Рабочее тело и его параметры

Основы термодинамики

Термодинамика – наука, изучающая превращения энергии в различных процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами.

Методы термодинамики основаны на универсальном законе природы– законе сохранении энергии.

I. Рабочее тело и параметры его состояния. Основные законы идеального газа.

Газ

Способность газа заполнять весь объем , в который его помещают, подтверждает, что молекулы газа находятся в постоянном движении. Установлено, что движение молекул газа беспорядочно и хаотично.

Простой моделью реального газа является так называемый идеальный газ, у которого объем, занимаемый его молекулами, мал по сравнению с объемом всего рассматриваемого газа; молекулы газа рассматриваются как беспорядочно движущиеся материальные точки, распределенные равномерно во всем объеме газа. Силами сцепления между молекулами идеального газа пренебрегают. Следует помнить, что идеального газа в действительности нет; это модель , которая отражает свойства реальных газов приближенно. Тем не менее, изучение законов идеального газа помогает определять поведение реального газа в различных условиях. Чем ниже давление и выше температура, тем ближе свойства реального газа к свойствам идеального. В дальнейшем все выводы и зависимости будут относиться к идеальному газу.

Рабочее тело и его параметры

Часто тепловой процесс включает в себя теплообмен, когда есть источник тепла с температурой Т₁ – нагреватель и охладитель с температурой Т₂<T₁ – холодильник.

Хорошо известно ,что превратить механическую работу в тепло очень просто – для этого необходимо создать поверхность трения; в частности древние люди добывали так огонь. Значительно труднее преобразовать тепло в механическую работу (энергию).

Если нагреватель и холодильник привести в непосредственное соприкосновение, то тепло от первого перейдет ко второму и при этом никакой работы совершено не будет. Произойдет простой теплообмен.

Пример. Если привести в соприкосновение два куска железа – нагретый и холодный, то от горячего куска тепло будет переходить к холодному до тех пор ,пока их температура не сравняется.

Для получения механической работы (энергии) в любом тепловом двигателе необходимо привлечь еще одно тело, которое называется рабочим телом.

Пример. В двигателе внутреннего сгорания рабочим телом является газ, образующийся в процессе сгорания рабочей смеси, в паровых турбинах – водяной пар. Нагревателем являются продукты сгорания топлива, а холодильником – атмосфера, куда выбрасывается отработавший газ или конденсатор, принимающий отработавший водяной пар.

В зависимости от рассматриваемой задачи при термодинамическом исследовании выделяется определенная группа тел, которая называется термодинамической системой.

Тела, взаимодействующие с системой и оказывающие влияние на ее свойства, называются внешней средой. Например, цилиндр, поршень, окружающий воздух и т.д.

Термодинамическим процессом называют изменение состояния термодинамической системы в результате обмена энергией (тепловой или механической) с окружающей средой.

Физические величины, характеризующие термодинамическое состояние системы, называются параметрами состояния. Важнейшими из них являются удельный объем υ, давление p и температура T.

Следует иметь в виду, что в любой термодинамической системе никогда не изменяется один параметр - обязательно изменяются минимум два их них одновременно.

Давление.В термодинамике всегда пользуются абсолютным давлением, т.е. атмосферное плюс избыточное. Свойство газа оказывать давление на стенки сосуда, в котором он находится, есть одно из его основных свойств. Именно оно позволяет использовать газ в качестве рабочего тела в процессах преобразования энергии. Жидкости или твердые тела почти не используются в качестве рабочих тел.

Температура.Величину, характеризующую степень нагретости тела, называют температурой.

Температуру газа рассматривают как меру средней кинетической энергии молекул газа. С этой точки зрения температура должна измеряться в единицах энергии, но в технике это неудобно. По этой причине температуру измеряют в градусах (коэффициентом перевода является постоянная Больцмана k, Дж/град ). В термодинамических расчетах пользуются шкалой, предложенной в 1848г. английским ученым Кельвином. Нулем шкалы Кельвина является температура, при которой прекращаются хаотические движения молекул идеального газа; эту температуру называют абсолютным нулем. Абсолютный нуль соответствует температуре -273,15^о по шкале Цельсия. Температура, отсчитывается по шкале Кельвина всегда положительно. Ее называют абсолютной температурой и обозначают T^oK.

В технике очень часто пользуются шкалой Цельсия; температуру по этой шкале отсчитывают от точки замерзания воды, принимая температуру в этой точке равной нулю. Температуру по этой шкале обозначают t^oC. Связь между температурой по абсолютной шкале и температурой по Цельсию определяется по формуле

T^oK= 273,15+t^oC