Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Теоретические основы теплотехники: Учебное пособие

Голосов: 4

В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена и теории горения), составляющие необходимый и достаточный объем информации для того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен отдельными, сравнительно небольшими дозами, структурированность и последовательность изложения которых диктуется внутренней логикой названных наук. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Энергообеспечение предприятий". Может быть использовано студентами других специальностей при изучении ими дисциплин теплотехнического профиля.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
            В. И. Ляшков


     ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
        ОСНОВЫ
     ТЕПЛОТЕХНИКИ




            МОСКВА
"ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"
               2005


                    В. И. Ляшков


                 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
                    ОСНОВЫ
                 ТЕПЛОТЕХНИКИ


   Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по на-
правлению подготовки дипломированных специалистов "Теплоэнергетика"


             Издание второе, стереотипное




                 МОСКВА
     "ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"
                    2005


УДК 536.7(07)
ББК    311я73-1
    Л99

                                         Р е ц е н з е н т ы:

                            Кафедра промышленной теплоэнергетики
                    Воронежского государственного технического университета,
                  Заведующий кафедрой заслуженный деятель науки и техники РФ,
                              доктор технических наук, профессор,
                                          В. В. Фалеев

                               Доктор технических наук, профессор,
                                          С. А. Улыбин

                   Настоящее издание осуществлено за счет спонсорской помощи
                                       ОАО "Тамбовэнерго",
               за что автор и ректорат ТГТУ выражают искреннюю благодарность
                         коллективу и руководству акционерного общества



         Ляшков В. И.
Л99      Теоретические основы теплотехники: Учеб. посо-
       бие.
       2-е изд., стер. М.: Изд-во Машиностроение-1, 2005.
       260 с.
         В учебном пособии лаконично и последовательно
       изложены теоретические основы теплотехники (ос-
       новы термодинамики, теории тепло- и массообмена
       и теории горения), составляющие необходимый и
       достаточный объем информации для того, чтобы в
       дальнейшем специалист мог самостоятельно углуб-
       лять знания в тех или иных областях прикладной
       теплотехники. Учебный материал изложен отдель-
       ными, сравнительно небольшими дозами, структу-
       рированность и последовательность изложения ко-
       торых диктуется внутренней логикой названных
       наук.
         Предназначено для студентов, обучающихся по
       специальности "Энергообеспечение предприятий".
       Может быть использовано студентами других спе-
       циальностей при изучении ими дисциплин тепло-
       технического профиля.
                                        УДК 536.7(07)
                                        ББК     311я73-1


ISBN 5-94275-027-0               Ляшков В. И., 2002
                                                             "Издательство Машиностроение-1", 2002


                         Мы работаем для того,
                          чтобы в Вашем доме
                          было тепло и уютно



                            "Теплосервис",
                          ООО "Энергострой"


                            Учебное издание


                     ЛЯШКОВ Василий Игнатьевич

          ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

                            Учебное пособие

                      Издание второе, стереотипное

                        Редактор З. Г. Ч е р н о в а

      Инженер по компьютерному макетированию М. Н. Р ы ж к о в а




                   Подписано в печать 17.03.2005.
        Формат 60 × 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
  Гарнитура Times New Roman. Объем: 15,11 усл. печ. л.; 16,0 уч.-изд. л.
                     Тираж 500 экз. Заказ 165М.

 "Издательство Машиностроение-1", 107076, Москва, Стромынский пер., 4

Подготовлено к печати и отпечатано в издательско-полиграфическом центре
       Тамбовского государственного технического университета,
                  392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14


                                           ОТ АВТОРА

                                         Светлой памяти моего Учителя
                   Александра Силыча Лышевского (1922 – 1981)
                   заслуженного деятеля науки и техники
                   Российской Федерации,
                   доктора технических наук, профессора,
                   посвящается этот скромный труд




   есмотря на практически прекратившееся за последние 10 лет учебное книгоиздание по техническим
Н дисциплинам, на полках библиотек хранится еще много учебников под названием "Общая теплотех-
ника", "Теплотехника" и т.п., изданных в 60–80 годы. К сожалению, неумолимое время, выдвигая новые
задачи и подходы и осваивая новые научные достижения, все более делает их малопригодными для того,
чтобы безоговорочно рекомендовать современным студентам, выбравшим благородную жизненную сте-
зю: получив специальность теплоэнергетика, отдать себя решению важнейшей общегосударственной
проблемы – предотвращению энергетического кризиса, все более надвигающегося на нашу страну.
    Поэтому автор решается опубликовать настоящий труд, согревая себя надеждами, что он сущест-
венно облегчит студентам освоение теоретических основ теплотехники, поистине безграничной науки,
изучающей принципы работы, основы конструкции и особенности расчета всевозможных машин, аппа-
ратов и устройств, в которых фигурирует тепловая энергия.
    Сегодня при организации учебного процесса особое значение придается самостоятельной работе
студентов. При этом лекционные курсы все более сокращаются, лекции чаще носят обзорный или про-
блемный характер. В такой ситуации бывает нелегко правильно отобрать и расположить учебный мате-
риал так, чтобы он отражал внутреннюю логику науки, чтобы изложение было целостным, последова-
тельным и доступным для понимания людям, только еще начинающим знакомство с этой наукой.
    Учебное пособие отражает многолетний опыт работы автора со студентами второго – третьего кур-
сов. Представляя собою последовательное и лаконичное изложение основ термодинамики, теплопере-
дачи, теории массообмена, теории горения и др., оно написано не для того, чтобы заменить собою на-
званные учебники. Скорее это первые врата в большую и интересную область научных знаний, связан-
ных с теплотехникой. Поэтому в него включен только тот учебный материал, усвоение которого необ-
ходимо для приобретения такого уровня теоретической подготовки, который позволит в дальнейшем
легко наращивать знания при последующей самостоятельной работе с учебниками, монографиями,
справочниками и т.п.
    Содержание книги неоднократно обсуждалось с коллегами по кафедре за что автор выражает им и,
особенно, официальным рецензентам свою искреннюю признательность и сердечную благодарность.

                                           ВВЕДЕНИЕ

Сегодня практически любая область инженерной деятельности во многом связана с проблемами энерго-
сбережения, разработкой, внедрением и эксплуатацией ресурсосберегающих технологий, с вопросами
трансформации и передачи энергии. Учебная дисциплина "Теоретические основы теплотехники" при-
звана вооружить будущего специалиста знаниями общих законов и основанных на этом инженерных
методик расчета процессов, возникающих при получении, трансформации и распространении в про-
странстве тепловой энергии. Структурно сюда входят три отдельные науки: "Термодинамика", "Тепло-
передача" и "Основы теории горения".
    Термодинамика изучает законы превращения различных видов энергии в тепло (и наоборот – тепла
в другие виды энергии), а также особенности физических процессов, сопровождающих эти превраще-
ния. Как самостоятельная наука термодинамика начала складываться в начале XIX века, хотя многие
принципиальные ее положения были открыты и сформулированы еще ранее в рамках общефизической
теории. Среди основоположников и ученых, внесших наибольший вклад в развитие термодинамики, мы
встречаем известные имена: М. В. Ломоносова, который в работе "Размышления о причинах тепла и хо-
лода" (1744 г.) предложил единую теорию теплоты и строения вещества, сформулировав законы сохра-
нения массы и энергии, Д. Джоуля,        В. Томсона, Р. Клаузиуса, С. Карно, Г. Гесса, Л. Больцмана,


В. Гиббса, М. П. Вукаловича, А. А. Гухмана и др. Подробно об истории развития термодинамики и вклад
отдельных ученых в эту науку можно прочитать в интересной книге [1]. За более чем стопятидесятилет-
нюю историю своего развития эта наука приобрела методологически безупречные формы и строгую ак-
сиоматику, так что сегодня ее заслуженно называют классической термодинамикой.
    Термодинамика не имеет собственного предмета изучения, в отличие, например, от биологии, изу-
чающей живые организмы, или геометрии, изучающей плоские фигуры. Это наука методологического
плана, вооружающая нас специфическим методом исследования, основу которого составляет рассмотрение
любых процессов материального мира сквозь призму установленных термодинамикой основных законов
природы.
    Теплопередача, а точнее теория тепло- и массообмена – это наука, которая изучает процессы рас-
пространения тепла (или массы, поскольку выявлена явная аналогия таких процессов) в пространстве.
Процессы распространения тепла в пространстве, при всем их многообразии, и являются предметом
изучения этой науки. Основные понятия и законы теории теплопереноса также были сформулированы в
рамках общефизической теории на заре ее бурного развития. Например, основы аналитической теории
теплопроводности были заложены Ж. Фурье еще в 1822 году. В середине XIX века были сформулиро-
ваны основы теории подобия, а в 1915 году она впервые была применена В. Нуссельтом для исследова-
ния процессов теплообмена. Несколько раньше О. Рейнольдс применил ее при изучении гидродинами-
ческих процессов, высказав идею об аналогии между отдельными тепловыми и гидродинамическими
явлениями.
    Как самостоятельная наука теплопередача сложилась в начале          XX века, и особенно бурно она
стала развиваться в послевоенные годы. Здесь решающий вклад был внесен нашими соотечественника-
ми, среди которых выделяются работы академиков В. М. Кирпичева, М. А. Михеева, С. С. Кутателадзе,
Г. Н. Кружилина и др.
    Отвечая на новые запросы, выдвигаемые современной практикой, наука эта продолжает бурно раз-
виваться, все в большей мере осваивая новые области приложения (атомная энергетика, космическая тех-
ника и др.), расширяя и уточняя свои подходы и методы решения возникающих проблем. И сегодня
большой вклад в дальнейшее развитие этой науки вносят такие авторитетные ученые как академики А. И.
Леонтьев,         В. П. Скрипов, А. Г. Шашков и профессора Г. Н. Дульнев, Г. А. Дрейцер, С. П. Рудобаш-
та и др., а также научная молодежь, посвящающая свои диссертационные работы решению отдельных ак-
туальных теоретических и практических задач.
    В основах теории горения рассматривается механизм химической реакции горения, раскрытый Но-
белевским лауреатом академиком            Н. Н. Семеновым и его последователями, а также физические
особенности процессов горения при различных условиях сжигания наиболее распространенных топлив.
Здесь же дается методика технических расчетов горения.
    Отметим еще одну важную особенность всех этих трех наук: они ориентированы на конкретную
инженерную практику и всегда доводят свои выводы и заключения до однозначных практических ре-
комендаций и расчетных методик.
    Бурное развитие компьютерной техники и информационных технологий вооружает исследователей
мощнейшим инструментарием, позволяющим сравнительно просто проводить численное моделирова-
ние изучаемых явлений. Именно такой подход к решению многих вопросов теплопередачи становится
сегодня одним из основных, поскольку при этом заметно сокращаются трудовые и финансовые затраты
на решение поставленной задачи.
    Совершенно ясно, что без глубоких знаний по всем трем этим разделам нашей учебной дисциплины
невозможна успешная инженерная деятельность, и поэтому изучению теоретических основ теплотехники
придается все возрастающее значение, особенно для будущих специалистов, непосредственно связанных с
теплоэнергетикой.
                        1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

                            Принципы термодинамики бросают
                            яркий свет на все явления природы
                                                                                           Д. Максвелл

                    1.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

                             1.1.1 Основные термины термодинамики


                                                  О
кружающий нас мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи
называют энергией. Чаще всего мы встречаемся с механической и тепловой формами движения мате-
рии. В первом случае движение связано с перемещением в пространстве макрообъемов материи, а во
втором – с движением только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения энергии в ре-
зультате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой.
    Тело или группу макротел, энергетические свойства которых подлежат изучению, называют термо-
динамической системой. Все остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют ок-
ружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если кон-
трольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, то систему на-
зывают открытой, если же такой обмен невозможен, – систему называют закрытой. Закрытые системы
проще и именно с них начинают изучение основ термодинамики.
    Одну из аксиом термодинамики составляет ее нулевое правило: всякие изменения в системе возмож-
ны только в результате взаимодействия с окружающей средой. Априорно принимая это положение, мы
исключаем из объектов анализа многие биологические системы, обладающие способностью самопроиз-
вольных изменений.
    Состояния и свойства системы характеризуются рядом физических величин. При взаимодействии с
окружающей средой некоторые из них изменяются, и их называют параметрами состояния системы.
Другие же величины при этом практически не меняют своего численного значения и их называют фи-
зическими константами. Физконстанты характеризуют свойства вещества, заполняющего систему, а па-
раметры состояния – особенности состояния этого вещества. Примеры параметров: р, Т, V (давление,
температура, объем); примеры физконстант: ср, r (теплоемкость, теплота парообразования).
    Систему называют однородной, если параметры ее не изменяются в пространстве, и равновесной,
если они не изменяются по времени. Нулевое правило термодинамики иногда формулируют и так: при
отсутствии внешних воздействий система рано или поздно приходит к однородному и равновесному
состоянию.
    Параметры состояния можно разделить на две группы. Потенциалами p называют такие параметры,
разница которых в среде и системе является движущей силой взаимодействия. При pнi = pвi взаимодей-
ствие i-го рода невозможно. Взаимодействие в принципе возможно только при pнi ≠ pвi . Примеры по-
тенциалов: р, Т, Е (электрический потенциал). Координатами xi называют такие параметры, изменение
которых в системе свидетельствует о протекании взаимодействия. Если dxi ≠ 0 , то взаимодействие со-
вершается, при dxi = 0 взаимодействие не совершается даже при наличии необходимой разности потен-
циалов (из-за наличия частичной или полной изоляции системы). Примеры координат: V, m (при хими-
ческих взаимодействиях), число электрических зарядов, протекающих при электрических взаимодейст-
виях и др. Вдумчивый анализ позволяет обнаружить для любого типа взаимодействий и потенциал, и
координату состояния.
    По аналогии с математической теорией поля в термодинамике принято следующее правило знаков
для потенциалов: разность pнi − pвi считается положительной (т.е. pнi > pвi ), если при этом возникает
процесс взаимодействия с возрастанием соответствующей координаты состояния ( dxi > 0 ).
    Координату теплового состояния называют энтропией. Сложность этого параметра в том, что он
носит статистический характер и не обнаруживается непосредственным опытом или измерениями. Эн-
тропия системы определяется вероятностью ее состояния. Под вероятностью состояния системы пони-
мают число способов, которыми можно достичь данного состояния, начиная от некоторого первона-
чального. Поэтому вероятность состояния системы в числовой форме отражает меру хаотичности рас-
положения элементов, ее составляющих. Минимальной частицей макромира является молекула. Значит,
вероятность состояния характеризует степень упорядоченности (или беспорядка) распределения моле-
кул в объеме термодинамической системы. Л. Больцман показал, что величина энтропии пропорцио-
нальна вероятности состояния W и определяется формулой S = k lnW , где k – постоянная Стефана-
Больцмана (одна из универсальных физических констант).
    При подводе тепла к системе растет интенсивность теплового движения молекул, растет и степень
хаотичности распределения их в пространстве. Значит при этом численно возрастают и W, и S. При отво-
де тепла все происходит наоборот: энтропия S уменьшается.
    Заканчивая параграф, отметим, что изложенный подход при введении понятия об энтропии сложил-
ся сравнительно недавно. Для более подробного изучения этот раздела термодинамики можно пореко-


мендовать только учебные пособия [2] или [3], поскольку в большинстве учебников и пособий это изла-
гается несколько по-другому, на основе подхода, предложенного Р. Клаузиусом.

                                       1.1.2 Первый закон термодинамики в общем виде

                                                                                           Отыщи всему начало, и ты многое поймешь
                                                                                                                        К. Прутков

  ервый закон термодинамики устанавливает количественные соотношения при трансформации различ-
П ных форм энергии друг в друга. Пусть некоторая термодинамическая система (см. рис. 1.1) обладает
способностью совершать одновременно несколько видов взаимодействий с окружающей средой, на-
пример, механическое, тепловое, химическое и др. В результате такого сложного взаимодействия, при
котором из среды в систему (или наоборот) передаются потоки энергии разных видов ∆Е1, ∆Еi, …, ∆Еn..
               Окружающая среда         Энергия системы, будем называть ее внутренней энергией, изме-
                Контрольная поверхность нится на величину ∆U. В соответствии с законом сохранения энер-
                                   ∆E1 гии (энергия не исчезает и не возникает вновь, количество ее всегда
                                      .
                     ∆Q           1
                                      .
                                      .
                                        остается постоянным) сумма всех изменений энергии равняется ну-
             Термодинамическая        . лю. Поэтому
                         система                       .                                                                     n
          ∆Q n         ∆U
                                                       .
                                                       .
                                                                                                                     ∆U +   ∑ ∆Ei = 0 .   (1.1)
                                      ∆Q i                                                                                  i =0
                                                   ∆Ei
               . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
         ∆En                          К сожалению, формулу (1.1) нельзя использовать в инженерной
                                  практике, ибо не поддаются измерениям входящие в нее величины.
       Рис. 1.1 Сложное взаимо- Действительно, величину U невозможно измерить, потому что из-
       действие между окружаю- вестно лишь философское определение энергии и нет ее инженер-
                                  ного определения (определены лишь отдельные формы энергии).
Величины ∆Еi невозможно измерить потому, что не оговаривается однозначно окружающая среда (из-
вестна лишь одна ее граница – контрольная поверхность). Так что при попытке реализовать формулу
(1.1) мы попадаем в деликатную ситуацию, знакомую из детской сказки: "Пойди туда, не знаю куда, из-
мерь то, не знаю что".
     Чтобы определиться, введем понятие о количестве воздействия данного рода ∆Qi , называя так ко-
личество энергии определенного вида, полученное (или отданное) системой при взаимодействии со
средой. Согласно такому определению ∆Qi = −∆Ei . Поскольку система описана однозначно, считается,
что любые измерения в ней возможны, включая и те, которые позволяют определять величины ∆Qi . Те-
перь формула (1) принимает вид
                                                                                       n                            n
                                                                                  dU + ∑ (−∆Qi ) = 0 или dU = ∑ ∆Qi .                     (1.2)
                                                                                      i =1                         i =1
   Обычно в термодинамике проводится анализ бесконечно малых взаимодействий, поэтому от конеч-
ных приращений ∆U и ∆Qi перейдем к бесконечно малым dU и ∆Qi . Тогда формулу (1.2) перепишем так
                                                                                                    n
                                                                                              dU = ∑ d Qi                                 (1.3)
                                                                                                   i =1
и сделаем заключение: изменение внутренней энергии определяется суммой количеств воздействий, со-
вершенных при взаимодействии. На ряде простых примеров рассмотрим, как определяются количества
воздействия dQi при различных видах взаимодействий.
    Первый пример (см. рис. 1.2): пружина, нагруженная внешней силой Fн. Здесь потенциалом является
сила Fн, а координатой – величина линейной координаты х. Если внешний потенциал Fн изменить на не-
которую величину dF, то произойдет механическое взаимодействие, при котором координата х изменится
на величину dx (см. рис. 1.2, б). При таком взаимодействии количество воздействия – это механическая
работа, совершаемая пружиной:

                                  средняя сила путь
                                         d Q = −dLмех = −0,5 [Fн + ( Fн + dF )] dx = 0,5 [Fв + ( Fв + dF )] dx =

                                                           = Fв dx + 0,5 dFdx .


           было            Пренебрегая вторым слагаемым, как величиной второго порядка малости, ви-
            p,         дим, что количество воздействия определяется произве-      дением внутреннего
            V                        в
                       потенциала F на изменение координаты состоя- ния dx.
                  а)
            x              Рассмотрим теперь взаимодействие в деформационной системе, представ-
         стало         ляющей собою цилиндр с подвижным поршнем (см. рис. 1.3). Координатой со-
       P + dp,         стояния здесь является объем системы, а потенциалом, если учесть принятое ра-
       V + dV          нее правило знаков для потенциалов, давление, взятое с обратным знаком p = − p .
        х – dx   б)
                       Допустим, что давление pн увеличивается на dp. Тогда возникает взаимодействие
                       между системой и средой, в результате которого поршень переместится на вели-
       Рис. 1.3 Де- чину -dx, а давление в системе возрастет на dp и наступит новое равновесие со-
стояние (см. рис. 1.3, б). Как и в предыдущем примере количество воздействия при деформации систе-
мы – это механическая работа, совершаемая над системой при взаимодействии со средой:

                                                          объем
                            d Q = dLмех = 0,5 [ pв + ( pв + dp )] S (− dx ) = − p dV − 0,5 dp dV .
                        средняя сила         путь



    И опять в результате мы получили произведение внутреннего потенциала на изменение координаты
(учитывая, что Sdx = dV , dp dV = 0 ).
                             Рассмотрим еще один пример, анализируя электрическое взаимодействие в
        U
                 R
                        простейшей электрической цепи (см. рис. 1.4). Потенциалом здесь является на-
                        пряжение U источника тока, а координатой – число электрических зарядов Q,
             A          протекающих в цепи. Количеством воздействия в данном случае является работа
                        электрического тока Q = Lэл = U i τ , где i – ток, равный по определению числу
      Рис. 1.4 Про- электрических зарядов, протекающих в единицу времени i = ∆Q/τ и значит
      стая электри- Q = U ∆Q . Говоря о бесконечно малом процессе, из предыдущей формулы полу-
       ческая цепь чим d Q = U dQ .
    Обобщая результаты рассмотренных примеров, сделаем следующее заключение: количество воз-
действия данного рода определяется произведением внутреннего потенциала на приращение соответст-
вующей координаты:

                                                       d Qi = pi d xi .

       Таким образом, первый закон термодинамики (формулу (1.3)) в развернутом виде можно записать
так:

                                                                                        n
                                                                                dU =   ∑ pi d xi .                (1.4)
                                                                                       i =1



    В абсолютном большинстве случаев величины потенциалов и координат достаточно легко измеряются на
практике (исключая энтропию).

                                    1.1.3 Термомеханическая система

                                                                                        Каждый молодец на свой образец.
                                                                                                    Русская пословица

  ермомеханической системой называют систему, в которой одновременно могут протекать тепловое и
Т механическое взаимодействия. Они находят самое широкое распространение на практике, являясь
основой теплоэнергетических установок, холодильной техники, компрегирующего оборудования и
многих других технологических устройств. В общем случае такая система содержит: источник тепла,


расположенный в окружающей среде, расширительный элемент (например, цилиндр с поршнем, турби-
ну и др.), механическое устройство, приемник тепла в окружающей среде (см. рис. 1.5). Вещество, за-
полняющее систему, называют рабочим телом. Обычно в качестве рабочего тела используются воздух,
газовые смеси в идеальногазовом состоянии, водяной пар, пары различных органических соединений и
т.п. Обладая хорошей сжимаемостью и большим тепловым расширением, они являются термодинами-
чески благоприятными по сравнению с другими жидкими или твердыми веществами.
     Источник и приемник тепла могут работать непрерывно или периодически, и это позволяет с помощью
термомеханической системы реализовать различные виды машин. Пусть, например, рабочее тело получает
от источника Q1 тепла, а отдает приемнику Q2, несколько меньшее, чем Q1. Тогда разница Q1 – Q2 пойдет на
нагрев рабочего тела. В результате теплового расширения рабочего тела давление в цилиндре будет возрас-
тать, создавая силу, которая переместит поршень несколько вправо. При этом система совершит работу, ко-
торая с помощью механического устройства передается в окружающую среду. Таким образом, мы смодели-
ровали работу теплового двигателя, с помощью которого тепло трансформируется в работу.
     Термомеханическая система позволяет реализовать и обратную трансформацию. Представьте, что
источник и приемник тепла первоначально были отключены (Q1 = Q2 = 0). Если с помощью механиче-
ского устройства подвести к системе работу, так, чтобы поршень переместился влево, сжимая рабочее
тело, то в результате взаимодействия внутренняя энергия и температура рабочего тела возрастут. Вклю-
чим теперь приемник тепла и позволим рабочему телу охлаждаться до первоначальной температуры.
Тогда рабочее тело отдаст приемнику Q2 тепла, а его внутренняя энергия получит прежнее значение.
Значит, нам удалось преобразовать подведенную работу в тепло.
     Таким образом, термомеханическая система позволяет трансформировать тепло в работу (и наобо-
рот).
     Потенциалами такой системы являются -р и Т, а координатами, соответственно V и S. Первый закон
термодинамики (формула (1.4)) в этом случае запишется так

                                                                 dU = TdS − pdV .                  (1.5)
Или в сокращенной форме

                                                                  dU = dQ − dL,                    (1.6)


где dQ и dL – обозначения тепла и работы за элементарный процесс взаимодействия.
     Последняя формула позволяет легко понять и ту, известную из школьного курса физики, формули-
ровку, которая утверждает невозможность вечного двигателя. Действительно, чтобы двигатель работал
вечно, внутренняя энергия его рабочего тела не должна изменяться       (т.е. у вечного двигателя dU =
0). Тогда видно, что не подводя тепла (dQ = 0), мы не получим и работы (dL = 0 – 0 = 0). Ту часть тер-
модинамики, которая изучает процессы в термомеханических системах, называют технической термо-
динамикой, подчеркивая тем самым значение полученных в ней выводов и расчетных методик для
очень многих технических устройств.

                                   1.1.4 Внутренняя энергия газа

                                               Э
нергию, заключенную в системе, ранее мы назвали внутренней и представляем ее как сумму всех видов
энергии, которой обладают все частицы, заполняющие систему. Говоря о газах, хотя в определенной
мере это приемлемо и для жидкостей, и для твердых тел, отметим, что величина U определяется кине-
тической энергией молекул Eкин при их поступательном, вращательном и колебательном движениях, а
также энергией межмолекулярного силового взаимодействия – потенциальной энергией молекул Епот:

                                             U = Eкин + Eпот .
     Кинетическая энергия молекул зависит от средней скорости движения и массы молекул, которые
пропорциональны, соответственно, макропараметрам Т и р (температура и плотность) газа. Величина
Епот зависит от среднего расстояния между молекулами и их массы; межмолекулярное расстояние при
прочих равных условиях определяется давлением газа р. Поэтому можно записать
                                     Eкин = f1 (T , ρ) и Епот = f2 ( p, ρ) ,



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика