Термодинамика - наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений внесли Р. Клаузиус (1822-1888), Дж. Максвелл (1831-1879), Л. Больцман (1844-1906), У. Томпсон (1824-1907) и др. Все тепловые процессы связаны с превращением энергии, описание которых составляет одну из основных задач термодинамики. Для описания состояния тела в термодинамике используют следующие функции: температура, давление, объём, энтропия , а также термодинамические потенциалы. Фактор времени не интересует термодинамику, т.к. с её точки зрения молекулы самого разреженного газа когда-нибудь да столкнутся.

1. Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики)

Во-первых , утверждает существование качественных видов энергии (потенциальной, кинетической, механической, тепловой, электромагнитной и т.д.) и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга; во-вторых , указывает, что в любых процессах, происходящих в замкнутых системах (т.е. системе, не обменивающейся ни веществом, ни энергией с окружающим миром), численное значение энергии остается постоянным во времени, т.е. невозможность ее исчезновения или возникновения.

Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты (Q), сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии DU и на совершение телом работы А (Q = DU + А).

Потенциальная и кинетическая энергия переходят друг в друга при движении тел в поле силы тяжести, в колебательном движении тел, например, при колебании маятника. В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия превращается в тепловую и кинетическую энергию.

Закон сохранения механической энергии проявляется при движении тел в поле тяжести, падении тел в поле тяжести, при упругом соударении тел, в свободном колебательном движении тел (движение маятника), аннигиляции.

Если закон сохранения энергии выполняется во всех химических процессах, во всех явлениях природы, то закон сохранения иногда выполняется точно, а иногда приблизительно. Например, в химии масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Однако в физике, электрон и позитрон, каждый из которых обладает массой, могут аннигилировать в фотоны, не имеющие массы покоя.

В термоядерных реакциях выполняются закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, закон сохранения лептонного заряда, закон сохранения адронного заряда. Закон сохранения энергии и закон сохранения импульса регламентируют превращение вещества в поле и наоборот.

Первый закон термодинамики отрицает возможность вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Вечный двигатель первого рода предполагает работу без извлечения энергии из окружающей среды. Нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу больше подводимой к ней извне энергии.

2. Закон рассеяния энергии.

Всякая система стремится перейти к состоянию термодинамического равновесия, в котором тела обладают одинаковыми температурами и давлением. Все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Это приводит нас ко второму началу термодинамики: тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым; или тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие тепловые процессы в любой системе полностью прекращаются. Эго приводит к тепловой смерти системы. Данное утверждение справедливо для замкнутых систем. Этот закон характеризует рост энтропии во времени.

Из-за наличия сил трения часть энергии всегда уходит в тепло (или внутреннюю энергию) и перевести эту энергию обратно в более удобные для практического использования формы оказывается очень трудно. Поэтому вечный двигатель второго рода, работающий за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел маловероятен, т.к. необратимые макроскопические процессы очень сложно повернуть вспять. Вечный двигатель второго рода - это своеобразный «холодильник, не потребляющий, а вырабатывающий электроэнергию». В настоящее время на практике пока доказана только возможность осуществления агрегатов, собирающих энергию из окружающей среды. Так, в космонавтике, широко используются тепловые насосы, использующие тепловую энергию окружающего пространства.

Существует еще вечный двигатель третьего рода - механизм, демонстрирующий вечное движение при отсутствии трения. Механизмы, приближающиеся к идеальным уже также созданы, например, это - сверхпроводящие агрегаты, сверхтекучие жидкости и т.д. Таким образом, только вечные двигатели 1-го рода не созданы и не используются в технике. Можно предположить, что заявленные «успешные» вечные двигатели 1-го рода на самом деле являются лишь скрытыми двигателями 2-го рода, источник получения, перекачки энергии которого - неизвестен. Хотя двигатели 2 и 3 рода успешно апробированы, сам термин «перпетуум мобиле» на практике до сих пор используется как «неосуществимый» или «бредовый», т.к., во-первых, ничего не берется ниоткуда, во вторых, все, что имеет начало - имеет конец, понятие «вечный» в данном контексте понимается весьма условно.

Мировые технические корпорации борются с энтропией путем повышения КПД . Если для двигателя считается 70 % очень хорошим КПД, итальянский экономист Вильфредо Паретто в 1897 году сформулировал правило эффективности человека, согласно которому 20% усилий приносят 80% результата.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты (связанной с неупорядоченным движением) и работы (связанной с упорядоченным движением). Неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную форму энергии. Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия. Энтропия (мера рассеяния энергии) - это функция состояния системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой системе. В замкнутой системе энтропия стремится к максимуму.

Направление тепловых процессов определяется законом возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы может только возрастать; максимальное значение энтропии замкнутой системы достигается в равновесии: DS ≥ 0 (где S - энтропия). Приведенное утверждение считается количественной формулировкой второго закона термодинамики.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии (однонаправленность всех самопроизвольных процессов).

Так в середине XIX в . закон сохранения и превращения энергии приобрел права всеоб-щего закона природы, объеди-няющего живую и неживую природу. Первое начало термоди-намики кратко формулируют так: «Энергия сохраняется», или: «Тепло, полученное систе-мой, идет на приращение ее внутренней энергии и на произ-водство внешней работы». То, что именно энергия сохраняет-ся, а не теплота, стало одним из основных научных достижений. Понятие энергии позволило рас-сматривать все явления природы и процессы с единой точки зре-ния, объединить все явления.

Впервые в науке абстрактное по-нятие заняло центральное место, оно пришло вместо ньютоновой силы, соответствующе чему-то ося-заемому, конкретному, хотя и облаченному Ньютоном в математи-ческие одежды. Понятие энергии прочно вошло в нашу жизнь. Ему нет единого определения, но чаще всего под энергией понимают способность тела совершать работу. В середи-не прошлого века лорд Кельвин признал, что силы могут исчезать и возникать, а энергия не уничтожается. Это понятие соответствовало и религиозным взглядам Кальвина , он считал, что Творец в самый момент творения мира наделил его за-пасом энергии, и этот божественный дар будет существовать вечно, тогда как эфемерные силы подвержены многим превратностям, и с их помощью в мире ткет-ся ткань явлений преходящих.

Современная наука не отвергает взгляды Кельви-на , но не отрицает и существования атомов как носителей энергии. Первое начало требует сохранения энергии изолированной систе-мы, но не указывает направления, в котором процессы могут про-исходить в природе. Это направление указывается вторым началом, вторым постулатом термодинамики. Совместно с первым они позво-ляют установить множество точных количественных соотношений между различными макроскопическими параметрами тел в состояни-ях термодинамического равновесия или около него. Кроме того, вто-рой постулат вводит определенность температурной шкалы, не свя-занную с рабочим веществом термометра и его устройством.

Из-за энтропии трагедия большой истории состоит не в том, что какие-то плохие, корыстные и глупые люди толкают человечество в нежелательном направлении, а в том, что оно двигается в этом направлении вопреки воле и желаниям хороших, бескорыстных и умных людей.

3. Третье начало термодинамики

Касается свойств веществ при низких температурах и утверждает невозможность охлаждения вещества до -273° С (температура абсолютного нуля).

Абсолютно низкую температуру, предсказал еще М. Ломоносов , первый исследователь низких температур. Северный ученый впервые сумел заморозить ртуть и искусственно получить очень низкую температуру (-65° С).

Закон в формулировке Планка гласит, что энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю. На самом деле невозможно непосредственно измерить абсолютную величину энтропии. В настоящее время с использованием лазерного охлаждения атомов добиваются охлаждения - 10 -7 10 -9 К.

Термодинамика , основанная на трех началах и не требующая детального знания о строении вещества, дает представления об основных закономерностях бытия большого числа природных систем: к свойствам газов, жидкостей и твердых тел, к химическим реакциям, к магнитным и электрическим явлениям. Они приложимы к грандиозным космическим процессам и даже явлениям социальной жизни. Ее выводы неоспоримы и незыблемы.

Грядущий кризис энергоносителей заставляет уже сейчас искать новые способы получения и направления энергии. Коренным вопросом будущего является переход от энергии потребления к энергии дарения. Энергия потребления подчиняется законам термодинамики: ничто ниоткуда не берется, за все нужно платить. Поэтому отношения должны быть основаны на расчете. Так мы приходим к точке «замерзания» человеческих отношений. Энергетика будущего должна быть основана на заботе и любви. Ее парадоксальная характеристика такова, что чем больше мы отдаем, тем больше получаем.

Первый закон термодинамики – изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенной к системе из вне и работе внешних сил действующих на нее:∆ U = Q + A .

Аналитические выражения :

Через внутреннюю энергию и работу: dq = du + pdV

Через энтальпию: dq=dh-Vdp

Второй закон термодинамики применительно к циклам. Энтропия.

- Теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратное состояние.

- Не вся теплота полученная от теплоотдачи, может перейти в работу, а только ее часть. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник.

Энтропия – это параметр состояния рабочего тела устанавливающий связь между количеством теплоты и температурой. S = Ms измеряется вДж/К.

Аналитически энтропия определяется следующим образом: dS =сигма q / T .

Круговые термодинамические процессы (прямые и обратные циклы). Цикл Карно. Термический КПД цикла.

Прямой цикл

Обратный цикл

Ɛ= q 2/ l ц= q 2/(q 1- q 2), Ɛ- холод. Коэф.

Работа совершаемая из вне.

Невозможная самопроизв. Подача тепла от холодного к горячему.

Цикл Карно - идеальный термодинамический цикл. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Работа совершаемая самой системой.

Теплоемкость. Определение С p и Cv и связь между ними.

Теплоемкость – кол-во теплоты, которое необходимо сообщать телу, чтобы изменить его на 1 градус. физическая величина , определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ , полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT.

- При постоянном обьеме,равная отношению кол-ва теплоты подведенной к телу в процессе при постоянном обьеме, к изменению температуры тела.

- При постоянном давлении, равная отношению кол-ва теплоты, сообщаемой телу в процессе при постоянном давлении, к изменению температуры телаdT.

Связь - Понятие теплоёмкости определено как для веществ в различных агрегатных состояниях (твёрдых тел, жидкостей, газов), так и для ансамблей частиц и квазичастиц (в физике металлов, например, говорят о теплоёмкости электронного газа).

Водяной пар как рабочее тело, p - v , T - s , h - s диаграммы.

Водяной пар является рабочим телом большинства тепловых механизмов. Газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере.

1-2 нагрев воды до кипения

2-3 парообразование

3-4 перегрев пара

1-2 нагрев

2-3 кипение(парообразование)

3-4 перегрев

ВНП- влажный насыщщеный пар

диаграмма водяного пара для паровых процессов и циклов теплоэнергетич установок.

Основные хар-ки водяного пара: насыщенный и перегретый пар, теплота парообразования.

Насы́щенный пар - это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава . Он имеет температуру зависящую от давления среды в которой происходит процесс кипения.

Перегре́тый пар - пар , нагретый до температуры, превышающей температуру кипения при данном давлении. Перегретый пар используется в циклах различных тепловых машин с целью повышения их КПД . Получение перегретого пара происходит в специальных устройствах - пароперегревателях .

Теплота парообразования вещества - количество теплоты, необходимое для перевода 1 моля вещества в состояние пара при температуре кипения. Измеряется в Джоулях.

Термодинамические процессы идеальных газов. Классификация, уравнение состояния, значение показателя “ n ” в обобщающем уравнении pv ^ n = const для основных процессов.

Основные процессы идеальных газов:

Изохорный (протекающий при постоянном обьеме)

Изобарный (при постоянном давлении)

Изометрический (при постоянном t)

Адиабатный (процесс, при котором отсутствует теплообмен с окружающей средой)

Политропный (удовлетвор. уравнение pv^n=const

Уравнение состояния: pv = RT или pv / T = P

pv ^ n = const ; показатель политропы может принимать любое значение от

Термодинамический анализ процессов в компрессорах.

Терм. анализом компрессора является определенная работа, затрачиваемая на сжатие рабочего тела при заданных начальных и конечных параметрах. Обычно в компрессорах осуществляется политропное сжатие с показателем политропы n=1,2.

Виды и количественные хар-ки переноса тепла. Понятие теплоотдачи и теплопередачи.

Теплопрово́дность - это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).

Конве́кция (от лат. convectiō - «перенесение») - явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н.естественная конвекция , которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. Вынужденная – Сама вызывает движение среды.

Тепловое излучение – передача тепла с помощью электро магнитных колебаний с различной длиной волны. Актуально при высоких температурах.

Колич. Хар-ки.

[Дж] – кол-во тепла

[Дж/с] – тепловой поток

[Вт/м^2] – плотность теплового потока

Теплоотдача – передача тепла от среды к стенке или от стенки к среде.

Теплопередача – суммарная передача тепла от одной среды к другой.

Уравнение теплопроводности для плоской стенки. Физический смысл коэффициента теплопроводности.

Температура изменяется только в направлении по оси х.

Q=λ/толщ.стенки * (tст1 – tст2) F * τ

λ – коэф.теплопроводности матер.стенки

tст1 – tст2 – разность t поверх. стенки

F – поверхность стенки

Тау – время.

Λ – коэф-т теплопроводности [Вт/м*К] – характеризует скорость передачи тепла.

Конвективный теплообмен: закон Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи и факторы, флияющие на его величину.

Конвективный теплообмен – обмен тепловой энергии между поверхностью твердого тела и окруж. ее средой.

Закон Нью́тона - Ри́хмана - эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.

Кол-во теплоты перед конвенцией рассчитывается по ур-ию теплоот. Ньютона-Рихмана Q=aF(tст – tж) а – коэф. теплоотдачи.

коэффициент теплоотдачи- плотность теплового потока при перепаде температур на 1K, измеряется в Вт/(м²·К).

Он зависит:

от вида теплоносителя и его температуры;

от температуры напора, вида конвекции и режима течения;

от состояния поверхности и направления обтекания;

от геометрии тела.

Виды критериальных уравнений конвективного теплообмена. Физический смысл критериев подобия Nu , Re , Gr , Pr .

Nu = αl/λ Nu = f(Re1 * Pr) - критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью(газом);

Ест: Nu = f(Gr1*Pr) → Nu = C(Gr*Pr)^n

Вын: Nu = C * Re^n * Pr^m * (Prж/ Pr ст) Re = w·l/v , w – м/с, v – кинет. Вязкость, м/с, l – хар-ка разницы - критерий Рейнольдса , характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа); Gr = gl 3 /ν 2 * β(tст – tж) ; β= 1/Т - критерий Грасгофа(естественная конвекция) , характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей; Pr = (М ·c p)/λ; М – динамика вязкости; Ср - теплоемкость - критерий Прандтля , характеризует физические свойства жидкости (газа);

l – определяющий размер (длина, высота, диаметр).

Термодинамика первоначально возникла как наука о превращениях теплоты в работу. Однако законы, лежащие в основе термодинамики, имеют настолько общий характер, что в настоящее время термодинамические методы с большим успехом применяются для исследования многочисленных физических и химических процессов и для изучения свойств вещества и излучения. Как уже отмечалось в § 79, при изучении свойств и процессов превращения вещества термодинамика не вдается в рассмотрение микроскопической картины явлений. Она рассматривает явления, опираясь на извлеченные из опыта основные законы (начала). По этой причине выводы, к которым приходит термодинамика, имеют такую же степень достоверности, как и лежащие в ее основе законы. Последние же являются обобщением огромного количества опытных данных.

Основу термодинамики образуют ее два начала. Первое начало устанавливает количественные соотношения, имеющие место при превращениях энергии из одних видов в другие. Второе начало определяет условия, при которых возможны эти превращения, т. е. определяет возможные направления процессов.

Первое начало термодинамики утверждает, что количество тепла, сообщаемое системе, затрачивается на приращение внутренней энергии системы и совершение системой работы над внешними телами:

или в дифференциальной форме:

(104.2)

(см. (83.2) и (83.4)).

Первое начало иногда формулируется следующим образом: невозможен перпетуум мобиле (вечный двигатель) первого рода, т. е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получаемая им извне энергия.

Всякий двигатель представляет собой систему, совершающую многократно некий круговой процесс (цикл). Пусть в ходе цикла рабочее вещество (например, газ) сначала расширяется до объема а затем снова сжимается до первоначального объема (рис. 104.1). Чтобы работа за цикл была больше нуля, давление (а следовательно, и температура) в процессе расширения должно быть больше, чем при сжатии. Для этого рабочему веществу нужно в ходе расширения сообщать тепло, а в ходе сжатия отнимать от него тепло.

Совершив цикл, рабочее вещество возвращается в исходное состояние. Поэтому изменение внутренней энергии за цикл равно нулю. Количество тепла, сообщаемого рабочему телу за цикл, равно где - тепло, получаемое рабочим телом при расширении, - тепло, отдаваемое при сжатии. Работа А, совершаемая за цикл, равна площади цикла (см. § 84). Таким образом, выражение (104.1), написанное для цикла, имеет вид

Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной. Как следует из (104.3), не все получаемое извне тепло используется для получения полезной работы. Для того чтобы двигатель работал циклами, часть тепла, равная должна быть возвращена во внешнюю среду и, следовательно, не используется по назначению (т. е. для совершения полезной работы). Очевидно, что чем полнее превращает тепловая машина получаемое извне тепло в полезную работу А, тем эта машина выгоднее. Поэтому тепловую машину принято характеризовать коэффициентом полезного действия (сокращенно к. п. д.), который определяется как отношение совершаемой за цикл работы А к получаемому за цикл теплу

Приняв во внимание соотношение (104.3), выражение для к. п. д. можно записать в виде

Из определения к. п. д. следует, что он не может быть больше единицы.

Если обратить цикл, изображенный на рис. 104.1, получится цикл холодильной машины. Такая машина отбирает за цикл от тела с температурой количество тепла и отдает телу с более высокой температурой количество тепла Над машиной за цикл должна быть совершена работа А. Эффективность холодильной машины характеризуют ее холодильным коэффициентом, который определяют как отношение отнятого от охлаждаемого тела тепла к работе А, которая затрачивается на приведение машины в действие:

Второе начало термодинамики, как и первое, может быть сформулировано несколькими способами. С одной из формулировок мы познакомились в § 103. Она заключается в утверждении о том, что энтропия изолированной системы не может убывать:

Клаузиус сформулировал второе начало следующим образом: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому. Не следует представлять дело так, что второе начало вообще запрещает переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому. В холодильной машине как раз совершается такой переход. Однако этот переход не является единственным результатом процесса. Он сопровождается изменениями в окружающих телах, связанными с совершением над системой работы А.

Покажем, что совершаемый в изолированной системе воображаемый процесс, противоречащий второму началу в формулировке Клаузиуса, сопровождается уменьшением энтропии. Тем самым мы докажем эквивалентность формулировки Клаузиуса и статистической формулировки второго начала, согласно которой энтропия изолированной системы не может убывать.

Предварительно сделаем следующее замечание. Допустим, что некоторое тело обменивается теплом с другим телом, которое мы будем называть тепловым резервуаром. Пусть теплоемкость резервуара бесконечно велика. Это означает, что получение или отдача резервуаром конечного количества тепла не изменяет его температуры. Протекающий в теле процесс, сопровождающийся обменом теплом с резервуаром, может быть обратимым только в том случае, если в ходе этого процесса температура тела будет равна температуре соответствующего резервуара. В самом деле, если, например, тело получает тепло от резервуара с температурой имея температуру, меньшую чем то при протекании того же процесса в обратном направлении тело сможет вернуть резервуару полученное от него тепло в том случае, если его температура во всяком случае не ниже чем

Следовательно, при прямом и обратном ходе процесса температура тела будет различна, тело проходит в обоих случаях через различные последовательности состояний (характеризующиеся неодинаковыми температурами), и рассматриваемый процесс будет необратимым.

Таким образом, процесс, сопровождающийся теплообменом, может быть обратимым только в том случае, если, получая тепло и возвращая его при обратном ходе резервуару, тело имеет одну и ту же температуру, равную температуре резервуара. Строго говоря, при получении тепла температура тела должна быть на бесконечно малую величину меньше температуры резервуара (иначе тепло не потечет от резервуара к телу), а при отдаче тепла температура тела должна быть на бесконечно малую величину выше температуры резервуара.

Следовательно, единственным обратимым процессом, сопровождающимся теплообменом с резервуаром, температура которого остается неизменной, является изотермический процесс, протекающий при температуре резервуара.

Рассмотрим изолированную систему, состоящую из двух тел с одинаковой теплоемкостью С. Пусть тело В передает телу А количество тепла Q, в результате чего температура тела А повышается от значения до , а температура тела В уменьшается от значения до Такой процесс противоречит второму началу в формулировке Клаузиуса. Найдем изменение энтропии в данном случае.

В ходе указанного процесса происходит теплообмен между телами с неодинаковыми температурами. Согласно сказанному выше такой процесс необратим. Формула же (103.20) применима только к обратимым процессам. Для того чтобы найти изменение энтропии при необратимом процессе, поступают следующим образом. Рассматривают какой-либо обратимый процесс, приводящий систему в то же конечное состояние, что и данный необратимый процесс, и вычисляют для этого процесса приращение энтропии по формуле

(104.7)

(см. (103.20)).

В соответствии со сказанным выше рассмотрим обратимый процесс, в ходе которого тело В отдает тепло Q порциями последовательно ряду резервуаров с температурами, имеющими все значения от до а тело А получает тепло Q порциями от ряда резервуаров с температурами от до . В результате система перейдет обратимо из состояния, в котором тела имеют температуры в состояние, в котором температуры тел равны

На первый взгляд может показаться, что такой формулировке противоречит, например, процесс изотермического расширения идеального газа. Действительно, все полученное идеальным газом от какого-то тела тепло превращается полностью в работу. Однако получение тепла и превращение его в работу - не единственный конечный результат процесса; кроме того, в результате процесса происходит изменение объема газа.

В тепловой машине превращение тепла в работу обязательно сопровождается дополнительным процессом - передачей некоторого количества тепла более холодному телу, вследствие чего получаемое от более нагретого тела количество тепла не может быть превращено полностью в работу.

Легко убедиться в том, что утверждение, содержащееся в формулировке Кельвина, логически вытекает из утверждения, заключающегося в формулировке Клаузиуса. В самом деле, работа может быть полностью превращена в тепло, например, при посредстве трения. Поэтому, превратив с помощью процесса, запрещенного формулировкой Кельвина, тепло, отнятое от какого-нибудь тела, полностью в работу, а затем превратив эту работу при посредстве трения в тепло, сообщаемое другому телу с более высокой температурой, мы осуществили бы процесс, невозможный согласно формулировке Клаузиуса.

Используя процессы, запрещаемые вторым началом термодинамики, можно было бы создать двигатель, совершающий работу за счет тепла, получаемого от такого, например практически неисчерпаемого источника энергии, как океан.

Практически такой двигатель был бы равнозначен вечному двигателю. Поэтому второе начало термодинамики иногда формулируется следующим образом: невозможен перпетуум мобиле второго рода, т. е. такой периодически действующий двигатель, который получал бы тепло от одного резервуара и превращал это тепло полностью в работу.

Является частным случаем закона сохранения и превращения энергии. Этот закон утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из одного вида в другой в различных процессах. Значит, если телу сообщить количество теплоты Q , то оно израсходуется на изменение внутренней энергии тела?U и на совершение внешней работы L :

Это соотношение представляет собой аналитическое выражение первого закона термодинамики для неподвижных тел.

В дифференциальной форме этот закон можно записать:

Или , или . (1)

Если в уравнение (1) подставить (связь между механической и технической работой), то получим:

Выражение (u +pv ) является калориметрическим параметром состояния тела. В технической термодинамике этот параметр называют энтальпией и обозначают буквой Н и измеряют в Дж, удельную энтальпию обозначают h и измеряют в Дж/кг, то есть

Энтальпия - это сумма внутренней энергии и упругостной энергии газа (потенциальной энергии давления).

Следовательно, первый закон термодинамики может быть записан так:

.

В изобарном процессе (р = const) vdp = 0, следовательно .

Для идеальных газов справедливы соотношения:

Второй закон термодинамики связан с необратимостью всех естественных процессов и является опытным законом, основывающимся на многовековых наблюдениях ученых, однако установлен он был только в середине XIX века. Являясь статическим законом, второй закон термодинамики отражает поведение большого числа частиц, входящих в состав изолированной системы. В системах, состоящих из малого количества частиц, могут иметься отклонения от второго закона термодинамики.

Самым вероятным состоянием изолированной термодинамической системы является состояние ее внутреннего равновесия, которому соответствует достижение максимального значения энтропии. Поэтому второй закон называют законом возрастания энтропии. В этой связи его можно сформулировать в виде следующего принципа: энтропия изолированной системы не может убывать .

Энтропия - это параметр состояния рабочего тела, устанавливающий связь между количеством теплоты и температурой. Для ее определения запишем уравнение первого закона термодинамики в таком виде

.

Разделим данное выражение на Т , а р заменим на , получим:

или .

Выражение говорит о том, что является полным дифференциалом некоторой функции s , являющейся параметром состояния, поскольку она зависит только от двух параметров состояния газа и не зависит от того, каким путем газ перешел из одного состояния в другое. Энтропию обозначают буквой S и измеряют в Дж/К. Энтропию, отнесенную к 1 кг газа, называют удельной энтропией и обозначают буквой s и измеряют в кДж/(К?кг).

Таким образом, .

Второй закон термодинамики представляет собой обобщение изложенных положений и постулатов, применительных к тепловым двигателям и заключается в следующем:

1. Самопроизвольное протекание естественных процессов возникает и развивается при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

2. Самопроизвольно происходящие в природе естественные процессы, работа которых может быть использована человеком, всегда протекает лишь в одном направлении от более высокого потенциала к более низкому.

3. Ход самопроизвольно протекающих процессов происходит в направлении, приводящем к установлению равновесия термодинамической системы с окружающей средой, и по достижении этого равновесия процессы прекращаются.

4. Процесс может протекать в направлении, обратном самопроизвольному процессу, если энергия для этого заимствуется из внешней среды.

Все эти формулировки , различающиеся по форме, эквивалентны друг другу по существу, так как они напрямую связаны с принципом невозможности убывания энтропии: .

Основные понятия и определения

Определение: Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии .

В термодинамике широко используется понятие термодинамической системы .

Определение: термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой . Все тела находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы называются окружающей средой .

Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находиться в разных состояниях, (пример: ледvводаvпар, одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества - так называемые параметры состояния .

Перечислим основные параметры состояния вещества:

Температура тел - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами .

В настоящее время в мире существует несколько температурных шкал и единиц измерения температуры. Наиболее распространенная в Европе шкала Цельсия где нулевая температура v температура замерзания воды при атмосферном давлении, а температура кипения воды при атмосферном давлении принята за 100 градусов Цельсия (ºС). В Северной Америке используется шкала Фаренгейта. Для термодинамических расчетов очень удобна абсолютная шкала или шкала Кельвина. За ноль в этой шкале принята температура абсолютного нуля, при этой температуре прекращается всякое тепловое движение в веществе. Численно один градус шкалы Кельвина равен одному градусу шкалы Цельсия.

Температура, выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой .

Соотношение для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина:

T [K] = t [º C] + 273.15,

где T - температура в Кельвинах;

t - температура в градусах Цельсия.

Давление представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности .

Для измерения давления применяются различные единицы измерения. В стандартной системе измерения СИ единицей служит Паскаль (Па).

Соотношение между единицами:

1 бар = 10 5 Па

1 кг/см 2 (атмосфера) = 9.8067 10 4 Па

1мм рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133 Па

1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) = 9.8067 Па

Плотность - отношение массы вещества к объему занимаемому эти веществом .

Удельный объем - величина обратная плотности т.е. отношения объема занятого веществом к его массе .

Определение: Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс .

Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния:

Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:

P - давление

v - удельный объем

T - температура

R - газовая постоянная (у каждого газа свое значение)

Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные из 3-х

Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)

Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.

Рассмотрим термодинамическую систему, состоящую из одного тела v какого либо газа в сосуде с поршнем, причем сосуд и поршень в данном случае является внешней средой. Пусть, для примера, происходит нагрев газа в сосуде, возможны два случая:

1) Если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущий при постоянном объеме;

Изохорные процессы в P - T координатах:

v 1 >v 2 >v 3

2) Если поршень свободен, то нагреваемый газ будет расширяться, при постоянном давлении такой процесс называется изобарическим (P=const), идущим при постоянном давлении.

Изобарные процессы в v - T координатах

P 1 >P 2 >P 3

Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).

Изотермические процессы в P-v координатах

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным , при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы, при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например, быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводиться за счет нагрева поршня и сосуда.

Примерный график адиабатного процесса в P - v координатах

Определение: Круговой процесс (Цикл) - это совокупность процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние . Число отдельных процессов может быть любым в цикле.

Понятие кругового процесса является для нас ключевым в термодинамике, поскольку работа АЭС основана на паро-водяном цикле, другими словами мы можем рассматривать испарение воды а активной зоне (АЗ), вращение паром ротора турбины, конденсацию пара и поступление воды в АЗ как некий замкнутый термодинамический процесс или цикл.

Теплота и работа .

Тела, участвующие в процессе, обмениваются между собой энергией. Энергия одних тел увеличивается, других - уменьшается. Передача энергии от одного тела к другому происходит 2-мя способами:

Первый способ передачи энергии при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергии между молекулами соприкасающихся тел (или лучистым переносом при помощи электромагнитных волн).

Энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому.

Энергия кинетического движения молекул называется тепловой, поэтому такой способ передачи энергии называется передача энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученной телом в форме теплоты, называется подведенной теплотой (сообщенной), а количество энергии, отданное телом в форме теплоты - отведенной теплотой (отнятой).

Обычное обозначение теплоты Q, размерность Дж. В практических расчетах важное значение приобретает отношение теплоты к массе - удельная теплота обозначается q размерность Дж/кг.

Подведенная теплота - положительна, отведенная - отрицательна.

Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления.

Этот способ называется передачей энергии в форме работы .

Если в качестве примера тела рассматривать газ в сосуде с поршнем то в случае приложения внешней силы к поршню происходит сжатие газа - работа совершается над телом, а в случае расширения газа в сосуде работу, перемещение поршня, совершает само тело (газ).

Количество энергии, полученное телом в форме работы называется совершенной над телом работой, а отданная - затраченной телом работой .

Количество энергии в форме работы обычно обозначается L размерность Дж. Удельная работа - отношение работы к массе тела обозначается l размерность - Дж/кг.

Определение: Рабочие тело - определенное количество вещества, которое, участвуя в термодинамическом цикле, совершает полезную работу .

Рабочим телом в реакторной установке РБМК является вода, которая после испарения в активной зоне в виде пара совершает работу в турбине, вращая ротор.

Определение: Передача энергии в термодинамическом процессе от одного тела к другому, связанная с изменением объема рабочего тела, с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения называется работой процесса .

Первый закон термодинамики.

Формулировка: В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной .

Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой.

Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел.

Существуют другие формулировки этого закона:

1. Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии ни из чего и уничтожения ее в ничто);

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии);

3. Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии);

4. Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.

Энтальпия.

В прошлом столетии Гибсс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию - энтальпию.

Определение: Энтальпия - это сумма внутренней энергии тела и произведения давления на объем .

I = U + PV

I - энтальпия; U - внутренней энергия; P - давление; V - объем.

Удельная энтальпия i это отношение энтальпии тела к его массе.

Удельная энтальпия это параметр состояния.

Значение удельной энтальпии пара и воды при определенном давлении и температуре можно найти в справочнике. Пользуясь этими данными, можно определить количество теплоты участвующее в процессе или работу процесса.

Энтропия

Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия обозначается S размерность Дж/К

dS = dQ/T

dS - дифференциал энтропии; dQ - дифференциал теплоты; Т - абсолютная температура;