Thermodynamik ist ein Zweig der Physik, der die thermischen Eigenschaften von makroskopischen Körpern und Körpersystemen im thermischen Gleichgewichtszustand auf der Grundlage des Energieerhaltungssatzes ohne Berücksichtigung untersucht Interne Struktur Organe, die das System bilden.

Die Thermodynamik berücksichtigt keine mikroskopischen Größen - die Größe von Atomen und Molekülen, ihre Masse und Anzahl.

Die Gesetze der Thermodynamik stellen Beziehungen zwischen direkt beobachtbaren physikalischen Größen her, die den Zustand eines Systems charakterisieren, wie z. B. Druck ​\(p \) ​, Volumen ​\(V \) ​, Temperatur ​\(T \) ​.

Innere Energie- Das physikalische Größe, gleich der Summe kinetische Energie thermische Bewegung Teilchen des Körpers und die potentielle Energie ihrer Wechselwirkung miteinander.

Bezeichnung - \\ (U \) , in SI-Maßeinheit - Joule (J).

In der Thermodynamik hängt die innere Energie von der Temperatur und dem Volumen des Körpers ab.

Die innere Energie von Körpern hängt von ihrer Temperatur, Masse u Aggregatzustand. Mit steigender Temperatur nimmt die innere Energie zu. Die größte innere Energie eines Stoffes in Gaszustand, die kleinste - im Festkörper.

Innere Energie ideales Gas stellt nur die kinetische Energie der thermischen Bewegung seiner Teilchen dar; potenzielle Energie Teilchenwechselwirkung ist Null.

Die innere Energie eines idealen Gases ist direkt proportional zu seiner Temperatur und hängt nicht vom Volumen ab (ideale Gasmoleküle interagieren nicht miteinander):

wobei ​\(i \) ​ der Koeffizient ist, gleich der Zahl Freiheitsgrade des Moleküls, ​\(\nu \) ​ ist die Menge an Materie, ​\(R \) ​ ist die universelle Gaskonstante, ​\(T \) ​ ist die absolute Temperatur.

Die Zahl der Freiheitsgrade ist gleich der Zahl der möglichen Bewegungen des Teilchens.

Wichtig!
Für einatomige Gase ist der Koeffizient ​\(i \) ​ = 3, für zweiatomige Gase ​\(i \) ​ = 5.

In der Praxis ist es oft wichtig, die Änderung der inneren Energie finden zu können:

Beim Lösen von Problemen können Sie mithilfe der Mendeleev-Clapeyron-Gleichung eine Formel zur Berechnung der inneren Energie schreiben:

wobei ​\(p \) ​ der Druck ist, ​\(V \) ​ das Gasvolumen ist.

Die innere Energie realer Gase hängt sowohl von der Temperatur als auch vom Volumen ab.

Ändern innere Energie Dies ist aufgrund von Temperaturänderungen (während der Wärmeübertragung) und aufgrund von Druck- und Volumenänderungen (während der Arbeit) möglich.

Thermisches Gleichgewicht

Thermisches Gleichgewicht ist der Zustand des Systems, in dem alle seine makroskopischen Parameter beliebig lange unverändert bleiben.

Größen, die den Zustand makroskopischer Körper charakterisieren, ohne ihre zu berücksichtigen molekulare Struktur, werden makroskopische Parameter genannt. Dazu gehören Druck und Temperatur, Volumen, Masse, Konzentration einzelner Bestandteile eines Gasgemisches usw. Im thermischen Gleichgewichtszustand findet kein Wärmeaustausch mit umgebenden Körpern statt, es gibt keine Übergänge von Materie von einem Aggregatzustand in einen anderen , Temperatur, Druck, Volumen ändern sich nicht.

Jedes thermodynamische System geht spontan in einen Zustand des thermischen Gleichgewichts über. Jedem thermischen Gleichgewichtszustand, in dem sich ein thermodynamisches System befinden kann, entspricht eine bestimmte Temperatur.

Wichtig!
In einem Zustand des thermischen Gleichgewichts können Volumen und Druck in verschiedenen Teilen unterschiedlich sein thermodynamisches System, und nur die Temperatur in allen Teilen eines thermodynamischen Systems im thermischen Gleichgewicht ist gleich. Mikroskopische Prozesse im Inneren des Körpers machen auch vor dem thermischen Gleichgewicht nicht halt: Die Positionen von Molekülen ändern sich, ihre Geschwindigkeiten bei Kollisionen.

Wärmeübertragung

Wärmeübertragung- der Prozess der Veränderung der inneren Energie des Körpers ohne Arbeit.

Es gibt drei Arten Wärmeübertragungen: Leitung, Konvektion und Strahlung (Strahlungswärmeübertragung). Wärmeübertragung findet zwischen Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen statt. Wärme wird von einem Körper mit höherer Temperatur auf einen Körper mit niedrigerer Temperatur übertragen.

Wärmeleitfähigkeit- Dies ist der Prozess der Energieübertragung von stärker erhitzten Körpern (Körperteilen) zu weniger erhitzten als Ergebnis der Bewegung und Wechselwirkung von Körperpartikeln. Metalle haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit – die besten Wärmeleiter sind beispielsweise Kupfer, Gold, Silber. Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten ist geringer und Gase sind schlechte Wärmeleiter. Poröse Körper leiten Wärme nicht gut, da Luft in den Poren enthalten ist. Als Wärmeisolatoren werden Stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet. Wärmeleitung ist im Vakuum unmöglich. Bei Wärmeleitung findet keine Stoffübertragung statt.

Das Phänomen der Wärmeleitfähigkeit von Gasen ähnelt dem Phänomen der Diffusion. Schnelle Moleküle bewegen sich von einer Schicht mit höherer Temperatur zu einer kälteren Schicht und Moleküle von einer kalten Schicht zu einer wärmeren. Aus diesem Grund ist der Durchschnitt kinetische Energie Moleküle der wärmeren Schicht nimmt ab und ihre Temperatur wird niedriger.

In Flüssigkeiten und Feststoffen mit einer Erhöhung der Temperatur eines beliebigen Bereichs Festkörper oder Flüssigkeit beginnen ihre Teilchen stärker zu schwingen. Wenn sie mit benachbarten Teilchen kollidieren, wo die Temperatur niedriger ist, übertragen diese Teilchen einen Teil ihrer Energie auf sie, und die Temperatur dieses Bereichs steigt an.

Konvektion- Energieübertragung durch Flüssigkeits- oder Gasströme.

Der Mechanismus der Konvektion lässt sich anhand von erklären Wärmeausdehnung Körper und das Gesetz des Archimedes. Beim Erhitzen nimmt das Volumen einer Flüssigkeit zu und die Dichte ab. Die erhitzte Schicht unter der Wirkung der Archimedes-Kraft steigt auf und die kalte fällt herunter. Das natürliche Konvektion. Sie entsteht, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas im Gravitationsfeld von unten ungleichmäßig erhitzt wird.

Beim erzwungene Konvektion die Bewegung der Substanz erfolgt unter der Wirkung von Pumpen, Lüfterflügeln. Eine solche Konvektion wird in einem Zustand der Schwerelosigkeit verwendet. Die Intensität der Konvektion hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den Schichten des Mediums und dem Aggregatzustand des Stoffes ab. Konvektionsströme steigen auf. Konvektion ist die Übertragung von Materie.

In Festkörpern ist Konvektion unmöglich, da Teilchen aufgrund starker Wechselwirkung ihren Platz nicht verlassen können. Konvektion ist im Vakuum ebenfalls nicht möglich.

Ein Beispiel für konvektive Strömungen in der Natur sind Winde (Tag- und Nachtwind, Monsun).

Strahlung(Strahlungswärmeübertragung) - Energieübertragung Elektromagnetische Wellen. Wärmeübertragung durch Strahlung ist im Vakuum möglich. Strahlungsquelle ist jeder Körper, dessen Temperatur von Null verschieden ist Zu. Wenn Energie absorbiert wird Wärmestrahlung geht in die innere Energie. Dunkle Körper werden durch Strahlung schneller erhitzt als Körper mit glänzender Oberfläche, kühlen aber auch schneller ab. Die Strahlungsleistung hängt von der Körpertemperatur ab. Mit steigender Körpertemperatur nimmt die Strahlungsenergie zu. Je größer die Körperoberfläche, desto intensiver die Strahlung.

Wärmemenge. Spezifische Wärmekapazität eines Stoffes

Wärmemenge ist eine skalare physikalische Größe, die der Energie entspricht, die der Körper während der Wärmeübertragung aufgenommen oder abgegeben hat.

Bezeichnung - \\ (Q \) , in SI-Maßeinheit - J.

Spezifische Wärme ist eine skalare physikalische Größe, numerisch gleich der Zahl Wärme, die ein Körper der Masse 1 kg aufnimmt oder abgibt, wenn sich seine Temperatur um 1 K ändert.

Bezeichnung - \\ (c \) , in SI-Maßeinheit - J / (kg·K).

Die spezifische Wärmekapazität wird nicht nur durch die Eigenschaften des Stoffes bestimmt, sondern auch durch den Prozess, bei dem die Wärmeübertragung stattfindet. Daher liegt die spezifische Wärmekapazität des Gases isoliert an konstanter Druck- ​\(c_P \) ​ und die spezifische Wärmekapazität des Gases bei konstantem Volumen - ​\(c_V \) . Erhitzen eines Gases um 1 K bei konstantem Druck erfordert große Menge Wärme als bei konstantem Volumen - ​\(c_P > c_V \) .

Die Formel zur Berechnung der Wärmemenge, die ein Körper bei Erwärmung aufnimmt bzw. bei Abkühlung abgibt:

wobei ​\(m \) ​ die Masse des Körpers ist, ​\(c \) ​ ist spezifische Wärme, ​\(T_2 \) ​ - endgültige Körpertemperatur, ​\(T_1 \) ​ - anfängliche Körpertemperatur.

Wichtig!
Bei der Lösung von Problemen zur Berechnung der Wärmemenge beim Heizen oder Kühlen können Sie die Temperatur nicht in Kelvin umrechnen. Seit 1K \u003d 1 ° C, dann\ ( \ Delta T \u003d \ Delta t \) .

Arbeiten in der Thermodynamik

Arbeit in der Thermodynamik ist gleich der Änderung der inneren Energie des Körpers.

Die Bezeichnung für die Arbeit eines Gases ist ​\(A‘\) ​, die Maßeinheit in SI ist das Joule (J). Job-Bezeichnung äußere Kräfteüber Gas - ​\(A \) .

Gaswerk ​\(A' =-A \) .

Die Expansionsarbeit eines idealen Gases ist die Arbeit, die das Gas gegen äußeren Druck verrichtet.

Die von einem Gas geleistete Arbeit ist positiv, wenn es sich ausdehnt, und negativ, wenn es komprimiert wird. Ändert sich das Volumen des Gases nicht (isochorer Prozess), verrichtet das Gas keine Arbeit.

Grafisch lässt sich die von einem Gas verrichtete Arbeit als Fläche der Figur unter dem Druck-Volumen-Diagramm berechnen Koordinatenachsen​\((p,V) \) ​begrenzt durch den Graphen, die ​\(V \)-Achse und Senkrechte, die von den Punkten des Anfangs- und gezogen werden endgültige Werte Volumen.

Die Formel zur Berechnung der Arbeit eines Gases lautet:

bei einem isobaren Prozess ​\(A’=p\cdot\Delta V. \) ​

in isothermer Prozess \(A'=\frac(m)(M)RT\ln\frac(V_2)(V_1). \)​

Wärmebilanzgleichung

Wenn ein System von Körpern thermisch isoliert ist, ändert sich seine innere Energie trotz der innerhalb des Systems auftretenden Änderungen nicht. Wenn ​\(A \) ​ = 0, ​\(Q \) ​ = 0, dann ​\(\Delta U \) ​ = 0 .

Bei allen Prozessen, die in einem wärmegedämmten System ablaufen, ändert sich seine innere Energie nicht (Erhaltungssatz der inneren Energie).

Betrachten Sie ein wärmegedämmtes Zwei-Körper-System mit unterschiedliche Temperaturen. Bei Kontakt findet zwischen ihnen ein Wärmeaustausch statt. Ein Körper mit höherer Temperatur gibt eine bestimmte Wärmemenge ab, und ein Körper mit niedrigerer Temperatur nimmt sie auf, bis die Temperaturen der Körper gleich sind. Da sich die gesamte innere Energie nicht ändern sollte, muss die innere Energie des zweiten Körpers um so viel zunehmen, um wie viel die innere Energie eines stärker erhitzten Körpers abnimmt. Da keine Arbeit verrichtet wird, ist die Änderung der inneren Energie gleich der Wärmemenge.

Die Wärmemenge, die ein Körper mit höherer Temperatur beim Wärmeaustausch abgibt, ist im Modul gleich der Wärmemenge, die ein Körper mit niedrigerer Temperatur aufnimmt:

Andere Formulierung: wenn sich die Körper bilden geschlossenes System und zwischen ihnen findet dann nur Wärmeaustausch statt algebraische Summe gegebene \\ (Q_ (otd) \) und empfangene \ (Q_ (floor) \) Wärmemengen ist Null:

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie, erweitert um thermische Phänomene, heißt der erste Hauptsatz (Anfang) der Thermodynamik.

Es ist möglich, dieses Gesetz ausgehend von den Wegen der Veränderung der inneren Energie zu formulieren.

Die Änderung der inneren Energie des Systems beim Übergang von einem Zustand in einen anderen ist gleich der Summe der Arbeit der äußeren Kräfte und der auf das System übertragenen Wärmemenge:

Wenn wir die Arbeit des Systems selbst an externen Stellen betrachten, kann das Gesetz wie folgt formuliert werden:

Die an das System übertragene Wärmemenge ändert seine innere Energie und das System verrichtet Arbeit an externen Körpern:

Wenn das System isoliert ist und keine Arbeit daran verrichtet wird und kein Wärmeaustausch mit externen Körpern stattfindet, ändert sich in diesem Fall die innere Energie nicht. Wenn dem System keine Wärme zugeführt wird, kann die Arbeit des Systems nur durch Verringerung der inneren Energie verrichtet werden. Dies bedeutet, dass es unmöglich ist, es zu erstellen Perpetuum Mobile- ein Gerät, das ohne Kraftstoffverbrauch arbeiten kann.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik für Isoprozesse

Isothermer Prozess:​\(Q=A'\,(T=const, \Delta U=0) \)​
Physikalische Bedeutung: Die gesamte an das Gas abgegebene Wärme wird zur Verrichtung von Arbeit verwendet.

Isobarer Prozess:\(Q=\Delta U+A' \) ​
Physikalische Bedeutung: Die dem Gas zugeführte Wärme wird zur Erhöhung seiner inneren Energie und zur Verrichtung von Arbeit am Gas verwendet.

Isochorischer Prozess: \(Q=\Delta U\,(V=const, A'=0) \)​
Physikalische Bedeutung: die innere energie des gases steigt durch den wärmeeintrag.

Adiabatischer Prozess:\(\Delta U=-A' \) ​ oder ​ \(A=\Delta U\,\mathbf((Q=0)) \)​
Physikalische Bedeutung: Die innere Energie des Gases wird durch die vom Gas verrichtete Arbeit reduziert. Dadurch sinkt die Temperatur des Gases.

Probleme der Veränderung der inneren Energie von Körpern

Diese Aufgaben lassen sich in Gruppen einteilen:

• Wenn Körper interagieren, ändert sich ihre innere Energie, ohne dass sie daran arbeiten Außenumgebung.
• Es werden Phänomene betrachtet, die mit der Umwandlung einer Energieart in eine andere während der Wechselwirkung zweier Körper verbunden sind. Infolgedessen ändert sich die innere Energie eines Körpers aufgrund der von ihm oder an ihm verrichteten Arbeit.

Beim Lösen von Problemen der ersten Gruppe:

• festzustellen, in welchen Körpern die innere Energie abnimmt und in welchen sie zunimmt;
• schreibe eine gleichung Wärmebilanz​\((\Delta U=0) \) , wenn es in den Ausdruck ​\(Q =cm(t_2 - t_1) \) geschrieben wird, um die innere Energie zu ändern, müssen Sie die Anfangstemperatur von der Endtemperatur von subtrahieren den Körper und summieren die Terme unter Berücksichtigung des resultierenden Vorzeichens ;
• Überprüfen Sie die Lösung.

Beim Lösen von Problemen der zweiten Gruppe:

• Stellen Sie sicher, dass bei der Wechselwirkung von Körpern keine Wärme von außen zugeführt wird, d.h. ist ​\(Q = 0 \) ​;
• Stellen Sie fest, welcher der beiden interagierenden Körper eine Änderung der inneren Energie aufweist und was die Ursache für diese Änderung ist - die vom Körper selbst geleistete Arbeit oder die am Körper geleistete Arbeit.
• Schreiben Sie die Gleichung \(Q = \Delta U + A \) für einen Körper auf, dessen innere Energie sich ändert, unter Berücksichtigung des Vorzeichens vor der Arbeit und der Effizienz des betrachteten Prozesses;
• wenn die Arbeit aufgrund einer Abnahme der inneren Energie eines der Körper verrichtet wird, dann ​ \ (A = - \ Delta U \) , und wenn die innere Energie des Körpers aufgrund der am Körper verrichteten Arbeit zunimmt, dann ​ \ (A \u003d \ Delta U \ ) ​;
• finden Sie Ausdrücke für ​\(\Delta U \) ​ und ​\(A \) ​;
• ersetzen Sie in der ursprünglichen Gleichung die Ausdrücke \(\Delta U \) und \(A \) für sie, erhalten Sie das endgültige Verhältnis, um den gewünschten Wert zu bestimmen;
• Lösen Sie die resultierende Gleichung in Bezug auf den gewünschten Wert;
• Überprüfen Sie die Lösung.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Alle Prozesse in der Natur laufen nur in eine Richtung ab. BEIM umgekehrte Richtung sie können nicht spontan fortfahren. irreversibel wird ein Prozess aufgerufen, dessen Umkehrung nur als Bestandteil eines komplexeren Prozesses ablaufen kann.

Beispiele für irreversible Prozesse:

• die Übertragung von Wärme von einem heißeren Körper auf einen weniger erhitzten Körper;
• Umwandlung von mechanischer Energie in innere Energie.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt nichts über die Richtung von Vorgängen in der Natur aus.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik drückt die Irreversibilität von in der Natur ablaufenden Prozessen aus. Es gibt mehrere Formulierungen.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (Formel von Clausius):
Es ist unmöglich, Wärme von mehr zu übertragen kaltes System zu einem heißeren, wenn keine gleichzeitigen Veränderungen in beiden Systemen oder umgebenden Körpern auftreten.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (Formel von Kelvin):
Es ist unmöglich, einen solchen periodischen Prozess durchzuführen, dessen einziges Ergebnis die Produktion von Arbeit aufgrund der einer Quelle entnommenen Wärme wäre.

Diese Formulierung besagt auch, dass es unmöglich ist, ein Perpetuum Mobile der zweiten Art zu bauen, also einen Motor, der durch die Kühlung irgendeines Körpers funktioniert.

Wichtig!
Bei der Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik sehr wichtig die Worte "Einzelergebnis" haben. Handelt es sich nicht um die einzigen Verfahren, werden die Verbote aufgehoben. Beispielsweise wird in einem Kühlschrank Wärme von einem kälteren auf einen erwärmten Körper übertragen und gleichzeitig ein Kompensationsprozess durchgeführt, bei dem die mechanische Energie der umgebenden Körper in innere Energie umgewandelt wird.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt für Systeme mit einer großen Anzahl von Teilchen. In Systemen mit geringer Teilchenzahl sind Schwankungen möglich - Abweichungen vom Gleichgewicht.

Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen

Koeffizient nützliche Aktion(Wirkungsgrad) einer Wärmekraftmaschine (Motor) ist das Verhältnis der vom Motor pro Zyklus geleisteten Arbeit \(A \) zur pro Zyklus von der Heizung empfangenen Wärmemenge \(Q_1 \) :

Die Wärmekraftmaschine mit höchstem Wirkungsgrad wurde von Carnot geschaffen. Die Maschine führt einen Kreisprozess aus ( Carnot-Zyklus), bei der das System nach einer Reihe von Transformationen in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.

Carnot-Zyklus besteht aus vier Stufen:

1. Isotherme Expansion (in der Abbildung - Prozess 1–2). Zu Beginn des Prozesses Arbeitskörper hat eine Temperatur ​\(T_1 \) , also die Temperatur der Heizung. Dann wird der Körper mit der Heizung in Kontakt gebracht, die ihm isotherm (bei konstanter Temperatur) die Wärmemenge ​\(Q_1 \) überträgt. Gleichzeitig nimmt das Volumen des Arbeitsmediums zu.
2. Adiabatische Expansion (in der Abbildung - Prozess 2–3). Das Arbeitsmedium wird von der Heizung gelöst und expandiert ohne Wärmeaustausch weiter mit Umgebung. Gleichzeitig sinkt seine Temperatur auf die Temperatur des Kühlschranks ​ \ (T_2 \) .
3. Isotherme Kompression (in der Abbildung - Prozess 3-4). Das Arbeitsmedium, das zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur \\ (T_2 \) hat, wird mit dem Kühlschrank in Kontakt gebracht und beginnt sich isothermisch zusammenzuziehen, wodurch der Kühlschrank eine Wärmemenge \ \ (Q_2 \) erhält.
4. Adiabatische Kompression (in der Abbildung - Prozess 4–1). Das Arbeitsmedium wird von der Kältemaschine getrennt. Gleichzeitig steigt seine Temperatur auf die Temperatur der Heizung ​ \ (T_1 \) .

Carnot-Zyklus-Effizienz:

Dies zeigt, dass die Effizienz des Carnot-Prozesses mit einem idealen Gas nur von der Temperatur des Heizers ​\((T_1) \) ​ und des Kühlers \((T_2) \) abhängt.

Aus der Gleichung ergeben sich folgende Schlüsse:

• Um den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zu erhöhen, muss die Temperatur der Heizung erhöht und die Temperatur des Kühlschranks gesenkt werden.
• Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist immer kleiner als 1.

Der Carnot-Zyklus ist reversibel, da alle seine Bestandteile Gleichgewichtsprozesse sind.

Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen: Motor Verbrennungs- 30 %, Dieselmotor - 40 %, Dampfturbine - 40 %, Gasturbine - 25–30 %.

Funktionsprinzipien von Wärmekraftmaschinen

Wärmekraftmaschine bezeichnet ein Gerät, das die innere Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie umwandelt.

Die wichtigsten Teile einer Wärmekraftmaschine:

• Heizung- ein Körper mit konstanter Temperatur, der die innere Energie des Brennstoffs in die Energie des Gases umwandelt. In jedem Motorbetriebszyklus überträgt die Heizung eine bestimmte Wärmemenge auf das Arbeitsmedium.
• Arbeitskörper ist ein Gas, das funktioniert, wenn es sich ausdehnt.
• Kühlschrank- ein Körper mit konstanter Temperatur, an den das Arbeitsmedium einen Teil der Wärme abgibt.

Irgendein Wärmekraftmaschine erhält etwas Wärme von der Heizung ​\(Q_1 \)​ und überträgt die Wärmemenge ​\(Q_2 \) an den Kühlschrank. Da ​\(Q_1 > Q_2 \) , dann ist die Arbeit erledigt ​\(A’ = Q_1 – Q_2 \) .

Die Wärmekraftmaschine muss zyklisch arbeiten, also muss die Expansion des Arbeitsmediums durch dessen Kompression ersetzt werden. Die Arbeit der Expansion des Gases muss sein mehr Arbeit Kompression durch äußere Kräfte (die Bedingung für nützliche Arbeit). Die Temperatur des Gases während der Expansion muss höher sein als die Temperatur während der Kompression. Dann ist der Gasdruck in allen Zwischenzuständen während der Kompression geringer als während der Expansion.

Bei echten Wärmekraftmaschinen ist die Heizung die Brennkammer. In ihnen wird das Arbeitsmedium durch die bei der Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Wärme erwärmt. Die bei der Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Wärmemenge wird nach folgender Formel berechnet:

wo \(q \) ​ – spezifische Wärme Kraftstoffverbrennung, ​ \ (m \) ​ - Masse des Kraftstoffs.

Der Kühlschrank in echten Motoren ist am häufigsten die Atmosphäre.

Arten von Wärmekraftmaschinen:

• Dampfmaschine;
• Turbine (Dampf, Gas);
• Verbrennungsmotor (Vergaser, Diesel);
• Düsentriebwerk.

Wärmekraftmaschinen sind in allen Transportarten weit verbreitet: in Autos - Verbrennungsmotoren; auf der Schienenverkehr– Dieselmotoren (bei Diesellokomotiven); auf der Wassertransport– Turbinen; in der Luftfahrt - Turbostrahl- und Strahltriebwerke. In Wärme- und Kernkraftwerken Wärmekraftmaschinen treiben die Rotoren von Lichtmaschinen an.

Energie- und Umweltfragen

Wärmekraftmaschinen sind weit verbreitet im Transport- und Energiebereich (Wärme- u Atomkraftwerke). Der Einsatz von Wärmekraftmaschinen wirkt sich stark auf den Zustand der Biosphäre der Erde aus. Folgende schädliche Faktoren können unterschieden werden:

• bei der Verbrennung von Kraftstoff wird Sauerstoff aus der Atmosphäre verwendet, was zu einer Verringerung des Sauerstoffgehalts in der Luft führt;
• Bei der Verbrennung von Kraftstoff wird Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Konzentration Kohlendioxid steigt in die Atmosphäre. Dies verändert die Transparenz der Atmosphäre, wenn Kohlendioxidmoleküle absorbiert werden Infrarotstrahlung, was zu einer Temperaturerhöhung führt (Treibhauseffekt);
• Beim Verbrennen von Kohle werden Stickstoffgase in die Atmosphäre freigesetzt Schwefelverbindungen und gesundheitsschädliche Bleiverbindungen.

Lösung des Problems des Umweltschutzes aus schädliche Auswirkungen thermische Energieunternehmen erfordert einen integrierten Ansatz. Massenschadstoffe beim Betrieb thermischer Kraftwerke sind Flugasche, Schwefeldioxid und Stickoxide. Methoden zur Reduzierung von Emissionen hängen von den Eigenschaften des Kraftstoffs und den Bedingungen für seine Verflüssigung ab. Die Verhinderung der Verschmutzung durch Flugasche wird erreicht, indem das gesamte Volumen der Verbrennungsprodukte fester Brennstoffe in Hochleistungs-Aschesammlern gereinigt wird. Die Reduzierung der Stickoxidemissionen aus Brennstoffverbrennungsprodukten in thermischen Kraftwerken sowie in GuD- und Gasturbinenanlagen wird hauptsächlich durch Bsichergestellt. Eine Verringerung der Schwefeldioxidemissionen kann erreicht werden verschiedene Methoden Aufbereitung und Aufbereitung von Brennstoffen außerhalb von Wärmekraftwerken oder direkt in Wärmekraftwerken sowie Rauchgasreinigung.

Emissionskontrolle gefährliche Substanzen Kraftwerke wird von speziellen Geräten durchgeführt.

In manchen Fällen reicht es effektive Lösung Der Bau von Filterfallen und Schornsteinen bleibt das Problem der Reinigung von Emissionen in die Atmosphäre. Der Schornstein hat zwei Aufgaben: Die erste besteht darin, Zug zu erzeugen und dadurch Luft – einen obligatorischen Teilnehmer am Verbrennungsprozess – dazu zu bringen, in der richtigen Menge und mit der richtigen Geschwindigkeit in den Ofen einzutreten; Die zweite besteht darin, Verbrennungsprodukte (schädliche Gase und solche, die im Rauch vorhanden sind) zu entfernen Feinstaub) in die obere Atmosphäre. Durch die kontinuierliche turbulente Bewegung werden schädliche Gase und Feststoffpartikel von ihrer Quelle weggetragen und dispergiert.

Um das in den Schornsteinen von Wärmekraftwerken enthaltene Schwefeldioxid abzuführen, werden Schornsteine ​​mit einer Höhe von 180, 250 und 320 m errichtet. Wärmekraftwerke In Russland werden bei der Arbeit mit festen Brennstoffen jährlich etwa 100 Millionen Tonnen Asche und Schlacke auf Deponien geworfen. Asche und Schlacke nehmen große Gebiete Böden beeinträchtigen die Umwelt.

Mehr als die Hälfte aller Umweltverschmutzung entsteht durch den Verkehr. Eine der Möglichkeiten, das Problem des Umweltschutzes zu lösen, besteht darin, auf Dieselmotoren, Elektromotoren umzusteigen und die Effizienz zu steigern.

Algorithmus zur Lösung von Aufgaben des Abschnitts "Thermodynamik":

• Auswahl eines Körpersystems und Bestimmung seines Typs (geschlossen, adiabatisch geschlossen, mechanisch geschlossen, offen);
• herauszufinden, wie sich die Zustandsparameter ​\((p,V,T) \) und die innere Energie jedes Körpers des Systems beim Übergang von einem Zustand in einen anderen ändern;
• schreiben Sie Gleichungen, die die Parameter von zwei Zuständen des Systems betreffen, Formeln zur Berechnung der Änderung der inneren Energie jedes Körpers des Systems während des Übergangs von einem Zustand in einen anderen;
• Bestimmen Sie die Änderung der mechanischen Energie des Systems und die Arbeit externer Kräfte, um sein Volumen zu ändern.
• schreiben Sie die Formel des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik oder des Energieerhaltungs- und Umwandlungssatzes auf;
• löse das Gleichungssystem nach dem gewünschten Wert;
• Überprüfen Sie die Lösung.

Grundformeln des Abschnitts "Thermodynamik"

VORTRAG #1

DEFINITION VON ENERGIE UND IHREN ARTEN.

THERMODYNAMIK UND IHRE METHODEN.

THERMODYNAMISCHE SYSTEME.

Wärmetechnik - allgemeine technische Disziplin, die die Methoden der Gewinnung, Umwandlung, Übertragung und Nutzung von Wärme sowie die Funktionsprinzipien untersucht und Design-Merkmale Wärme- und Dampfgeneratoren, Wärmekraftmaschinen, Apparate und Geräte.

Thermodynamik ( Komponente Wärmetechnik) untersucht die Gesetzmäßigkeiten der Energieumwandlung in verschiedenen physikalische und chemische Prozesse in makroskopischen Systemen auftreten und von thermischen Effekten begleitet werden.

bekannt Verschiedene Arten Energie: thermisch, elektrisch, chemisch, magnetisch usw. Die Aufgaben der Forschung können unterschiedlich sein - das ist die Thermodynamik von Biosystemen, technische Thermodynamik usw. Wir interessieren uns für die technische Thermodynamik, die die Muster der gegenseitigen Umwandlung von Wärme und Wärme untersucht mechanische Energie(zusammen mit der Theorie der Wärmeübertragung) und bildet damit die theoretische Grundlage der Wärmetechnik. Ohne diese theoretische Grundlage ist die Berechnung und Auslegung einer Wärmekraftmaschine nicht möglich.

Die thermodynamische Methode ist phänomenologisch. Das Phänomen wird als Ganzes betrachtet. Die Beziehung zwischen den makroskopischen Parametern, die das Verhalten des Systems bestimmen, wird durch die beiden Prinzipien der Thermodynamik hergestellt. Thermodynamisches System ist eine Reihe von materiellen Körpern, die in mechanischer und thermischer Wechselwirkung miteinander und mit externen Körpern stehen, die das System umgeben.

Thermodynamischer Zustand Körper (z. B. Gas) wird durch seine Masse, Molmasse μ, Druck, Volumen, Temperatur (und möglicherweise andere Größen, die ihn z. B. definieren) charakterisiert chemische Zusammensetzung). Alle diese Größen werden als thermodynamische Parameter des Körpers bezeichnet. Wie jedoch aus dem Folgenden hervorgeht, haben solche Parameter wie , nur dann eine Bedeutung, wenn sich der Körper zumindest annähernd im sogenannten Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts (t.d.r.) befindet. So wird der Zustand bezeichnet, in dem alle thermodynamischen Parameter zeitlich konstant bleiben (hierzu kommt noch der Zustand der Abwesenheit stationärer Strömungen). Wird das Gas beispielsweise schnell erhitzt, wie in Abb. 9.1, die Temperatur des direkt beheizten Teils des Behälters A ist höher als die Temperatur von Teil B. Die Drücke in den Teilen A und B sind auch nicht gleich In diesem Fall ist das Konzept der Temperatur oder des Drucks des gesamten Gases macht keinen Sinn. Ein anderes Beispiel ist, einen Strahl schneller Moleküle in ein Gas zu lassen. Es ist klar, dass es keinen Sinn macht, über die Temperatur des Gases zu sprechen, bis schnelle Moleküle aufgrund einer Reihe von Kollisionen mit anderen Geschwindigkeiten in der Größenordnung erreichen Durchschnittsgeschwindigkeit andere Moleküle, mit anderen Worten, bis das System den Zustand s.f.r.

In einem Zustand usw. für jeden Stoff sind die thermodynamischen Parameter durch die sogenannte Zustandsgleichung miteinander verbunden:

Hier ist R=8,31 J/(molK) die universelle Gaskonstante, μ - Molmasse. Für Kohlenstoff (C) beträgt der Wert von μ 12 g, für Wasserstoff (H 2) - 2 g, für Sauerstoff (O 2) - 32 g, für Wasser (H 2 O) - 18 g usw.

Ein Mol einer beliebigen Substanz enthält die gleiche Anzahl von Molekülen N 0, die als Avogadro-Zahl bezeichnet wird:

Das Verhältnis der universellen Gaskonstante R zur Avogadro-Zahl (also der universellen Gaskonstante pro Molekül) wird genannt Boltzmann-Konstante:

Ein ideales Gas ist ein Gas, das so verdünnt ist, dass es den Gleichungen (1.2) oder (1.6) genügt. Die Bedeutung dieser Definition ist offensichtlich, dass das Gas ausreichend verdünnt sein muss, um Gleichung (1.6) zu erfüllen. Wird das Gas dagegen ausreichend komprimiert hohe Dichten(sogenannt echtes Benzin), dann haben wir statt (1.6)

Die Wahl des thermodynamischen Systems ist willkürlich. Die Wahl wird durch die Bedingungen des zu lösenden Problems bestimmt. Die Körper, die nicht in das System einbezogen sind, sind die Umwelt. Die Trennung des thermodynamischen Systems und der Umgebung erfolgt durch die Steuerfläche. Also zum Beispiel für das einfachste thermodynamische System Zylinder-Gas-Kolben die Umwelt Umgebungsluft, und die Steuerfläche ist die Hülle des Zylinders und des Kolbens. Die mechanische und thermische Wechselwirkung des thermodynamischen Systems erfolgt über die Steuerflächen.

Bei der mechanischen Interaktion des Systems selbst oder an ihm wird Arbeit verrichtet. Es ist zu beachten, dass Arbeiten unter dem Einfluss anderer durchgeführt werden können Leistung - elektrisch, magnetisch.

Betrachtet man das Beispiel mit dem Zylinder-Kolben-System, können wir folgendes festhalten: mechanische Arbeit entsteht bei der Bewegung des Kolbens und geht mit einer Volumenänderung einher. Die thermische Wechselwirkung besteht in der Übertragung von Wärme zwischen den einzelnen Körpern des Systems und zwischen dem System und der Umgebung. Im betrachteten Beispiel kann dem Gas durch die Wände des Zylinders Wärme zugeführt werden. Bei einem offenen thermodynamischen System findet der Austausch mit der Umgebung und Materie statt (Stofftransportprozesse). Im Folgenden betrachten wir geschlossene thermodynamische Systeme. Ist das System wärmegedämmt, so nennen wir es adiabat, beispielsweise ein Gas in einem Behälter mit idealer Wärmedämmung. Ein solches System tauscht weder Wärme noch Materie mit der Umgebung aus und heißt geschlossen (isoliert).

Die Umwandlung von Wärme in Arbeit und umgekehrt Arbeit in Wärme wird von Systemen durchgeführt, die Gase und Dämpfe darstellen, sie werden Arbeitskörper genannt.

In der Entwicklung der Thermodynamik als Wissenschaft riesiger beitrag hergestellt von russischen Wissenschaftlern: M.V. Lomonosov - definierte die Essenz der Wärme als innere Bewegung Materie, außerdem bestimmte er das Wesen der später entwickelten Gesetze der Thermodynamik, hundert Jahre bevor Clausius (1850) den Inhalt des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik gab, Quantifizierung wurde von Lomonosov in zwei seiner Werke von 1750 und 1760 gegeben. Wir können G.G. Hess (1840), der ein Gesetz aufstellte thermische Wirkung chemische Reaktion, prof. Schiller N. N. (Universität Kiew) - gab mehr als strenge Begründung Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, Prof. Afanas'eva-Ehrenfest T.A. zeigte erstmals die Zweckmäßigkeit einer getrennten Interpretation des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik für Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsvorgänge. Die Forschung in angewandter und theoretischer Hinsicht wurde von den Wissenschaftlern der Moskauer Höheren Technischen Schule Grinevetsky V.I., Kirsh K.V., Mertsalov N.I., Ramzin L.K., Oshurkov B.M. Das erste sowjetische Lehrbuch über Thermodynamik wurde von Oshurkov B.M. Wissenschaftler VTI, MPEI Vukalovich M.P., Kirillin V.A., Novikov I.I., Timrot D.A., Vargaftik N.B. umfangreiche Recherchen durchgeführt, um neue Daten zu erhalten thermophysikalische Eigenschaften eine Reihe neuer Arbeitsgremien. Von ausländischen Wissenschaftlern riesiger beitrag Sadi Carnot, R. Stirling, R. Mayer, Clausius, Helmholtz, Joule, Thomson, Reynolds und andere trugen zur Entwicklung der Thermodynamik bei, übrigens hat R. Stirling 8 Jahre vor S. Carnot 1816 eine Maschine patentiert, die funktioniert wegen aufgeheizter Luft.

1 DK 536.7(07) + 536.24 Gutachter: Department of Heat Engineering and Thermal Power Plants of St. Petersburg staatliche Universität Kommunikationsmittel (Doktor der technischen Wissenschaften, Prof. I.G. Kiselev), Professor B.S. Fokin (JSC NPO „TsKTI benannt nach I.I. Polzunov“) Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L. Technische Thermodynamik und Wärmeübertragung: Lehrbuch für Universitäten. St. Petersburg: Verlag der Staatlichen Technischen Universität St. Petersburg, 1999. 319 p. ISBN 5-7422-0098-6 Die Grundlagen der technischen Thermodynamik und Wärmeübertragung werden skizziert. Es werden die Grundlagen der Thermodynamik, Methoden zur Berechnung thermodynamischer Prozesse mit einem idealen Gas und mit realen Arbeitsflüssigkeiten, Kreisläufe von Kraftwerken, Kältemaschinen und Wärmepumpen vorgestellt. Beschrieben werden die Vorgänge der stationären und instationären Wärmeleitung, der konvektiven Wärmeübertragung und der Wärmeübertragung durch Strahlung. Die Grundlagen der thermischen Berechnung von Wärmetauschern werden vermittelt. Konzipiert für Junggesellen in Richtung 551400 „Terrestrisch Verkehrssysteme ". I8ВN 5-7422-0098-6 St. Petersburg State Technical University, 1999 Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L., 1999 2 INHALT Vorwort................................ ......................................... ........ .... 1. TECHNISCHE THERMODYNAMIK ......... 1.1. Gegenstand und Methode der Technischen Thermodynamik ....... 1.2. Grundbegriffe der Thermodynamik .......................... 1.2.1. Thermodynamisches System und thermodynamische Parameter .................................................. ................. ................. 1.2.2. Thermodynamisches Gleichgewicht und thermodynamischer Gleichgewichtsprozess .................................... ...... 1.2.3. Thermische Zustandsgleichung. Thermodynamische Oberflächen- und Zustandsdiagramme …………………………………………………. 1.2.4. Gemische idealer Gase................................................. 1.2.5. Energie, Arbeit, Wärme .......................................... 1.2.6. Wärmekapazität................................................ . ........ 1.3. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik .......................................... 1.3.1. Gleichung des ersten Anfangs .................................... 1.3.2. Innere Energie als Funktion des Zustands .......................................... ................................................... 1.3.3. Enthalpie und ihre Eigenschaften .......................................... 1.3.4. Gleichung des ersten Hauptsatzes für ein ideales Gas ......................................... ..................................................... ................... 1.4. Analyse von Prozessen mit einem idealen Gas .......................... 1.4.1. Isobarer Prozess................................................ 1.4. 2. Isochorischer Prozess .................................................. .... 1.4 .3. Isothermer Prozess................................................ 1.4. 4. Adiabatischer Prozess .................................................. .... 1.4.5 . Polytrope Prozesse .......................................... 1.4.6. Verdichtung von Gas in einem Kolbenkompressor .................. 1.5. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik .......................................... 1.5.1. Reversible und irreversible Prozesse .................. 1.5.2. Zyklen und ihre Effizienz .................................................. ......... ...... 1.5.3. Aussagen des zweiten Hauptsatzes .......................... 1.5.4. Carnot-Zyklus. Satz von Carnot................................. 3 1.5.5. Entropie, ihre Änderung in reversiblen und irreversiblen Prozessen ......................................... ...................... ......................... 1.5.6. T–s Zustandsdiagramm. Entropieänderung bei idealen Gasprozessen....... ................................................. . .................... 1.5.7. Thermodynamische Temperaturskala ...... 1.6. Zyklen von Hubkolben-Verbrennungsmotoren .................................... ................. ................................. .... 1.6.1. Zyklus mit isochorer Wärmezufuhr (Otto-Zyklus) 1.6.2. Kreislauf mit isobarer Wärmezufuhr (Dieselkreislauf) .......................................... ..................................................... ................... ................ 1.6.3. Vergleich der Effizienz von Verbrennungsmotorkreisläufen .................. 1.7. Kreisläufe von Gasturbinenanlagen................................................. 1.7.1. Schema und Kreisprozess bei isobarer Wärmezufuhr 1.7.2. Thermischer Wirkungsgrad des Brayton-Zyklus................................. 1.7.3. Regenerativer GTU-Zyklus .................................................. 1.7 .4. Wirkungsgrad realer Zyklen................. 1.8. Thermodynamik realer Arbeitskörper................................. 1.8.1. Zustandsgleichungen realer Gase ......... 1.8.2. Änderung des Aggregatzustandes der Materie.... 1.8.3. Zustandsdiagramme und -tabellen .................................... 1.9. Kreisläufe von Dampfkraftwerken .................................... 1.9.1. Dampf-Carnot-Zyklus .................................................. ... 1.9.2. Rankine-Zyklus .................................................. .. ..... 1.10. Kreisläufe von Kältemaschinen und Wärmepumpen 1.10.1 Umgekehrter Carnot-Kreisprozess .................................... .............. 1.10 .2. Dampfkompressions-Kältekreislauf mit Dampfüberhitzung und Drosselung .................................... 1.10.3. Wärmepumpenkreislauf................................................ 1.11 . Nasse Luft................................................ .......... 1.11.1 Grundlegende Konzepte und Definitionen ................... 1.11.2. h–d-Diagramm feuchter Luft................. 2. WÄRMEÜBERTRAGUNG....................... ................................... 4 2.1. Allgemeine Darstellungenüber die Wärmeübertragung .......................... 2.2. Wärmeleitfähigkeit................................................ ....... 2.2.1. Grundlegende Konzepte und Definitionen ................ 2.2.2. Hypothese Bio-Fourier .................................... 2.2.3 Differentialgleichung der Wärmeleitung. …………………………………………………………… 2.2.4. Eindeutigkeitsbedingungen ................................ 2.2.5 Körpermodelle bei Wärmeleitungsproblemen ..... ......... 2.3. Stationäre Wärmeleitfähigkeit .......................................... 2.3.1. Wärmeleitfähigkeit von Platten und Schalen ......... 2.3.2. Wärmeleitfähigkeit von gerippten Oberflächen. 2.4. Instationäre Wärmeleitfähigkeit .................................. 2.4.1. Wärmeleitfähigkeit thermisch dünner Körper....... 2.4.2. Wärmeleitfähigkeit eines halbunendlichen Körpers und Stabs .................................. ...................... .......... 2.4.3. Heizen und Kühlen von Platte, Zylinder und Kugel. 2.4.4. Erwärmung und Abkühlung endlich dimensionierter Körper…….. 2.4.5. Reguläres thermisches Regime ................................ 2.5. Annäherungsmethoden der Wärmeleitungstheorie 2.5.1. Elektrothermische Analogie .................................... 2.5.2. Grafische Methode ................................................ 2.5.3. Finite-Differenzen-Methode .......................................... 2.6. Physikalische Grundlagen konvektive Wärmeübertragung. 2.6.1. Grundbegriffe und Definitionen .................. 2.6.2 Differentialgleichungen der konvektiven Wärmeübertragung .................. ......................................... 2.7. Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie .................................................. .. 2.7.1. Ähnlichkeit physikalischer Phänomene .......................... 2.7.2. Ähnlichkeitssätze ................................................ .... 2.7.3 . Ähnlichkeitsgleichungen .................................................. .. 2.7.4. Modellierungsregeln .................................... 2.8. Konvektive Wärmeübertragung in einem einphasigen Medium..... 2.8.1. Strömungsregime von Flüssigkeiten und Gasen ......... 5 2.8.2. Grenzschicht................................................ 2.8. 3. Wärmeübertragung in einer laminaren Grenzschicht auf einer ebenen Fläche ......................................... ......................... ....... 2.8.4. Wärmeübergang in einer turbulenten Grenzschicht auf einer ebenen Fläche ......................................... ......................... ... 2.8.5. Wärmeübertragung bei erzwungener Konvektion in Rohren und Kanälen .................................. ......... 2.8.6 Wärmeübertragung in einer stabilisierten Strömungsstrecke Integral Lyon .................................. ........ 2.8.7. Wärmeübertragung bei laminarer Strömung in Rohren ………………………………………………………….. 2.8.8. Wärmeübertragung bei turbulente Strömung in Rohren... 2.8.9. Wärmeübergang in der Umströmung von Rohren und Rohrbündeln .......................... ...................... ............................ ... 2.8.10. Wärmeübertragung bei freier Konvektion ........ 2.8.11. Wärmeübertragung in fluidisierten Medien ...... 2.9. Konvektive Wärmeübertragung beim Sieden und Kondensieren ......................................... ................................................... 2.9.1. Siedewärmetausch .................................................. 2.9.2. Kondensierende Wärmeübertragung .......................................... 2.9.3. Wärmerohre .................................................... ................ 2.10. Wärmeaustausch durch Strahlung .................................................. 2.10.1. Physikalische Grundlagen der Strahlung................................. 2.10.2. Berechnung der Wärmeübertragung durch Strahlung ......... 2.10.3. Sonneneinstrahlung ................................................ 2.10. 4. Komplexe Wärmeübertragung .......................................... 2.11. Wärmetauscher ................................................ ................ ......... 2.11.1 Klassifizierung und Zweck .......... 2.11.2. Grundlagen der thermischen Berechnung .................................. 2.11.3 Wirkungsgrad von Wärmetauschern. Tatsächliche Wärmedurchgangskoeffizienten .................................................. 2.11.4. Hydraulische Berechnung von Wärmetauschern ... Referenzen .......................................... ......... ................... 6 VORWORT „Technische Thermodynamik und Wärmeübertragung“ ist eines der Hauptfächer im Bachelorstudiengang „Landverkehrssysteme“. Es ist mit Informationen übersättigt und in Bezug auf die Studienzeit auf 1–2 Semester komprimiert, sodass die meisten grundlegenden Lehrbücher den Studierenden nicht viel weiterhelfen: Sie sind zu detailliert, nicht auf das Aufgabenspektrum von Verkehrssystemen ausgerichtet und schließlich sie sind einfach für viel größere Kurse ausgelegt. Für Verkehrsingenieure geht es vor allem darum, das Thema und die Grundideen der Thermodynamik und Wärmeübertragung zu verstehen, die etablierte Terminologie dieser Wissenschaften zu beherrschen. Es ist absolut notwendig, sich an 10-15 zu erinnern Grundformeln(wie zB die ideale Gaszustandsgleichung, die Formel zur Berechnung des Wärmeübergangs durch eine Mehrschichtplatte, das Stefan-Boltzmann-Gesetz etc.). Den Rest der Informationen müssen Sie trotz ihrer Bedeutung nur verstehen, physisch präsentieren und mit Beispielen aus verschiedenen Bereichen des Lebens und der Technologie verbinden. Daher versuchten die Autoren, die Hauptaufmerksamkeit der physikalischen Seite der betrachteten Phänomene zu widmen, und ließen dem mathematischen Apparat einen würdigen, aber bescheidenen Platz. Die Autoren sprechen den Gutachtern – der Abteilung „Wärmetechnik und thermische Kraftwerke“ der St. Petersburg State University of Railway Transport vertreten durch Dr. Naturwissenschaften Prof. I. G. Kiseleva und Ph.D. Technik. Wissenschaftliche Assoz. V. I. Krylov sowie Dr. tech. Naturwissenschaften Prof. B. S. Fokin für wertvolle Anmerkungen, die es ermöglicht haben, den Originaltext zu verbessern. Besonderer Dank - Cand. Technik. Sciences G. G. Gavre für die große Hilfe bei der Erstellung des Manuskripts; Sie hatte die Idee, N, ε - eine Methode zur Berechnung von Wärmetauschern - mit einem traditionellen Berechnungsschema zu vergleichen. Und natürlich war die Hilfe bei der Gestaltung des Buches von den Mitarbeitern der Abteilung sehr wertvoll. Theoretische Basis Heat Engineering“ der St. Petersburg State Technical University 7 E. O. Vvedenskaya, R. M. Groznoy, Doktoranden Yu. V. Burtseva und E. M. Rotinyan. S. Sapozhnikov E. Kitanin 8 1. TECHNISCHE THERMODYNAMIK 1.1 GEGENSTAND UND METHODE DER TECHNISCHEN THERMODYNAMIK Die Thermodynamik – die Wissenschaft der Energieumwandlung – ist grundlegend für einen Ingenieur der Energietechnik. Die Geburt der Thermodynamik fällt zeitlich mit dem Erscheinen der ersten Dampfmaschinen zusammen. 1824 erwog der französische Ingenieur S. Carnot Energie Interaktion Wasser und Dampf mit verschiedenen Teilen des Motors und mit der Umwelt, er besitzt die erste Effizienzklasse Dampfmaschine. Seitdem sind Prozesse in Kraftmaschinen, Aggregatumwandlungen von Stoffen, physikalisch-chemische, Plasma- und andere Prozesse Gegenstand der Untersuchung der Thermodynamik geworden. Diese Studien basieren auf Thermodynamische Methode: Das Untersuchungsobjekt können beliebige Körper sein, die im sogenannten thermodynamischen System enthalten sind. Dieses System sollte: ausreichend umfangreich und komplex sein, damit statistische Regelmäßigkeiten darin beobachtet werden (die Bewegung von Molekülen eines Stoffes in einem bestimmten Volumen, Erwärmung und Abkühlung von Partikeln eines festen Materials in einer Hinterfüllung usw.); geschlossen, d.h. in alle Raumrichtungen begrenzt und aus endlich vielen Teilchen bestehen. Es gibt keine weiteren Beschränkungen für das thermodynamische System. Objekte materielle Welt, nicht im thermodynamischen System enthalten, wird als Umgebung bezeichnet. Zurück zu den Arbeiten von S. Carnot stellen wir fest, dass Wasser und der daraus gewonnene Dampf ein thermodynamisches System sind. Durch die Verfolgung der energetischen Wechselwirkung von Wasser und Dampf mit den umgebenden Körpern ist es möglich, die Effizienz der Umwandlung der der Maschine zugeführten Wärme in Arbeit zu bewerten. Aber moderne Kraftmaschinen verwenden nicht immer Wasser, um Energie umzuwandeln. Wir stimmen zu, jedes Medium, das zur Umwandlung von Energie verwendet wird, als Arbeitskörper zu bezeichnen. 9 Gegenstand der technischen Thermodynamik sind somit die Gesetze der Energieumwandlung bei den Prozessen der Wechselwirkung von Arbeitskörpern mit Elementen von Kraftmaschinen und mit der Umwelt, die Analyse der Vollkommenheit von Kraftmaschinen sowie die Untersuchung der Arbeitseigenschaften Körper und ihre Veränderungen in Interaktionsprozessen. Im Gegensatz zur statistischen Physik, die das physikalische Modell eines Systems mit klaren Wechselwirkungsmustern zwischen Mikropartikeln untersucht, ist die Thermodynamik in ihren Schlussfolgerungen nicht mit irgendeiner Struktur des Körpers und mit bestimmten Formen der Verbindung zwischen den Elementen dieser Struktur verbunden. Die Thermodynamik nutzt die Gesetze universeller Charakter, d.h. gültig für alle Körper, unabhängig von ihrer Struktur. Diese Gesetze bilden die Grundlage aller thermodynamischen Überlegungen und werden als Prinzipien der Thermodynamik bezeichnet. Das erste Prinzip drückt das Energieerhaltungsgesetz aus - das universelle Naturgesetz. Es bestimmt die Energiebilanz in Wechselwirkungen innerhalb des thermodynamischen Systems sowie zwischen dem thermodynamischen System und der Umgebung. Der zweite Hauptsatz bestimmt die Richtung von Energieumwandlungen und erweitert die Möglichkeiten der thermodynamischen Methode erheblich. Beide Prinzipien sind experimenteller Natur und auf alle thermodynamischen Systeme anwendbar. Basierend auf diesen beiden Prinzipien, in mathematischer Form dargestellt, ist es möglich, die Parameter des Energieaustauschs bei auszudrücken verschiedene Wechselwirkungen, Zusammenhänge zwischen Stoffeigenschaften herstellen usw. Um die Ergebnisse aber auf konkrete Zahlen zu bringen, reichen die „inneren Ressourcen“ der Thermodynamik allein nicht aus. Es ist notwendig, experimentelle oder theoretische Ergebnisse zu verwenden, die die Art des Arbeitsfluids in einem realen thermodynamischen System berücksichtigen. Verwendet man beispielsweise experimentelle Daten zur Dichte eines Stoffes, so kann man mit Hilfe der thermodynamischen Analyse seine Wärmekapazität berechnen usw. 10 Thermodynamische Untersuchungen basieren also auf den fundamentalen Naturgesetzen. Gleichzeitig sind technische Berechnungen in der Thermodynamik ohne die Verwendung experimenteller Daten oder der Ergebnisse theoretischer Studien unmöglich. physikalische Eigenschaften Arbeitsgremien. 1.2. GRUNDKONZEPTE DER THERMODYNAMIK 1.2.1. Thermodynamisches System und thermodynamische Parameter Als thermodynamisches System haben wir jeden Körper oder System von Körpern bezeichnet, die miteinander und (oder) mit der Umgebung wechselwirken (ein solches System kann insbesondere die Arbeitskörper von Kraftmaschinen umfassen). Die Definition legt nicht fest, was genau als thermodynamisches System und was als Umgebung betrachtet wird. So ist es beispielsweise möglich, das Arbeitsmedium selbst als thermodynamisches System zu betrachten und „alles andere“ als Umgebung; Es ist möglich, nur einen Teil des Körpers herauszugreifen und den Rest des Körpers und alle anderen Körper als Umgebung zu betrachten. Im Gegensatz dazu ist es möglich, das thermodynamische System zu erweitern - neben dem ersten Körper mehrere andere einzubeziehen und alle anderen Körper als Umgebung zu betrachten. Eine solche Erweiterung oder Verengung des Kreises von Objekten, aus denen ein thermodynamisches System besteht, ermöglicht es uns, dies herauszufinden wichtige Funktionen Arbeitskörper und Energieinteraktionen zwischen ihnen. Es ist bekannt, dass ein und derselbe Stoff in flüssigem, gasförmigem oder festem Zustand vorliegen kann. In diesem Fall werden natürlich auch die Eigenschaften dieses Stoffes, dieses thermodynamischen Systems, anders sein, zum Beispiel Dichte, volumetrischer Ausdehnungskoeffizient, magnetische Permeabilität, Schallgeschwindigkeit usw. All dies sowie andere Größen, die den Zustand charakterisieren eines thermodynamischen Systems, werden thermodynamische Parameterzustände genannt. Da sind viele von denen; traditionell zuordnen

Bestimmung 1

Die Thermodynamik gilt als ein Zweig der Physik, der die gegenseitigen Umwandlungen verschiedener Energiearten untersucht, die mit ihrem Übergang in das Format von Wärme und Arbeit verbunden sind.

Die Hauptsache praktischer Wert Die Thermodynamik liegt in der Möglichkeit, die thermischen Auswirkungen der Reaktion zu berechnen, die vorläufige Angabe der Wahrscheinlichkeit oder Unwahrscheinlichkeit der Reaktion sowie der Bedingungen für ihren Ablauf.

Bestimmung 2

Die Wärmeübertragung ist ein physikalischer Prozess, dessen Kern die Übertragung von Wärmeenergie ist. Der Austausch erfolgt zwischen zwei Stellen bzw. deren System. Voraussetzung In diesem Fall wird die Wärmeübertragung von stark erhitzten Körpern weniger erhitzt.

Das Wesen der Thermodynamik in der Physik

Thermodynamik, Sein Bestandteil Wärmetechnik, beschäftigt sich mit der Untersuchung der Gesetze der Energieumwandlung in verschiedenen chemischen und physikalische Prozesse, die in makroskopischen Systemen entstehen und von thermischen Effekten begleitet werden.

Folgende Energiearten sind bekannt:

• Thermal;
• elektrisch;
• chemisch;
• magnetisch usw.

Die Hauptaufgaben der physikalischen Forschung sind die Thermodynamik von Biosystemen und die technische Thermodynamik.

Die technische Thermodynamik wiederum befasst sich mit der Untersuchung der Muster der gegenseitigen Umwandlungen mechanischer und thermischer Energien (in Kombination mit der Theorie der Wärmeübertragung) und fungiert daher als theoretische Grundlage für die Wärmetechnik, deren Fehlen sie unmöglich machen würde Berechnung und Auslegung einer Wärmekraftmaschine.

Die Methode der Thermodynamik ist phänomenologisch. Das Phänomen wird hier als Ganzes betrachtet. Die Beziehung zwischen den makroskopischen Parametern, die das Verhalten des Systems bestimmen, wird durch die beiden Prinzipien der Thermodynamik hergestellt.

Auch in der Thermodynamik gibt es z wichtiges Konzept, als thermodynamisches System, das zum besseren Verständnis der Vorgänge der Thermodynamik näher betrachtet werden sollte.

Thermodynamisches System

Abbildung 1. Thermodynamisches System. Author24 - Online-Austausch von Studienarbeiten

Bemerkung 1

Ein thermodynamisches System ist ein Komplex aus materiellen Körpern, die untereinander und auch mit externen Körpern, die das System umgeben, in einem Zustand mechanischer und thermischer Wechselwirkungen stehen ( wir redenüber die äußere Umgebung).

Die Wahl des Systems ist in diesem Fall willkürlich und wird durch die Bedingungen des zur Lösung vorgeschlagenen Problems bestimmt. Die Körper außerhalb des Systems werden Umwelt genannt. Das System selbst ist dabei durch eine Steuerfläche (Spezialhülle) von der Umgebung getrennt.

Ja für das einfachste System(z. B. Gas), das unter dem Kolben im Zylinder eingeschlossen ist, fungiert die umgebende Luft als äußere Umgebung, und die Steuerflächen sind die Wände des Zylinders und der Kolben selbst.

Das Zusammenspiel von mechanischen und thermischen Typen eines thermodynamischen Systems geht zu Lasten von Steuerflächen. Bei der mechanischen Wechselwirkung wird entweder vom System selbst oder an ihm Arbeit verrichtet.

BEIM Allgemeiner Fall Das System kann durch magnetische, elektrische und andere Kräfte beeinflusst werden, unter deren Einfluss es Arbeit verrichten wird. Auch solche Arbeiten können im Rahmen der Thermodynamik berücksichtigt werden.

Die thermische Wechselwirkung erfolgt im Rahmen der Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Körpern des Systems sowie zwischen dem System und der Umgebung. In den gebräuchlichsten Beispielen kann dem Gas Wärme durch die Wände des Zylinders zugeführt werden.

Im allgemeinsten Fall kann sich das System mit der Umgebung und Materie austauschen (eine Art Stoffaustausch). Ein solches System wird als offenes System bezeichnet. Dampf- oder Gasströmungen in Turbinen und Pipelines sind Beispiele offene Systeme. Wenn die Substanz die Grenzen des Systems nicht passiert, wird sie als geschlossen bezeichnet.

Ein thermodynamisches System, das keine Wärme mit der Umgebung austauschen kann, wird als thermisch isoliert (oder adiabat) betrachtet. Ein Beispiel für ein solches System kann ein Gas in einem Behälter sein, dessen Wände mit einer idealen Wärmedämmung bedeckt sind, die die Möglichkeit eines Wärmeaustauschs zwischen dem im Behälter enthaltenen Gas und den umgebenden Körpern ausschließt (adiabatische Isolierhülle).

Ein geschlossenes (isoliertes) System ist ein System, das sich weder durch Energie noch durch Materie mit der Umgebung austauscht.

Das einfachste thermodynamische System kann ein Arbeitsmedium sein, das in der Lage ist, die gegenseitige Umwandlung von Arbeit und Wärme durchzuführen. In einem Verbrennungsmotor zum Beispiel ist das Arbeitsmedium ein brennbares Gemisch, das in einem Vergaser (bestehend aus Benzindämpfen und Luft) zubereitet wird.

Merkmale des Wärmeübertragungsprozesses

Die Wärmeübertragung gilt als genau das Phänomen, dessen Umsetzung unter bestimmten Bedingungen möglich ist direkten Kontakt, und bei Vorhandensein von Trennwänden (wo benutzte Körper sowie Umgebungsmaterialien zu Barrieren werden können).

Der Ursprung des Wärmeübertragungsprozesses wird in jenen Fällen wahrscheinlich, in denen kein thermischer Gleichgewichtszustand beobachtet wird. Mit anderen Worten, wenn eines der Objekte eine höhere oder niedrigere Temperatur als das andere hat. Nur in solchen Fällen erfolgt die Übertragung von thermischer Energie.

Seine Vollendung erfolgt, wenn das System selbst in einen Zustand des thermischen (oder thermodynamischen) Gleichgewichts kommt. Der Prozess wird spontan durchgeführt (wie durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik belegt).

Wärmeübertragungsverfahren und Wärmeleitfähigkeit

Der Wärmeübertragungsprozess kann in die folgenden drei Arten unterteilt werden, die der Hauptnatur innewohnen (und innerhalb dieser werden bestimmte Unterkategorien mit ihren eigenen charakteristischen Merkmalen unterschieden):

• Wärmeleitfähigkeit (die Eigenschaft eines bestimmten materiellen Körpers, Energie von einem heißeren zu einem kälteren zu übertragen);
• Konvektion (eine Art Wärmeübertragungsprozess, bei dem sich Stoffpartikel miteinander vermischen, ein ähnlicher Effekt wird bei Flüssigkeiten und Gasen beobachtet);
• Strahlung ( elektromagnetische Strahlung, deren Auftreten durch die innere Energie des Körpers möglich wird. Es hat ein kontinuierliches Spektrum, dessen Intensität und Lage des Maximums von der Körpertemperatur abhängig sind).

Die Grundlage eines solchen Phänomens wie der Wärmeleitfähigkeit ist das Prinzip der chaotischen Bewegung der Bewegung von Molekülen (das sogenannte Brownsche Bewegung). Je höher die Temperatur des Körpers wird, desto aktiver beginnen sich die Moleküle darin zu bewegen (aufgrund des Besitzes größerer kinetischer Energie).

Während des Prozesses der Wärmeleitung Aktive Teilnahme Atome, Elektronen, Moleküle annehmen. Es wird in Körpern durchgeführt, deren verschiedene Teile Temperatur ist nicht gleich.

Im Falle der Fähigkeit eines Stoffes, Wärme zu leiten, können wir von der Anwesenheit sprechen quantitative Merkmale. BEIM dieser Fall diese Rolle spielt der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient. Eine solche Eigenschaft zeigt die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch Einheitsindikatoren für Fläche und Länge geleitet wird. Dabei wird eine Änderung der Körpertemperatur um genau 1 K beobachtet.

Wärmeleitfähigkeit- Dies ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der eine direkte Energieübertragung von Teilchen (Molekülen, Atomen) eines stärker erhitzten Teils des Körpers auf Teilchen seines weniger erhitzten Teils erfolgt.

Betrachten Sie eine Reihe von Experimenten zum Erhitzen eines Feststoffs, einer Flüssigkeit und eines Gases.

Strahlungswärmeübertragung.

Strahlungswärmeübertragung- Dies ist die Wärmeübertragung, bei der Energie durch verschiedene Strahlen übertragen wird.

Es kann sein Sonnenstrahlen, sowie die Strahlen, die von erhitzten Körpern um uns herum ausgesandt werden.

Wenn wir beispielsweise in der Nähe eines Feuers sitzen, spüren wir, wie Wärme vom Feuer auf unseren Körper übertragen wird. Die Ursache für eine solche Wärmeübertragung kann jedoch weder die Wärmeleitfähigkeit (die für die Luft zwischen Flamme und Körper sehr gering ist) noch die Konvektion sein (da Konvektionsströmungen immer nach oben gerichtet sind). Hier findet die dritte Art der Wärmeübertragung statt - Strahlungswärmeübertragung.

Nehmen Sie eine kleine, auf einer Seite geräucherte Flasche.

Führen Sie ein rechtwinklig gebogenes Glasröhrchen durch den Korken hinein. In dieses Röhrchen, das einen schmalen Kanal hat, führen wir eine farbige Flüssigkeit ein. Nachdem wir die Waage an der Röhre befestigt haben, bekommen wir das Gerät - Thermoskop. Mit diesem Gerät können Sie sogar eine leichte Erwärmung der Luft in einer geräucherten Flasche erkennen.

Wenn ein Stück Metall erhitzt wird hohe Temperatur, dann bewegt sich die Flüssigkeitssäule nach rechts. Offensichtlich erwärmte sich die Luft im Kolben und dehnte sich aus. Die schnelle Erwärmung von Luft in einem Thermoskop lässt sich nur durch die Energieübertragung von einem erhitzten Körper auf diesen erklären. Wie bei einem Brand wurde hier die Energie nicht durch Wärmeleitfähigkeit und nicht übertragen konvektive Wärmeübertragung. Die Energie wurde in diesem Fall mit Hilfe von unsichtbaren Strahlen übertragen, die von einem erhitzten Körper ausgesandt wurden. Diese Strahlen werden genannt Wärmestrahlung.

Strahlungswärmeübertragung kann in einem vollständigen Vakuum stattfinden. Dies unterscheidet sie von anderen Arten der Wärmeübertragung.

Alle Körper strahlen Energie aus: sowohl stark erhitzte als auch schwache, zum Beispiel der menschliche Körper, ein Herd, eine elektrische Glühbirne. Aber je höher die Temperatur des Körpers ist, desto stärker ist seine Wärmestrahlung. Die abgestrahlte Energie, die andere Körper erreicht hat, wird von ihnen teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Bei der Absorption wird die Energie der Wärmestrahlung in die innere Energie der Körper umgewandelt und diese erwärmen sich.

Helle und dunkle Oberflächen absorbieren Energie unterschiedlich. Wenn Sie also in einem Experiment mit einem Thermoskop den Kolben in einen erhitzten Körper verwandeln, zuerst rauchen und dann angenehme Seite, dann bewegt sich die Flüssigkeitssäule im ersten Fall zu größerer Abstand als im zweiten (siehe Abbildung oben). Daraus folgt, dass Körper mit dunkler Oberfläche Energie besser aufnehmen (und sich daher stärker erwärmen) als Körper mit heller oder spiegelnder Oberfläche.

Körper mit dunkler Oberfläche absorbieren nicht nur besser, sondern strahlen Energie auch besser ab.

Die Fähigkeit, Strahlungsenergie auf unterschiedliche Weise zu absorbieren, findet Breite Anwendung in der Technik. Zum Beispiel, Luftballons und die Tragflächen von Flugzeugen sind oft silbern lackiert, damit sie durch die Sonnenstrahlen weniger erhitzt werden.

Wenn Sie verwenden müssen Solarenergie(zum Beispiel, um einige installierte Geräte zu heizen künstliche satelliten), dann sind diese Geräte in einer dunklen Farbe lackiert.