ТЕРМОДИНАМИКА
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕРМОДИНАМИКА.
2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Основной целью изучения дисциплины «Термодинамика и теплопередача» является овладение знаниями в области теоретических основ теплотехники с учетом дальнейшего обучения и подготовки к профессиональной деятельности по специальностям соответственно «Локомотивы» (Т), «Вагоны» (В) и «Электрический транспорт» (ЭПС).
Термодинамика,раздел прикладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращение движения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не только вопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений. См. также ТЕПЛОТА.
Термодинамика находит широкое применение в физической химии и химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. Первоначально в термодинамике много внимания уделялось обратимым процессам и равновесным состояниям, так что более подходящим для нее казалось название <термостатика>, но благодаря С.Аррениусу (1859—1927) и Г.Эйрингу (1901—1981) получило весьма основательную разработку ее применение к анализу скоростей химических реакций (химической кинетике). В настоящее время главной проблемой в термодинамике является ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехи в построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимых процессов.
Преобразование тепловой энергии в механическую в энергетических установках не возможно без использования какого-либо вещества, назначение которого воспринимать теплоту и совершать работу. Это вещество называют рабочим телом. Рабочее тело может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии, но для преобразования тепловой энергии в механическую наилучшее применение нашли газообразные тела, так как только они способны существенно изменять свой объем при изменении температуры и давления. При теоретическом изучении газов, обычно принято иметь дело, с так называемым, идеальным газом. Идеальный газ –– это такой газ, в котором отсутствуют силы сцеплений между молекулами, а сами молекулы принимают за материальные точки. В природе таких газов не существует, но в технических расчетах вполне допустимо считать идеальными все газы, кроме паров некоторых жидкостей (например, водяной пар), которые могут встречаться в двояком состоянии, то есть пар является реальным газом.
Совокупность рабочих тел, взаимодействующих друг с другом, образует термодинамическую систему. Физические тела, не входящие в систему, составляют окружающую среду. Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники теплоты и рабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу. Система, не обменивающаяся теплотой и массой с окружающей средой, считается изолированной. Система, не обменивающаяся с окружающей средой веществом, называют закрытой или замкнутой. В противном случае система называется открытой.
При взаимодействии с окружающей средой рабочее тело переходит из одного состояния в другое, о чем можно судить по изменению его параметров состояния. Если состояние рабочего тела не изменяется с течением времени, а параметры имеют одинаковое значение в различных точках пространства, то такое состояние вещества называется равновесным (стационарным). Когда такое равновесие отсутствует, состояние рабочего тела называют неравновесным. При изменении параметров системы меняется и состояние системы, то есть осуществляется термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний. Любой реальный процесс является неравновесным, поскольку при его протекании различные части системы имеют различные температуру, давление, удельный объем и.т.п. Однако эта неравновесность может быть бесконечно малой при уменьшении скорости протекания процесса, поэтому под понятием «процесс» понимают равновесный термодинамический процесс. Равновесный процесс может протекать как в направлении возрастания, так и убывания одного из параметров состояния, то есть как в одном, так и в противоположном направлениях. При этом система каждый раз будет проходить через одни и те же состояния, но в обратном порядке. Поэтому равновесные процессы являются обратимыми. Отличительное свойство обратимых процессов это то, что в системе и в окружающей среде отсутствуют какие-либо остаточные изменения при возращении системы в исходное состояние. Процессы, не обладающие этим свойством, называются необратимые. При совершении системой необратимого процесса на ее возращение в исходное состояние требуются дополнительные энергозатраты со стороны окружающей среды. Все реальные процессы вследствие трения, теплообмена при конечной разности температур и ограниченности времени их протекания являются необратимыми.
Всякая термодинамическая система имеет свою внутреннюю энергию. Внутренняя энергия представляет собой совокупность всех видов энергий (тепловая, химическая, электрическая, магнитная и пр.), которыми обладает рабочее тело или система тел. Энергия движения молекул представляет собой внутреннюю кинетическую энергию (определяющим параметром которой является температура Т), а энергия взаимодействия между молекулами (определяющими параметрами которой являются давление р и объем v) –– внутреннюю потенциальную энергию. Сумма этих видов энергий будет называться внутренней энергией тела. Обозначают внутреннюю энергию буквой U и измеряют в джоулях (Дж), а удельную внутреннюю энергию и = U/М в джоулях на килограмм (Дж/кг). Для идеальных газов силы сцепления между молекулами равны нулю, следовательно, внутренняя энергия таких газов будет зависеть только от их абсолютной температуры: 
. Значение внутренней энергии идеального газа можно определить 
.
Внутренняя энергия в произвольных термодинамических процессах может частично передаваться от одного тела к другому в форме теплоты. Характерной особенностью этой формы является то, что осуществляется оно путем энергетического взаимодействия между молекулами участвующих в процессе тел, то есть при этом отсутствует взаимное движение тел.
Поскольку теплота (тепловая энергия) представляет собой часть внутренней энергии, передаваемой в термодинамическом процессе, то принято говорить, что теплота подводится или отводится от тела. Энергия отведенная в форме теплоты, считается отрицательной, подведенная –– положительной. Теплоту обозначают буквой Q и измеряют в Джоулях (Дж), удельную теплоту обозначают q и измеряют Джоули на килограмм (Дж/кг).
Работа также представляет собой часть внутренней энергии, передаваемой в термодинамическом процессе. Но в отличие от теплоты передача энергии в форме работы связана с видимым перемещением тела и в частности с изменением его объема. Работу обозначают буквой L и измеряют в джоулях (Дж), а удельную работу l = L/М в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Таким образом, теплота и работа являются различными формами передачи внутренней энергии в термодинамическом процессе. Связь между теплотой и работой устанавливает механический эквивалент, равный 4,2 Дж, то есть 1ккал = 4,2 кДж.
Работа в обычном определении механики есть произведении силы F, действующей в направлении движения, на путь перемещения тела dx.
Работа, совершаемая термодинамической системой над окружающей средой, считается положительной и называется механической или работой изменения объема, определяется:
.
Работа, совершаемая сторонними силами (окружающей средой) над термодинамической системой, считается отрицательной и называется технической или работой изменения давления, определяется:
.