, v -діаграмі характеризується точкою, а процес — лінією.

У р v - діаграмі зображаються процеси і стани, в яких параметри газу усередині даного об'єму однакові в усіх точках цього об'єму. Такі процеси і стани називаються рівноважними. Для здійснення рівноважного процесу його треба

Рис. 1.1. Зображення процесів в р, v-діаграмі.

проводити дуже поволі, щоб не викликати в газі переміщень, із-за яких може виникнути відмінність в параметрах газу в різних точках об'єму і рівновага усередині його маси порушиться.

Теплота - це один з видів енергії, пов'язаний з рухом і взаємодією молекул. При підводі теплоти змінюється швидкість руху молекул і загальна енергія їх взаємодії. Це у свою чергу приводить до зміни параметрів фізичного тіла.

Кількість теплової енергії dQ, підведеною до деякої маси речовини М, пропорційно цій масі і зміні температури. Тут з -масова теплоємність, чисельно рівна кількості теплової енергії, яку треба підвести dT:

(1.4)

(1.5)

до одиниці маси речовини, щоб змінити її температуру на , у деякому термодинамічному процесі, .

Величину у виразі (1.5) часто називають дійсною теплоємністю речовини.

Якщо теплоємність в термодинамічному процесі не міняється, тобто c=const, рівність (1.5а) записується у вигляді

(1.6)

Якщо в якому-небудь процесі при підведенні до робочого тіла деякої кількості теплоти dQ змінюється температура робочого тіла, а отже, його внутрішня енергія dU і здійснюється робота dL, то на підставі закону збереження енергії можна стверджувати, що різниця між підведеною до тіла тепловою енергією dQ і здійсненої ним роботи dL не зникає безслідно, а витрачається на зміну внутрішній енергії тіла

(1.7)

і так як dL=pdV, то

(1.8)

Для 1 кг робочого тіла

V, тобто (1.9)

Це положення називається першим законом термодинаміки, а рівність (1.8) і (1.9) є його математичним виразом. Таким чином, перший закон термодинаміки є окремим випадком загального закону збереження і перетворення енергії стосовно теплових процесів.

З рівності (1.7) виходить, що при dL>dQ величина dU<.0, т. е

Рис. 1.2. р, -диаграмма кругового процесу.

якщо тіло здійснює роботу більшу, ніж та кількість теплоти, яка до нього підведена, то внутрішня енергія тіла убуває. Але запас внутрішньої енергії у тіл обмежений на якомусь етапі внутрішня енергія тіла буде витрачена. Отже, не можна створити постійно або періодично діючу машину, яка споживала б теплоти менше, ніж виконала роботи, тобто вічний двигун 1 роду неможливий.