812

А. Цельсием, по которой температура обозначается t и за единицу принимается градус Цельсия (оС).

Связь между температурами по установленным шкалам имеет вид:

В газах и жидкостях давление создается в результате воздействия структурных частиц на контрольную поверхность системы. Величина давления оценивается силой, приходящейся на единицу поверхности, при условии, что сила равномерно распределена по поверхности и направлена по нормали к ней.

Давление обозначается p, за его единицу в СИ принят паскаль (Па). Паскаль

системе, превышающее атмосферное (барометрическое), называют избыточным (ризб), а недостающее до атмосферного – разряжением (рраз). На рис. 1.1 наглядно представлена связь

Иногда используются внесистемные единицы давления: бар; мм рт.ст.; мм вод. ст.; техническая атмосфера (ат); физи-

11

ческая атмосфера (атм ). Ниже внесистемные единицы выражены через паскаль.

Очевидно, что плотность системы – величина, обратная ее удельному объему.

Массу системы и ее объем, как правило, не относят к параметрам состояния, но определенные с их помощью v и ρ являются термическими параметрами.

1.1.3. Состояние термодинамической системы

Состояние термодинамической системы описывается совокупностью термодинамических и калорических параметров, по которым можно отличить данную систему от других, а также проследить за изменениями, возникающими в системе при ее взаимодействии с окружающей средой.

Если термодинамическая система закрытая и энергоизолированная, то с течением времени внутри системы между различными ее частями прекращается обмен энергией и веществом, одноименные параметры во всех точках системы принимают одинаковое значение. Такое состояние системы называется равновесным. При невыполнении указанных условий состояние системы является неравновесным.

Понятие равновесного состояния играет в термодинамике чрезвычайно важную роль: только равновесные состоя-

12

ния термодинамических систем и их изменения могут быть количественно описаны методами термодинамики.

Для задания состояния термодинамической системы иногда используют так называемые “нормальные физические условия” (НФУ) или “нормальные технические условия”(НТУ). При нормальных физических (атмосферных) условиях значения температуры и давления равны соответственно t = 0 оС, р = 760 мм рт. ст. При нормальных технических условиях t = 15 оС и р = 735,6 мм рт.ст.

Как отдельные, так все параметры системы могут изменяться. Всякое изменения, происходящее в системе и связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров состоя-

ния, называется термодинамическим процессом.

Процесс изменения состояния системы, который может происходить в случае какого-либо взаимодействия с окружающей средой, представляет собой отклонение от состояния равновесия. Если процесс изменения состояния системы протекает так медленно, что в системе в каждый момент времени успевает установиться практически равновесное состо-

яние, то его можно назвать квазиравновесным процессом.

Степень приближения квазиравновесного процесса к чисто равновесному будет тем больше, чем медленнее изменяется состояние системы.

Равновесные процессы изменения состояния характеризуются определенными зависимостями термодинамических параметров и поэтому допускают графическое изображение.

Замкнутые (или круговые) процессы это те, при которых система, пройдя через ряд последовательных состояний, возвращается в начальное состояние.

1.1.4. Энергия термодинамической системы

Понятие энергии неразрывно связано с материей. Все, что нас окружает, что воспринимается человеком и существует независимо от него, это материя. Необходимым условием существования материи является движение. И если масса служит количественной характеристикой материи, то энергия является физической мерой ее движения.

13

Энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Исторически же сложилось так, что энергию стали классифицировать по формам движения. Механической форме движения соответствует кинетическая энергия; соединению и разложению молекул – химическая энергия; перемещению электронов в проводниках – электрическая энергия и т.д. Такое разделение энергии на виды удобно для исследования и анализа явлений природы.

Всякая термодинамическая система обладает определенной энергией, которая, независимо от конкретных форм проявления, обозначается Е. За единицу энергии в СИ принят джоуль (Дж) – производная единица, определяемая через основные величины. Джоуль – это энергия, затраченная системой при перемещении точки приложения силы 1 Н на расстояние 1 м в направлении действия силы, т.е. 1Дж = 1Н٠1 м.

Вычислить абсолютное значение энергии термодинамической системы невозможно, нет нуля отсчета энергии. Такое положение не играет существенной роли для практики, потому что при исследовании энергообмена важна не абсолютная величина энергии, а ее изменение. Для отдельных же форм энергии с целью количественной оценки их изменений в процессах устанавливается условное “начало отсчета”.

Вобщем случае энергия термодинамической системы

Евключает в себя кинетическую энергию механического движения тела или тел внутри нее Ек, потенциальную энергию системы во внешнем поле (гравитационном, электромагнитном, сил давления) Еп и внутреннюю энергию (связанную с энергией микрочастиц тел, входящих в систему) Ев:

ривают неподвижную в окружающей среде термодинамическую систему, форма и размеры которой могут изменяться. Однако может иметь место и перемещение тел или тела внутри системы со скоростью с. В большинстве случаев гравитационной и электромагнитной составляющими потенци-

14

альной энергии пренебрегают. Существенной в таких систе-

Величина pV представляет собой энергию, которую нужно было затратить для того, чтобы ввести тело объемом V во внешнюю среду, имеющую повсюду одинаковое давление p.

Внутреннюю энергию Ев в технической термодинамике обозначают U.

Таким образом, энергия системы, рассматриваемой технической термодинамикой, равна кинетической энергии, потенциальной энергии в поле сил давления и внутренней энер-

Понятие внутренней энергии системы связано с микроскопическим строением последней. Это значит, что систему нужно рассматривать как совокупность большого числа структурных частиц (молекул, атомов, ионов и т.д.). Внутренняя энергия включает в себя энергию хаотичного (теплового) движения всех микрочастиц системы, энергию взаимодействия этих частиц, энергию электронных оболочек атомов. В термодинамической системе, состоящей из идеального газа, учитывается только тепловая энергия микрочастиц, включающая энергию поступательного, вращательного и колебательного движений.

Под внутренней энергией понимают калорический параметр, характеризующий совокупность энергии теплового движения микрочастиц системы.

За единицу внутренней энергии принят джоуль.

В уравнении (1.5) внутренняя энергия U и потенциальная энергия в поле сил давления pV характеризуют физическое состояние системы, допустимо их объединить и представить в виде некоторой функции состояния – энтальпии.

Калорический параметр термодинамической системы, равный сумме внутренней энергии и энергии в поле сил давле-

За единицу энтальпии принят джоуль.

С учетом выражения (1.6) уравнение энергии термоди-

Если система неподвижна, то энтальпия равна полной энергии системы объемом V, находящейся под давлением р.

Энтальпия является одной из вспомогательных функций, использование которых значительно упрощает термодинамические расчеты. Она не может быть измерена непосредственно, а определяется, как и внутренняя энергия, только расчетным путем.

1.1.5. Теплота и работа – формы энергообмена

Обмен энергией между закрытой термодинамической системой и внешней средой или между телами внутри системы может осуществляться посредством двух качественно различных форм. Одна форма обмена энергией происходит без видимого перемещения тел и системы в целом, другая - сопровождается изменением ее размеров или расположения ее тел в пространстве.

Для процессов, изучаемых в технической термодинамике, первый способ передачи энергии может быть реализован только при хаотическом, ненаправленном движении микрочастиц внутри неравновесной системы или при обмене энергией термодинамической системы и окружающей среды, имеющих разные температуры. Такую форму называют теплообменом. Для количественной оценки теплообмена введено понятие теплоты.

Под теплотой понимают количество энергии, которой термодинамическая система обменивается с окружающей средой микроскопическим путем (теплообменом).

Обмен энергией в форме теплоты возможен и между телами внутри системы.

Теплота здесь понимается только как форма передачи энергии, и неверно говорить, что она выражает свойство системы, тем более содержится в системе. Можно говорить о теплоте, подведенной к системе или от нее отведенной, но

16

нельзя говорить об увеличении или уменьшении теплоты в той или иной системе, т.е. не следует путать теплоту и внут-

реннюю тепловую энергию.

Теплоту обозначают Q. За единицу теплоты принят джоуль. В термодинамике подводимую теплоту принято считать положительной, отводимую – отрицательной.

Вторая форма передачи энергии связана с изменением объема системы и перемещением ее в окружающей среде под воздействием различных силовых полей – гравитационного, упругостного, магнитного; поля сил давления и др. Такая форма энергообмена, реализуемая макроскопическим путем, называется работой.

Под работой понимают количество энергии, которой термодинамическая система обменивается с окружающей средой в результате макроскопического, упорядоченного, направленного движения.

Работа обозначается L, единица измерения – джоуль.

Втермодинамике работу, совершаемую системой по преодолению внешних сил, принято считать положительной,

асовершаемую внешними силами над системой - отрицательной. Работа, связанная с увеличением объема системы, называется работой расширения (Lрасш.); с уменьшением объема – работой сжатия (Lсж.).

Работа процесса

Вобщем случае термодинамическая система может совершать одновременно работу по увеличению своего объема; работу по преодолению внешних сил давления, работу по преодолению воздействия гравитационных, магнитных и других полей. Тогда техническая (полезная) работа системы с учетом правила знаков может быть выражена в виде:

работа системы; Lрасш– работа расширения; Lд–работа по преодолению поля сил давления;

17

Обратимся к выражению (1.8). Если сумма работ по преодолению гравитационных, магнитных и прочих полей принять равной нулю, то работа системы при переходе из одного состояния в другое есть работа техническая.

Правые части выражений (1.9) и (1.11) представляют собой определенные интегралы непрерывных и положительных внутри промежутка 1-2 функций. Такие интегралы имеют простое геометрическое истолкование. Так, интеграл вида

12 p(V )dV численно равен площади под кривой функции p(V), изображенной на графике, рис. 1.3, где по оси ординат отло-

функции V(p), изображенной в координатах pV, рис.1.4. Отсюда работа расширения численно равна площади, ограниченной кривой процесса 1-2, ординатами V1 и V2 и осью абс-

цисс, т.е. Lрасш = F1-2- V2 - V1-1. V1

Техническая работа численно равна площади, ограниченной кривой процесса 1-2, абсциссами p1 и p2 и осью ординат, т.е. Lтех =L 2- р2 - р1 -1.

Работа процесса зависит не только от параметров начального и конечного состояний, но и от того, по какому пути осуществляется этот процесс. Как видно из рис.1.5, работа расширения и работа техническая будут существенно различаться в процессах 1-а-2, 1-б-2 и 1-с-2. Отсюда работа как термодинамическая величина есть, прежде всего функция процесса.

19