Принцип построения термодинамики

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ. Предмет и метод термодинамики

Термодинамика–это наука о взаимных превращениях различных видов энергии.

Термодинамикаизучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами.

Как наука термодинамика сформировалась к концу 19 века и началом ее развития является изготовление Галилеем первого термометра в 1597 году.

Ведущее место в создании термодинамики отдано многим ученым, например:

Р. Майер (1842), Д.Джоуль (1843-1846), Ленц (1844), Гельмгольц (1847) – они раскрыли сущность закона сохранения энергии (первый закон термодинамики);

С.Карно (1824), Клаузиус (1854), Кельвин (1856) – открыли второй закон термодинамики:

Нернст (1906) сформулировал теорему, называемую третьим законом термодинамики. В создании молекулярно-кинетической теории тепловых процессов существенную роль сыграли работы Бернулли (1738), Ломоносова (1758), Максвелла (1860), Больцмана (1877), Менделеева (1860), Столетова, Циолковского и др.

«Термодинамика» с греческого переводится как «термо» - теплота, «динамикос» - сила.

Термодинамика делится на 3 части:

1. Общая термодинамика
2. Химическая термодинамика
3. Техническая термодинамика.

Общая термодинамика (физическая) изучает процессы превращения энергии в твердых, жидких и газообразных телах, излучение тел, магнитные и электрические явления.

Химическая термодинамикаизучает физико-химические превращения вещества, тепловые эффекты реакций, а также химическое равновесие систем.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения теплоты в работу, устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства газов и паров при различных физических условиях.

На основе технической термодинамики осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей – паровых и газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, а также всевозможного технологического оборудования – компрессорных машин, сушильных и холодильных установок и т. д.

Принцип построения термодинамики

В основу термодинамики положены 2 основных закона (начала), установленных опытным путем:

1. Закон сохранения и превращения энергии – I закон термодинамики.

2. Закон, определяющий направление протекания термодинамического процесса –

II закон термодинамики.

I закон термодинамики характеризует количественную сторону процессов превращения энергии;

II закон термодинамики характеризует качественную сторону (направленность) процессов, происходящих в физических системах.

Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамическая система – совокупность материальных тел, обменивающихся энергией друг с другом, и с окружающей средой.

Объект термодинамического исследования называется системой, а все, что не включено в систему, но может взаимодействовать с ней, называется окружающей средой.

Пример ТД системы – газ, находящийся в цилиндре с поршнем. Окружающая среда- цилиндр и поршень, воздух, который окружает их, стены помещения, где находится цилиндр с поршнем.

В технической термодинамике изучаются системы, осуществляющие взаимное превращение теплоты и работы. Обычно это газы и пары. Их называют рабочими телами.

Рабочее тело – макроскопическое тело, состоящее из большого числа частиц, т.е. это вещества, изменяющие свой объем в процессе подвода и отвода тепла.

Открытая ТД система- система, которая может обмениваться со средой веществом. Примеры открытых систем – потоки газа или пара в трубопроводах.

Закрытая (замкнутая) система – система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом.

Теплоизолированная (адиабатная) система- система, которая не может обмениваться теплом с окружающей средой. Пример адиабатной системы – газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами.

Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

Гомогенная система – однородная система, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких макроскопических частей, с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

Фазы – гомогенные части системы, отделенные от остальных частей поверхностями раздела.

Вещество может находиться в трех состояниях – твердом, жидком и газообразном. Наиболее удобным является газообразное, так как в этом состоянии тело обладает наибольшей способностью к расширению при нагревании ( при расширении совершается работа).

Термодинамический процесс – совокупность изменений состояния ТД системы при переходе из одного равновесного состояния в другое.

Равновесное состояние – состояние, при котором во всех точках его объема давление, температура и удельный объем одинаковые. Если процесс проходит через равновесное состояние, то он называется равновесным (теплообмен, диффузия).

Неравновесные процессы - процессы, при протекании которых система не находится в состоянии равновесия. Например, при быстром расширении газа в цилиндре под поршнем или при быстром сжатии газа температура и давление в различных точках объема рабочего тела не одинаковые, то есть находятся в неравновесном состоянии.

В термодинамике различают следующие процессы: изобарные, изохорные, изотермические, адиабатные и политропные.

Замкнутый (круговой) процесс-процесс, при котором система возвращается в исходное состояние (используется для анализа работы тепловых двигателей и машин).

Свойства вещества могут быть интенсивными и экстенсивными.

Интенсивные свойства – свойства, не зависящие от количества вещества в системе (давление, температура).

Экстенсивные свойства – свойства, зависящие от количества вещества. Пример экстенсивных свойств – объем, который изменяется в данных условиях пропорционально количеству вещества: объем 10 кг вещества будет в 10 раз больше, чем объем 1 кг. Интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел (термодинамической системы) – называют термодинамическими параметрами состояния тела (системы).