Лекции термодинамика и теплопередача

Определение 1

Термодинамика считается разделом физики, занимающимся изучением взаимных преобразований разнообразных видов энергии, взаимосвязанных с ее переходом в формат теплоты и работы.

Главное практическое значение термодинамики заключается в возможности расчетов тепловых эффектов реакции, предварительного указания вероятности или невероятности осуществления реакции и также условия ее прохождения.

Определение 2

Теплопередача является физическим процессом, чья суть будет заключаться в передаче тепловой энергии. Обмен производится между двумя телами либо их системой. Обязательным условием в таком случае станет передача тепла от сильно нагретых тел менее нагретым.

Суть термодинамики в физике

Термодинамика, являясь составной частью теплотехники, занимается изучением законов превращений энергии в разных химических и физических процессах, которые производятся в макроскопических системах и сопровождаются при этом тепловыми эффектами.

Известны такие разновидности энергии:

  • тепловая;
  • электрическая;
  • химическая;
  • магнитная и др.

В качестве основных задач исследований в физике выделяют термодинамику биосистем и техническую термодинамику.

Техническая термодинамика, в свою очередь, занимается исследованием закономерностей взаимных превращений механической и тепловой энергий (в комплексе с теорией теплообмена) и поэтому выступает в качестве теоретического фундамента теплотехники, отсутствие которого сделало бы невозможным расчет и проектирование теплового двигателя.

Метод, задействованный в термодинамике, является феноменологическим. Явление здесь рассматривается в целом. Связь макроскопических параметров, определяющих поведение системы, устанавливается двумя началами термодинамики.

Также в термодинамике существует такое важное понятие, как термодинамическая система, которую следует рассмотреть более детально, для лучшего понимания процессов термодинамики.

Термодинамическая система

Рисунок 1. Термодинамическая система. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Термодинамическая система представляет собой комплекс материальных тел, пребывающих в состоянии механического и теплового взаимодействий между собой и также – с внешними телами, которые окружают систему (речь идет о внешней среде).

Выбор системы в таком случае будет произвольным и диктоваться условиями предлагаемой для решения задачи. Не входящие в систему тела получили название окружающей среды. Сама система, в то же время, отделяется от окружающей среды посредством контрольной поверхности (специальной оболочки).

Так, для простейшей системы (например, газа), который заключен под поршнем в цилиндре, в качестве внешней среды выступит окружающий воздух, а контрольных поверхностей - стенки цилиндра и сам поршень.

Взаимодействие механического и теплового типа термодинамической системы осуществляются за счет контрольных поверхностей. В процессе механического взаимодействия будет совершаться работа, выполняемая либо самой системой, или над ней.

В общем случае на систему способны воздействовать магнитные, электрические и прочие силы, под чьим воздействием ею будет совершаться работа. Данные виды работ также могут учитываться в рамках термодинамики.

Тепловое взаимодействие будет заключаться в рамках перехода теплоты между отдельными телами системы, а также - между системой и окружающей средой. В наиболее распространенных примерах теплота может подводиться к газу за счет стенок цилиндра.

В наиболее общем случае система может производить обмен со средой и веществом (вид массообменного взаимодействия). Подобная система получила название открытой). Паровые или газовые потоки в турбинах и трубопроводах представляют собой примеры открытых систем. В случае не прохождения вещества сквозь границы системы, она будет называться закрытой.

Термодинамическая система, не способная обмениваться теплотой с окружающей средой, считается теплоизолированной (или адиабатной). В качестве примера подобной системы может выступить газ, пребывающий внутри сосуда, чьи стенки покрыли идеальной тепловой изоляцией, исключающей возможность теплового обмена между газом, заключенным в сосуде, и окружающими телами (адиабатная изоляционная оболочка).

Замкнутая (изолированная) система представляет собой систему, не обменивающуюся с внешней средой ни посредством энергии, ни за счет вещества.

В качестве простейшей термодинамической системы может выступать рабочее тело, способное осуществлять взаимное превращение работы и теплоты. В двигателе внутреннего сгорания, к примеру, рабочим телом будет являться горючая смесь, которая приготовлена в карбюраторе (состоящая из бензиновых паров и воздуха).

Особенности процесса теплопередачи

Теплопередача считается той самой разновидностью явления, чье осуществление возможно и в условиях прямого контакта, и при присутствии разделяющих перегородок (где преградами могут стать использованные тела, а также, материалы среды).

Происхождение процесса тепловой передачи становится вероятным в тех случаях, когда не наблюдается состояние теплового равновесия. Иными словами, когда у одного из объектов наблюдается большая или меньшая температура, сравнительно с другим. Только в таких случаях и осуществляется передача тепловой энергии.

Ее завершение произойдет тогда, когда сама система придет в состояние теплового (или термодинамического) равновесия. Процесс будет осуществляться самопроизвольно (о чем свидетельствует второе начало термодинамики).

Способы теплопередачи и теплопроводность

Процесс теплопередачи можно разделить на следующие три способа, которым присуща основная природа (а внутри них выделяются определенные подкатегории со своими характерными особенностями):

  • теплопроводность (свойство определенного материального тела осуществлять перенос энергии от более нагретой к той, что похолоднее);
  • конвекция (своеобразный процесс тепловой передачи, в ходе которого частицы веществ будут перемешиваться между собой, подобное действие наблюдается в жидкостях и газах);
  • излучение (электромагнитное излучение, чье возникновение становится возможным, благодаря внутренней энергии тела. Обладает сплошным спектром, интенсивность и расположение максимума которого зависимы от температуры тела).

В основе такого явления, как теплопроводность, положен принцип хаотичного движения перемещения молекул (что представляет так называемое броуновское движение). Чем большей становится температура тела, тем активнее в нем начинают двигаться молекулы (из-за обладания большей кинетической энергией).

В процессе теплопроводности активное участие принимают атомы, электроны, молекулы. Осуществляется она в телах, чьим разным частям свойственна неодинаковая температура.

В случае способности вещества проводить тепло, можно говорить о присутствии количественной характеристики. В данном случае эта роль выполняется коэффициентом теплопроводности. Подобная характеристика демонстрирует количество теплоты, которое пройдет через единичные показатели площади и длины за единицу времени. При этом наблюдается изменение температуры тела ровно на 1 К.

Сегодня мы попытаемся найти ответ на вопрос “Теплопередача - это?..”. В статье рассмотрим, что представляет собой процесс, какие его виды существуют в природе, а также узнаем, какова связь между теплопередачей и термодинамикой.

Определение

Теплопередача - это физический процесс, суть которого заключается в передаче Обмен происходит между двумя телами или их системой. При этом обязательным условием будет передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым.

Особенности процесса

Теплопередача - это тот самый вид явления, который может происходить и при прямом контакте, и при наличии разделяющих перегородок. В первом случае все ясно, во втором же в качестве преград могут быть использованы тела, материалы, среды. Теплопередача будет происходить в случаях, если система, состоящая из двух или более тел, не находится в состоянии теплового равновесия. То есть, один из объектов имеет большую или меньшую температуру по сравнению с другим. Вот тогда происходит передача тепловой энергии. Логично предположить, что она завершится тогда, когда система придет в состояние термодинамического, или теплового равновесия. Процесс происходит самопроизвольно, о чем нам может рассказать

Виды

Теплопередача - это процесс, который можно разделить на три способа. Они будут иметь основную природу, поскольку внутри них можно выделить настоящие подкатегории, имеющие свои характерные особенности наравне с общими закономерностями. На сегодняшний день принято выделять три Это теплопроводность, конвекция и излучение. Начнем с первой, пожалуй.

Способы

Так называется свойство того или иного материального тела совершать перенос энергии. При этом она переносится от более нагретой части к той, что холоднее. В основе этого явления лежит принцип хаотичного движения молекул. Это так называемое броуновское движение. Чем больше температура тела, тем активнее в нем двигаются молекулы, поскольку они обладают большей кинетической энергией. В процессе теплопроводности участвуют электроны, молекулы, атомы. Осуществляется она в телах, разные части которых имеют неодинаковую температуру.

Если вещество способно проводить тепло, мы можем говорить о наличии количественной характеристики. В данном случае ее роль играет коэффициент теплопроводности. Эта характеристика показывает, какое количество теплоты пройдет через единичные показатели длины и площади за единицу времени. При этом температура тела изменится ровно на 1 К.

Ранее считалось, что обмен теплом в различных телах (в том числе и теплопередача ограждающих конструкций) связана с тем, что от одной части тела к другой перетекает так называемый теплород. Однако признаков его действительного существования никто так и не нашел, а когда молекулярно-кинетическая теория развилась до определенного уровня, про теплород все и думать забыли, поскольку гипотеза оказалось несостоятельной.

Конвекция. Теплопередача воды

Под этим способом обмена тепловой энергией понимается передача при помощи внутренних потоков. Давайте представим себе чайник с водой. Как известно, более нагретые воздушные потоки поднимаются наверх. А холодные, более тяжелые, опускаются вниз. Так почему же с водой все должно быть иначе? С ней все абсолютно так же. И вот в процессе такого цикла все слои воды, сколько бы их ни было, нагреются до наступления состояния теплового равновесия. В определенных условиях, конечно.

Излучение

Этот способ заключается в принципе электромагнитного излучения. Оно возникает благодаря внутренней энергии. Сильно вдаваться в теорию не станем, просто отметим, что причина здесь заключается в устройстве заряженных частиц, атомов и молекул.

Простые задачи на теплопроводность

Сейчас поговорим о том, как на практике выглядит расчет теплопередачи. Давайте решим простенькую задачу, связанную с количество теплоты. Допустим, что у нас есть масса воды, равная половине килограмма. Начальная температура воды - 0 градусов по Цельсию, конечная - 100. Найдем количество теплоты, затраченное нами для нагревания этой массы вещества.

Для этого нам потребуется формула Q = cm(t 2 -t 1), где Q - количество теплоты, c - удельная m - масса вещества, t 1 - начальная, t 2 - конечная температура. Для воды значение c носит табличный характер. Удельная теплоемкость будет равна 4200 Дж/кг*Ц. Теперь подставляем эти значения в формулу. Получим, что количество теплоты будет равно 210000 Дж, или 210 кДж.

Первое начало термодинамики

Термодинамика и теплопередача связаны между собой некоторыми законами. В их основе - знание о том, что изменения внутренней энергии внутри системы можно достичь при помощи двух способов. Первый - совершение механической работы. Второй - сообщение определенного количества теплоты. На этом принципе базируется, кстати, первый закон термодинамики. Вот его формулировка: если системе было сообщено некоторое количество теплоты, оно будет потрачено на совершение работы над внешними телами или на приращение ее внутренней энергии. Математическая запись: dQ = dU + dA.

Плюсы или минусы?

Абсолютно все величины, которые входят в математическую запись первого закона термодинамики, могут быть записаны как со знаком “плюс”, так и со знаком “минус”. Причем выбор их будет диктоваться условиями процесса. Допустим, что система получает некоторое количество теплоты. В таком случае тела в ней нагреваются. Следовательно, происходит расширение газа, а значит, совершается работа. В итоге величины будут положительными. Если же количество теплоты отнимают, газ охлаждается, над ним совершается работа. Величины примут обратные значения.

Альтернативная формулировка первого закона термодинамики

Предположим, что у нас есть некий периодически действующий двигатель. В нем рабочее тело (или же система) совершают круговой процесс. Его принято называть циклом. В итоге система вернется к первоначальному состоянию. Логично было бы предположить, что в таком случае изменение внутренней энергии будет равным нулю. Получается, что количество теплоты станет равно совершенной работе. Эти положения позволяют сформулировать первый закон термодинамики уже по-другому.

Из него мы можем понять, что в природе не может существовать вечный двигатель первого рода. То есть, устройство, которое совершает работу в большем количестве по сравнению с полученной извне энергией. При этом действия должны совершаться периодически.

Первое начало термодинамики для изопроцессов

Рассмотрим для начала изохорический процесс. При нем объем остается постоянным. А значит, изменение объема будет равно нулю. Следовательно, работа так же будет равна нулю. Выкинем это слагаемое из первого начала термодинамики, после чего получим формулу dQ = dU. Значит, при изохорическом процессе все тепло, подведенное к системе, уходит на увеличение внутренней энергии газа или смеси.

Теперь поговорим об изобарическом процессе. Постоянной величиной в нем остается давление. При этом внутренняя энергия будет изменяться параллельно совершению работы. Вот первоначальная формула: dQ = dU + pdV. Мы можем легко вычислить совершаемую работу. Она будет равна выражению uR(T 2 -T 1). Кстати, это есть физический смысл универсальной газовой постоянной. При наличии одного моля газа и разнице температур, составляющей один Кельвин, универсальная газовая постоянная будет равна работе, совершаемой при изобарическом процессе.

Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.

Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.

Лучистый теплообмен.

Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.

Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящими-ся вокруг нас.

Так, например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен .

Возьмем небольшую, закопченную с одной стороны, колбу.

Через пробку в нее вста-вим изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. В эту трубку, имеющую узкий канал, введем подкрашенную жидкость. Укрепив на трубке шкалу, получим прибор — термоскоп . Этот прибор позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.

Если к темной поверхности термоскопа поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то столбик жидкости переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расши-рился. Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как и в случае с костром, энергия здесь передалась не теплопроводностью и не конвективным теплообменом. Энергия в данном случае передалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением .

Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка. Но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излученная энергия, достиг-нув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности поглощают энергию по-разному. Так, если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала закопченной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором (см. рисунок выше). Из этого следует, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркаль-ной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в техни-ке. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.

Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых прибо-ров, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.

Термодинамика – это раздел физики, изучающий тепловые свойства макроскопических тел и систем тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, на основе закона сохранения энергии, без учета внутреннего строения тел, составляющих систему.

Термодинамика не рассматривает микроскопические величины – размеры атомов и молекул, их массы и количество.

Законы термодинамики устанавливают связи между непосредственно наблюдаемыми физическими величинами, характеризующими состояние системы, такими как давление ​\(p \) ​, объем ​\(V \) ​, температура ​\(T \) ​.

Внутренняя энергия – это физическая величина, равная сумме кинетической энергии теплового движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Обозначение – ​\(U \) ​, в СИ единица измерения – Джоуль (Дж) .

В термодинамике внутренняя энергия зависит от температуры и объема тела.

Внутренняя энергия тел зависит от их температуры, массы и агрегатного состояния. С ростом температуры внутренняя энергия увеличивается. Наибольшая внутренняя энергия у вещества в газообразном состоянии, наименьшая – в твердом.

Внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию теплового движения его частиц; потенциальная энергия взаимодействия частиц равна нулю.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре, а от объема не зависит (молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом):

где ​\(i \) ​ – коэффициент, равный числу степеней свободы молекулы, ​\(\nu \) ​ – количество вещества, ​\(R \) ​ – универсальная газовая постоянная, ​\(T \) ​ – абсолютная температура.

Число степеней свободы равно числу возможных движений частицы.

Важно!
Для одноатомных газов коэффициент ​\(i \) ​ = 3, для двухатомных газов ​\(i \) ​ = 5.

На практике часто важно уметь находить изменение внутренней энергии:

При решении задач можно записать формулу для вычисления внутренней энергии, используя уравнение Менделеева–Клапейрона:

где ​\(p \) ​ – давление, ​\(V \) ​ – объем газа.

Внутренняя энергия реальных газов зависит как от температуры, так и от объема.

Изменить внутреннюю энергию можно за счет изменения температуры (при теплопередаче) и за счет изменения давления и объема (при совершении работы).

Тепловое равновесие

Тепловое равновесие – это состояние системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называются макроскопическими параметрами. К ним относятся давление и температура, объем, масса, концентрация отдельных компонентов смеси газа и др. В состоянии теплового равновесия отсутствует теплообмен с окружающими телами, отсутствуют переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, не меняются температура, давление, объем.

Любая термодинамическая система переходит самопроизвольно в состояние теплового равновесия. Каждому состоянию теплового равновесия, в которых может находиться термодинамическая система, соответствует определенная температура.

Важно!
В состоянии теплового равновесия объем, давление могут быть различными в разных частях термодинамической системы, и только температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, является одинаковой . Микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.

Теплопередача

Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы.

Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение (лучистый теплообмен) . Теплопередача происходит между телами, имеющими разную температуру. Тепло передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых тел (частей тела) к менее нагретым в результате движения и взаимодействия частиц тела. Высокую теплопроводность имеют металлы – так, лучшие проводники тепла – медь, золото, серебро. Теплопроводность жидкостей меньше, а газы являются плохими проводниками тепла. Пористые тела плохо проводят тепло, так как в порах содержится воздух. Вещества с низкой теплопроводностью используют в качестве теплоизоляторов. Теплопроводность невозможна в вакууме. При теплопроводности не происходит переноса вещества.

Явление теплопроводности газов аналогично явлению диффузии. Быстрые молекулы из слоя с более высокой температурой перемещаются в более холодный слой, а молекулы из холодного слоя перемещаются в более нагретый. За счет этого средняя кинетическая энергия молекул более теплого слоя уменьшается, и его температура становится ниже.

В жидкостях и твердых телах при повышении температуры какого-либо участка твердого тела или жидкости его частицы начинают колебаться сильнее. Соударяясь с соседними частицами, где температура ниже, эти частицы передают им часть своей энергии, и температура этого участка возрастает.

Конвекция – перенос энергии потоками жидкости или газа.

Объяснить механизм конвекции можно на основе теплового расширения тел и закона Архимеда. При нагревании объем жидкости увеличивается, а плотность уменьшается. Нагретый слой под действием силы Архимеда поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это естественная конвекция . Она возникает при неравномерном нагревании жидкости или газа снизу в поле тяготения.

При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит под действием насосов, лопастей вентилятора. Такая конвекция применяется в состоянии невесомости. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев среды и агрегатного состояния вещества. Конвекционные потоки поднимаются вверх. При конвекции происходит перенос вещества.

В твердых телах конвекция невозможна, так как частицы не могут из-за сильного взаимодействия покидать свои места. В вакууме конвекция также невозможна.

Примером конвективных потоков в природе являются ветры (бризы дневной и ночной, муссоны).

Излучение (лучистый теплообмен) – перенос энергии электромагнитными волнами. Перенос тепла излучением возможен в вакууме. Источником излучения является любое тело, температура которого отлична от нуля К . При поглощении энергия теплового излучения переходит во внутреннюю энергию. Темные тела быстрее нагреваются излучением, чем тела с блестящей поверхностью, но и остывают быстрее. Мощность излучения зависит от температуры тела. С увеличением температуры тела энергия излучения увеличивается. Чем больше площадь поверхности тела, тем интенсивнее излучение.

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества

Количество теплоты – это скалярная физическая величина, равная энергии, которую тело получило или отдало при теплопередаче.

Обозначение – ​\(Q \) ​, в СИ единица измерения – Дж.

Удельная теплоемкость – это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое тело массой 1 кг получает или отдает при изменении его температуры на 1 К.

Обозначение – ​\(c \) ​, в СИ единица измерения – Дж/(кг·К).

Удельная теплоемкость определяется не только свойствами вещества, но и тем, в каком процессе осуществляется теплопередача. Поэтому выделяют удельную теплоемкость газа при постоянном давлении – ​\(c_P \) ​ и удельную теплоемкость газа при постоянном объеме – ​\(c_V \) ​. Для нагревания газа на 1 К при постоянном давлении требуется большее количество теплоты, чем при постоянном объеме – ​\(c_P > c_V \) ​.

Формула для вычисления количества теплоты, которое получает тело при нагревании или отдает при охлаждении:

где ​\(m \) ​ – масса тела, ​\(c \) ​ – удельная теплоемкость, ​\(T_2 \) ​ – конечная температура тела, ​\(T_1 \) ​ – начальная температура тела.

Важно!
При решении задач на расчет количества теплоты при нагревании или охлаждении можно не переводить температуру в кельвины. Так как 1К=1°С, то​\(\Delta T=\Delta t \) ​.

Работа в термодинамике

Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии тела.

Обозначение работы газа – ​\(A’ \) ​, единица измерения в СИ – джоуль (Дж). Обозначение работы внешних сил над газом – ​\(A \) ​.

Работа газа ​\(A’ =-A \) ​.

Работой расширения идеального газа называют работу, которую газ совершает против внешнего давления.

Работа газа положительна при расширении и отрицательна при его сжатии. Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работы газ не совершает.

Графически работа газа может быть вычислена как площадь фигуры под графиком зависимости давления от объема в координатных осях ​\((p,V) \) ​, ограниченная графиком, осью ​\(V \) ​ и перпендикулярами, проведенными из точек начального и конечного значений объема.

Формула для вычисления работы газа:

в изобарном процессе ​\(A’=p\cdot\Delta V. \) ​

в изотермическом процессе \(A’=\frac{m}{M}RT\ln\frac{V_2}{V_1}. \) ​

Уравнение теплового баланса

Если система тел является теплоизолированной, то ее внутренняя энергия не будет изменяться несмотря на изменения, происходящие внутри системы. Если ​\(A \) ​ = 0, ​\(Q \) ​ = 0, то и ​\(\Delta U \) ​ = 0 .

При любых процессах, происходящих в теплоизолированной системе, ее внутренняя энергия не изменяется (закон сохранения внутренней энергии).

Рассмотрим теплоизолированную систему из двух тел с разными температурами. При контакте между ними будет проходить теплообмен. Тело с большей температурой будет отдавать некоторое количество теплоты, а тело с меньшей температурой – получать, пока температуры тел не станут равными. Так как суммарная внутренняя энергия не должна изменяться, то, на сколько уменьшится внутренняя энергия более нагретого тела, на столько должна увеличиться внутренняя энергия второго тела. Так как работа не совершается, то изменение внутренней энергии равно количеству теплоты.

Количество теплоты, отданное при теплообмене телом с большей температурой, равно по модулю количеству теплоты, полученному телом с меньшей температурой:

Другая формулировка: если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма отданных ​\(Q_{отд} \) ​ и полученных \(Q_{пол} \) количеств теплоты равна нулю:

Первый закон термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики.

Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так:

количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами:

Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива.

Первый закон термодинамики для изопроцессов

Изотермический процесс: ​\(Q=A’\,(T=const, \Delta U=0) \) ​
Физический смысл: все переданное газу тепло идет на совершение работы.

Изобарный процесс: \(Q=\Delta U+A’ \) ​
Физический смысл: подводимое к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы.

Изохорный процесс: \(Q=\Delta U\,(V=const, A’=0) \) ​
Физический смысл: внутренняя энергия газа увеличивается за счет подводимого тепла.

Адиабатный процесс: ​ \(\Delta U=-A’ \) ​ или ​\(A=\Delta U\,\mathbf{(Q=0)} \) ​
Физический смысл: внутренняя энергия газа уменьшается за счет совершения газом работы. Температура газа при этом понижается.

Задачи об изменении внутренней энергии тел

Такие задачи можно разделить на группы:

  • При взаимодействии тел изменяется их внутренняя энергия без совершения работы над внешней средой.
  • Рассматриваются явления, связанные с превращением одного вида энергии в другой при взаимодействии двух тел. В результате происходит изменение внутренней энергии одного тела вследствие совершенной им или над ним работы.

При решении задач первой группы:

  • установить, у каких тел внутренняя энергия уменьшается, а у каких – возрастает;
  • составить уравнение теплового баланса ​\((\Delta U=0) \) , при записи которого в выражении ​\(Q =cm(t_2 – t_1) \) ​ для изменения внутренней энергии нужно вычитать из конечной температуры тела начальную и суммировать члены с учетом получающегося знака;
  • проверить решение.

При решении задач второй группы:

  • убедиться, что в процессе взаимодействия тел теплота извне к ним не подводится, т.е. действительно ли ​\(Q = 0 \) ​;
  • установить, у какого из двух взаимодействующих тел изменяется внутренняя энергия и что является причиной этого изменения – работа, совершенная самим телом, или работа, совершенная над телом;
  • записать уравнение ​\(Q = \Delta U + A \) ​ для тела, у которого изменяется внутренняя энергия, учитывая знак перед работой и КПД рассматриваемого процесса;
  • если работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии одного из тел, то ​\(А= -\Delta U \) ​, а если внутренняя энергия тела увеличивается за счет работы, совершенной над телом, то ​\(A=\Delta U \) ​;
  • найти выражения для ​\(\Delta U \) ​ и ​\(A \) ​;
  • подставить в исходное уравнение вместо \(\Delta U \) и \(A \) выражения для них, получить окончательное соотношение для определения искомой величины;
  • решить полученное уравнение относительно искомой величины;
  • проверить решение.

Второй закон термодинамики

Все процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Необратимым называется процесс, обратный которому может протекать только как составляющая более сложного процесса.

Примеры необратимых процессов:

  • переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу;
  • переход механической энергии во внутреннюю энергию.

Первый закон термодинамики ничего не говорит о направлении процессов в природе.

Второй закон термодинамики выражает необратимость процессов, происходящих в природе. Существует несколько его формулировок.

Второй закон термодинамики (формулировка Клаузиуса):
невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Второй закон термодинамики (формулировка Кельвина):
невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Эта формулировка говорит также и о том, что невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Важно!
В формулировке второго закона термодинамики большое значение имеют слова «единственным результатом». Если процессы, о которых идет речь, не являются единственными, то запреты снимаются. Например, в холодильнике происходит передача тепла от более холодного тела к нагретому и при этом осуществляется компенсирующий процесс превращения механической энергии окружающих тел во внутреннюю энергию.

Второй закон термодинамики выполняется для систем с огромным числом частиц. В системах с малым количеством частиц возможны флуктуации – отклонения от равновесия.

КПД тепловой машины

Коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины (двигателя) называется отношение работы ​\(A \) ​, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты ​\(Q_1 \) ​, полученному за цикл от нагревателя:

Тепловая машина с максимальным КПД была создана Карно. В машине осуществляется круговой процесс (цикл Карно ), при котором после ряда преобразований система возвращается в начальное состояние.

Цикл Карно состоит из четырех стадий:

  1. Изотермическое расширение (на рисунке - процесс 1–2). В начале процесса рабочее тело имеет температуру ​\(T_1 \) ​, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передает ему количество теплоты ​\(Q_1 \) ​. При этом объем рабочего тела увеличивается.
  2. Адиабатное расширение (на рисунке - процесс 2–3). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника ​\(T_2 \) ​.
  3. Изотермическое сжатие (на рисунке - процесс 3–4). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру ​\(T_2 \) ​, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты ​\(Q_2 \) ​.
  4. Адиабатное сжатие (на рисунке - процесс 4–1). Рабочее тело отсоединяется от холодильника. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ​\(T_1 \) ​.

КПД цикла Карно:

Отсюда видно, что КПД цикла Карно с идеальным газом зависит только от температуры нагревателя ​\((T_1) \) ​ и холодильника \((T_2) \) .

Из уравнения следуют выводы:

  • для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;
  • КПД тепловой машины всегда меньше 1.

Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами.

КПД тепловых двигателей: двигатель внутреннего сгорания - 30%, дизельный двигатель - 40%, паровая турбина - 40%, газовая турбина - 25–30%.

Принципы действия тепловых машин

Тепловым двигателем называют устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Основные части теплового двигателя:

  • Нагреватель – тело с постоянной температурой, преобразующее внутреннюю энергию топлива в энергию газа. В каждом цикле работы двигателя нагреватель передает рабочему телу некоторое количество теплоты.
  • Рабочее тело – это газ, совершающий работу при расширении.
  • Холодильник – тело с постоянной температурой, которому рабочее тело передает часть тепла.

Любая тепловая машина получает от нагревателя некоторое количество теплоты ​\(Q_1 \) ​ и передает холодильнику количество теплоты ​\(Q_2 \) ​. Так как ​\(Q_1 > Q_2 \) ​, то совершается работа ​\(A’ = Q_1 – Q_2 \) ​.

Тепловой двигатель должен работать циклически, поэтому расширение рабочего тела должно сменяться его сжатием. Работа расширения газа должна быть больше работы сжатия, совершаемой внешними силами (условие совершения полезной работы). Температура газа при расширении должна быть выше, чем температура при сжатии. Тогда давление газа во всех промежуточных состояниях при сжатии будет меньше, чем при расширении.

В реальных тепловых машинах нагревателем является камера сгорания. В них рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, вычисляется по формуле:

где ​\(q \) ​ – удельная теплота сгорания топлива, ​\(m \) ​ – масса топлива.

Холодильником чаще всего у реальных двигателей служит атмосфера.

Виды тепловых двигателей:

  • паровой двигатель;
  • турбина (паровая, газовая);
  • двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный, дизельный);
  • реактивный двигатель.

Тепловые двигатели широко используются на всех видах транспорта: на автомобилях – двигатели внутреннего сгорания; на железнодорожном транспорте – дизельные двигатели (на тепловозах); на водном транспорте – турбины; в авиации – турбореактивные и реактивные двигатели. На тепловых и атомных электростанциях тепловые двигатели приводят в движение роторы генераторов переменного тока.

Проблемы энергетики и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели широко применяются на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции). Использование тепловых двигателей сильно влияет на состояние биосферы Земли. Можно выделить следующие вредные факторы:

  • при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, что приводит к снижению содержания кислорода в воздухе;
  • при сгорании топлива в атмосферу выделяется углекислый газ. Концентрация углекислого газа в атмосфере повышается. Это изменяет прозрачность атмосферы, так как молекулы углекислого газа поглощают инфракрасное излучение, что ведет к повышению температуры (парниковый эффект);
  • при сжигании угля в атмосферу поступают азотные, серные соединения и соединения свинца, вредные для здоровья человека.

Решение проблемы охраны окружающей среды от вредного воздействия предприятий тепловой энергетики требует комплексного подхода. Массовыми загрязнителями при работе тепловых электростанций являются летучая зола, диоксид серы и оксиды азота. Методы сокращения выбросов зависят от свойств топлива и условия его сжижения. Предотвращение загрязнения летучей золой достигается очисткой всего объема продуктов сгорания твердого топлива в высокоэффективных золоуловителях. Сокращение выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топлива на тепловых электростанциях, а также в парогазовых и газотурбинных установках обеспечивается, главным образом, технологией сжигания топлива. Уменьшение выброса диоксида серы может быть достигнуто различными методами облагораживания и переработки топлива вне тепловых электростанций либо непосредственно на тепловых электростанциях, а также очисткой дымовых газов.

Контроль за выбросом вредных веществ электростанций осуществляется специальными приборами.

В ряде случаев достаточно эффективным решением вопросов очистки выбросов в атмосферу остается сооружение фильтров-уловителей и дымовых труб. У дымовой трубы два назначения: первое - создавать тягу и тем самым заставлять воздух - обязательный участник процесса горения - в нужном количестве и с должной скоростью входить в топку; второе - отводить продукты горения (вредные газы и имеющиеся в дыме твердые частицы) в верхние слои атмосферы. Благодаря непрерывному турбулентному движению вредные газы и твердые частицы уносятся далеко от источника их возникновения и рассеиваются.

Для рассеивания сернистого ангидрида, содержащегося в дымовых трубах тепловых электростанций, сооружаются дымовые трубы высотой 180, 250 и 320 м. Тепловые электростанции России, работающие на твердом топливе, за год выбрасывают в отвалы около 100 млн т золы и шлаков. Зола и шлаки занимают большие площади земель, неблагоприятно влияют на окружающую среду.

Более половины всех загрязнений создает транспорт. Один из путей решения проблемы защиты окружающей среды заключается в переходе на дизельные двигатели, электродвигатели, повышение КПД.

Алгоритм решения задач раздела «Термодинамика»:

  • выделить систему тел и определить ее тип (замкнутая, адиабатически замкнутая, замкнутая в механическом смысле, незамкнутая);
  • выяснить, как изменяются параметры состояния ​\((p,V,T) \) ​ и внутренняя энергия каждого тела системы при переходе из одного состояния в другое;
  • записать уравнения, связывающие параметры двух состояний системы, формулы для расчета изменения внутренней энергии каждого тела системы при переходе из одного состояния в другое;
  • определить изменение механической энергии системы и работу внешних сил по изменению ее объема;
  • записать формулу первого закона термодинамики или закона сохранения и превращения энергии;
  • решить систему уравнений относительно искомой величины;
  • проверить решение.

Основные формулы раздела «Термодинамика»

ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Учебное пособие


УДК 621.1:536.7(07)

Термодинамика и теплопередача : Учебное пособие / В. Н. Кузнецов, В. В. Овсянников, А. С. Анисимов, М. В. Кокшаров, В. В. Крайнов; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 128 с.

В первых трех разделах настоящего учебного пособия рассмотрены состояние газа, газовые процессы и газовые циклы с анализом эффективности работы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. В четвертом разделе представлены свойства воды и водяного пара, циклы паросиловых установок, пути повыше­ния их экономичности; приведены сведения о циклах холодильных установок и свойствах влажного воздуха. Пятый раздел посвящен изучению закономерностей основных видов теплопереноса – теплопроводности, конвективного теплообмена и лучеиспускания. В приложениях приведены справочные данные, необходимые для решения теплотехнических задач.

Пособие предназначено для студентов нетеплотехнических специальностей.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 4. Рис. 90.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. И. Гриценко;

доктор техн. наук, профессор А. С. Ненишев;

доктор техн. наук, профессор Е. И. Сковородников.

Ó Омский гос. университет путей сообщения, 2006

Введение.. 5

1. Основные понятия и определения. Состояние газа... 7

1.1. Метод термодинамики. Термодинамическая система. Рабочее тело... 7

1.2. Основные параметры состояния, их измерение.. 8

1.3. Законы идеального газа... 11

1.4. Смеси идеальных газов... 14

1.5. Понятие теплоемкости газов... 17

2. Первый закон термодинамики. Газовые процессы.... 19

2.1. Виды энергии, внутренняя энергия, внешняя работа... 19

2.2. Уравнение первого закона термодинамики. Энтальпия газа... 21

2.3. Энтропия. Свойства Т, s-диаграммы.... 24

2.4. Термодинамические процессы, их исследование.. 26

2.5. Процессы сжатия в компрессоре.. 38

3. Второй закон термодинамики. Газовые циклы.... 42

3.1. Цикл, его термический КПД. Понятие обратного цикла... 42

3.2. Цикл Карно. Формулировки второго закона термодинамики... 45

3.3. Энтропия необратимых процессов... 49

3.4. Циклы двигателей внутреннего сгорания... 51

3.5. Циклы газотурбинных установок... 58

4. Водяной пар... 62

4.1. Свойства воды и водяного пара. Диаграммы состояния р, v; T, s; h, s 62

4.2. Истечение и дросселирование газов и паров... 69

4.3. Цикл Ренкина. Пути повышения КПД паросиловых установок... 79

4.4. Цикл холодильной установки... 87

4.5. Влажный воздух... 88

5. Основы теплообмена... 93

5.1. Теплопроводность... 96

5.2. Конвективный теплообмен... 101

5.3. Теплопередача... 107

5.4. Теплообмен излучением.... 110

5.5. Теплообменные аппараты.... 116

Библиографический список... 121

Приложение. Таблицы физических свойств различных веществ... 122

Введение

Настоящее пособие предназначено для студентов высших учебных заведений Федерального агентства железнодорожного транспорта, обучающихся по тепловозной, вагонной и машиностроительной специальностям механического факультета, а также для специальности «Подвижной состав электрического транспорта» электромеханического факультета.

Курс «Термодинамика и теплопередача» предполагает подготовку студентов по теоретическим основам теплотехники. Первые четыре раздела посвящены изучению свойств газов и паров, процессов изменения их состояния, термодинамических циклов различных тепловых двигателей и холодильных установок. В пятом разделе рассматриваются основы теплообмена, способы интенсификации передачи тепла в тепломассообменных аппаратах.

Основным содержанием технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования тепловой и механической энергии. В основу термодинамики положены два основных закона, установленных многовековым опытом деятельности человечества. Первый закон термодинамики характеризует балансовую сторону процессов превращения энергии. Он является количественным выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Второй закон термодинамики устанавливает направленность протекания процессов.

Цикличность протекания процессов в реальных теплосиловых установках позволяет ввести понятие цикла и его термического коэффициента полезного действия. Такой метод термодинамики дает возможность оценки эффективности тепловых двигателей, применяемых на предприятиях промышленности и транспорта, наметить пути повышения их экономичности и надежности.

Разработка и эксплуатация теплогенерирующих и теплопотребляющих установок связана с вопросами увеличения мощности теплового потока через единицу площади поверхности стенки, снижения тепловых потерь в окружающую среду, улучшения свойств теплопроводящих и теплоизоляционных материалов, выбора оптимальных характеристик теплоносителей и рациональной конструкции теплообменных аппаратов. В основе решения этих вопросов лежит учение о теплообмене, под которым понимают перенос тепла от одних частей системы к другим при наличии разности температур между ними.

Рекомендуем почитать