2.2. Основні поняття та визначення

Термодинаміка як самостійна наука про теплові явища і перетворення теплової енергії у механічну склалась у другій половині ХІХ ст. внаслідок низки технічних та наукових відкриттів і бурхливого розвитку теплових двигунів.

Технічна термодинаміка досліджує головним чином співвідношення між параметрами термодинамічних систем і роботою, що виконується. Нагадаємо визначення кожного із цих понять, загалом відомих із курсів фізики.

Термодинамічною системою називають сукупність матеріальних тіл, що знаходяться у тепловій і механічній взаємодії. У термодинамічну систему включають джерела теплоти, робочі тіла і оточуюче їх середовище. У поодинокому випадку окремо взяте тіло, що складається із молекул і атомів, так само можна розглядати як термодинамічну систему.

Гарячим джерелом (тепловіддавачем) називають тіло, що має, як правило, найбільш високу температуру і віддає свою енергію робочим тілам системи у вигляді теплоти.

Холодним джерелом (теплоприймачем) називають тіло, до якого підводиться теплота від робочих тіл системи. У технічних системах холодним джерелом, як правило, служить оточуюче середовище, що складається із оточуючого нас атмосферного повітря і води у відкритих водоймах.

Робочим тілом є, як правило, газоподібна речовина, яка, змінюючи свій стан під впливом нагрівання чи охолодження, а так само здійснюючи процеси розширення чи стиснення, перетворює теплову енергію у механічну чи електричну (або навпаки).

Станом системи називають певне поєднання властивостей цієї системи, якими є будь-які спостережувані показники системи.

Параметром стану системи називають такий її показник, зміна якого обов'язково пов'язана зі зміною стану системи. Параметри стану системи дозволяють дати його кількісну оцінку. Два стани системи будуть тотожні, якщо в обох випадках всі її параметри є однаковими. Відповідні показники, що відносяться до якого-небудь тіла, називають параметра ми стану цього тіла.

Будь-яку зміну стану тіла чи системи, пов'язану з тепловими явищами, називають термо динамічним процесом.

Будь-який процес зміни стану робочого тіла являє собою відхилення від стану рівноваги. Процес, який протікає настільки повільно, що у системі (робочому тілі) в кожну мить встигає установитися рівноважний стан, називається рівноважним. У протилежному випадку він називається нерівноважним.

Отже, рівноважний процес може бути нескінченно повільним. Всякий процес, який протікає з кінцевою швидкістю, викликає появу кінцевих різниць густини, температури, тиску та інших параметрів.

Оборотним процесом називається такий термодинамічний процес, який протікає через одні й ті ж рівноважні стани у прямому і зворотному напрямках так, що у робочому тілі та в оточуючому його середовищі (системі) не відбувається ніяких залишкових змін.

Процеси, що не задовольняють цієї умови, називаються необоротними. Оборотні процеси у чистому вигляді у природі та техніці не зустрічаються, оскільки реальні процеси завжди протікають з кінцевими швидкостями і з кінцевими різницями температур і у робочому тілі не встигають установлюватись рівноважні стани.

У термодинамічному процесі обов'язково змінюється хоча б один параметр стану, а також, як правило, відбувається теплообмін і здійснюється робота.

Неперервну послідовність станів, через які проходить система у процесі, що розглядається, називають шляхом процесу.

Сукупність послідовних термодинамічних процесів, при яких кінцевий і початковий стани робочого тіла співпадають, називають термодинамічним циклом, чи просто циклом.

У кожному циклі є процеси підводу теплоти від одного джерела і віддачі теплоти іншому джерелу, а також процеси здійснення роботи розширення і стиснення. Отже, у будь-якому термодинамічному циклі обов'язково бере участь система тіл, що складається хоча б з одного джерела теплоти, робочого тіла і оточуючого середовища.

Всі параметри стану будь-якої термодинамічної системи поділяються на інтенсивні та екстенсивні. Інтенсивними називають параметри, що не залежать від кількості речовини (наприклад тиск, температура), а екстенсив ними – ті, що залежать від кількості речовини (наприклад об'єм). Всі екстенсивні параметри мають властивості адитивності. Адитивність ( від лат. аdditivus – придатковий) – властивість величин, яка полягає у тому, що значення величини, відповідне цілому об'єкту, дорівнює сумі величин, відповідних його частинам за будь-якого розбиття об'єкту на частини. Наприклад, адитивність об'єму означає, що об'єм цілого тіла дорівнює сумі об'ємів складаючих його частин. Параметри, що відображають внутрішню теплову енергію, називають калоричними.

Температура, тиск і питомий об'єм є основними параметрами стану.

Термодинаміка розглядає температуру як середньостатистичну величину, яка може характеризувати систему, що складається з величезної кількості молекул, котрі знаходяться в хаотичному (тепловому) русі. Тому до одиничних атомів і молекул поняття температури застосовувати не можна. Термодинамічним параметром стану тіл чи системи є абсолютна температура, відлік якої розпочинається від абсолютного нуля температури за шкалою Кельвіна.

Температура, згідно з кінетичною теорією газів, характеризує середню кінетичну енергію поступального руху елементарних частинок речовини (молекул). Між середньою кінетичною енергією молекул газу і температурою є прямий зв'язок, а саме:

Ек=mw2 /2=3/2kT,

де m – маса молекули; w – середня квадратична швидкість поступального руху молекул; k – стала Больцмана; T – абсолютна температура.

Для практичних вимірювань температури користуються міжнародною шкалою Цельсія. Співвідношення між шкалами таке:

T=t+273,15К.

Градус абсолютної шкали (К) чисельно дорівнює градусу шкали Цельсія (°C), оскільки

ΔT,K=Δt,oC.

Тиском в технічній термодинаміці називають силу дії речовини на поверхню, що її обмежує, віднесену до одиниці цієї поверхні. Тиск, що створюється атмосферним повітрям, називають барометричним. Якщо абсолютний тиск ра речовини в якій-небудь посудині більший барометричного В, то різницю між ними (ра–В) називають надлишковим тиском:

pн=ра–В.

Коли абсолютний тиск газу чи пари у посудині нижчий барометричного, тобто при ра<В, різницю (В–ра) називають розрідженням, або вакуумом:

W=В–ра.

Згідно з Міжнародною системою одиниць тиск вимірюють у ньютонах на квадратний метр (Н/м2) і називають паскалем (Па). Тиск в 106 Н/м2 називають мегапаскалем (MПа), тиск в 105 Н/м2 – баром.

У технічних установках до цього часу користуються старою одиницею питомого тиску – технічною атмосферою, яка дорівнює силі 1 кгс, що діє на 1 см2 площі:

1атм=1кгс/см2=104кгс/м2=9,8·104Н/м2=0,981бар;

 

1бар=1,01972кгс/см2.

Питомим об'ємом υ у термодинаміці називають об'єм 1 кг маси речовини. Таким чином, розмірністю питомого об'єму є м3/кг. Величину, обернену питомому об'єму, називають густиною речовини (кг/м3):

ρ=1/υ.

Тиск, питомий об'єм і температуру називають термічними параметрами стану. Між цими трьома параметрами (ρ,υ,T) існує певний взаємозв'язок, який дозволяє виразити будь-який з них через два інші.

Вказані залежності називаються рівняння ми стану. Рівняння стану ідеального газу має вигляд:

PV=m/μ RT.

Це рівняння називається рівнянням Менделєєва – Клапейрона. Тут P, T – тиск і абсолютна температура; V – об'єм ідеального газу, м3; μ – молекулярна маса газу; m – маса газу, кг; R – постійна величина, однакова для всіх газів, яка називається універсальною газовою сталою:

R = 8, 314·10³ Дж/(кмоль·К).

Речовини, що застосовуються у теплових двигунах чи теплоенергетичних установках як робочі тіла або теплоносії, можуть знаходитись в різних станах – твердому, рідкому і газоподібному.

Чистою речовиною називають систему, однорідну за складом і незмінну в хімічному відношенні. Всі три вищеназвані стани чистої речовини називають фазами. У загальному випадку фазою називають будь-який фізично однорідний вид системи. Тверда, рідка і газоподібна фази речовини можуть існувати окремо або спільно у різних комбінаціях. Систему, що складається з однієї фази, називають гомо генною, а систему, яка складається із двох фаз одночасно, – гетерогенною.

Перехід чистої речовини з одного фазового стану в інший супроводжується певним тепловим ефектом. Наприклад, якщо нагрівати лід при незмінному нормальному атмосферному тиску, то його температура буде рівномірно підвищуватись до того часу, поки не досягне 0°С. Дальше підведення теплоти вже не викликає підвищення температури, а лід починає перетворюватись у воду, тобто плавиться, при незмінній температурі.

При нагріванні води її температура також підвищується, поки не досягне температури кипіння (залежної від тиску цієї рідини). З цього часу дальше нагрівання рідини не супроводжується підвищенням її температури, а буде відбуватись пароутворення (при p=const и T= const), тобто процес перетворення рідини в пару. Процес, обернений пароутворенню, називається конденсацією пари.

Пара, що утворюється в процесі кипіння, знаходиться в рівновазі з рідиною і має з нею однакові тиск і температуру. Таку пару називають насиченою, насичену пару без рідкої фази – сухою насиченою парою. Якщо ж є якась частина рідини, що не випарувалась, то таку пару називають вологою. По суті волога пара являє собою механічну суміш сухої насиченої пари і рідини, яка нагріта до температури кипіння при даному тиску. Збільшення тиску для всіх відомих рідин приводить до підвищення їх температури пароутворення, яку часто називають температурою насичення і позначають tн (або Tн). Наступне підведення теплоти до сухої насиченої пари (при тому самому тиску) приводить до підвищення її температури. Пару, температура якої вища температури кипіння рідини при даному тиску, називають перегрітою.

Основними термодинамічними процесами в теплоенергетичних установках є: ізобарний, коли відбувається нагрівання, пароутворення і конденсація робочих тіл при постійному тиску; адіабатний, в якому без підведення чи відведення теплоти здійснюється стиснення газів, парів чи рідин або їх розширення. Процеси при постійному об'ємі (ізохорний) та при постійній температурі (ізотермічний) використовують рідше.