Что такое термодинамика

Глава 3. Теоретические основы теплотехники.

Что такое термодинамика

Термодинамика это наука, изучающая физические свойства макроскопических систем (тел и полей) на основе анализа возможных в этих системах превращений энергии без обращения к их микроскопическому строению. Основное содержание термодинамики – рассмотрение общих свойств физических систем в состоянии термодинамического равновесия, а также общих закономерностей процессов изменения состояния [1].

Термодинамика вместе с тепломассообменом является составной частью теоретических основ теплотехники, которая в свою очередь является фундаментальной базой всей теплоэнергетики. Она базируется на двух экспериментально установленных законах – началах термодинамики, а также на философской теореме Нернста (третье начало термодинамики), имеющей ограниченную область применения.

В инженерной практике различают:

- общую или физическую термодинамику;

- химическую термодинамику, занимающуюся приложениями законов термодинамики к химическим и физико-химическим процессам (изучение тепловых эффектов химических реакций, химического равновесия, фазового равновесия и др.);

- техническую термодинамику, занимающуюся приложениями законов термодинамики в теплотехнике (разработка теории теплосиловых установок, двигателей и др.);

- термодинамику необратимых процессов, в которой изучаются необратимые процессы с помощью термодинамических законов (например, определяются их скорости в зависимости от внешних условий).

Термодинамическая система это совокупность тел (субстанций), могущих обмениваться между собой и с другими телами (внешней средой) энергией и веществом. Для термодинамической системы справедливы законы термодинамики. Термодинамической системой является любая система, обладающая очень большим числом степеней свободы (например, система, состоящая из большого числа молекул, атомов, электронов и других частиц вещества). Термодинамическая система может быть физически однородной, если ее состав и все физические свойства одинаковы в любых, произвольно выбранных частях, равных по объему (например, химически однородный газ или смесь газов, находящихся в состоянии термодинамического равновесия при отсутствии внешнего силового поля). Термодинамическая система является химически однородной, если она состоит из одного химического вещества (например, жидкая вода со льдом). Примером химически неоднородной системы является воздух. Материальные тела термодинамической системы разделяются на источники тепла и рабочие тела, которые совершают механическую работу под воздействием источников тепла.

Термодинамический процесс это всякое изменение, происходящее в термодинамической системе и связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров. Существуют обратимые, необратимые и квазистатические процессы; Помимо этого термодинамические процессы могут быть: адиабатными, изобарическими, изотермическими, изохорическими, изоэнтальпийными и изоэнтропийными.

Обратимым процессом является процесс перехода системы из одного состояния в другое, с которым можно сопоставить реально возможный обратный переход, последовательно повторяющий все промежуточные состояния рассматриваемого процесса. Процесс обратим только в том случае, если он является квазистатическим процессом. Многие задачи в теплоэнергетике решаются на основе обратимости процессов, т.е. процессов без учета сил трения – потерь. Все реальные процессы необратимы.

Квазистатический процесс это процесс, скорость распространения которого в какой-либо ограниченной системе столь велика, что за время распространения процесса вдоль всей системы ее состояние не успевает заметно измениться. При этом изменение состояния всех частей системы происходит по одному и тому же закону без запаздывания.

Термодинамическое равновесие это состояние, в которое, в конце концов, приходит термодинамическая система, находящаяся при неизменных внешних условиях. При этом система находится в состоянии механического равновесия, а параметры состояния не изменяются с течением времени, т.е. могут совершать малые колебания около неизменных средних значений, что называется флуктуацией. Разновидностью термодинамического равновесия является тепловое равновесие, при котором все части системы имеют одну и ту же температуру.

В химической термодинамике используется понятие химического равновесия. Химическое равновесие это состояние реакционной системы, характеризующееся тем, что химическая реакция идет одновременно в двух противоположных направлениях с одинаковой скоростью. В результате состав системы (например, O₂+N₂=2NO) остается постоянным, пока сохраняются условия ее существования (температура, давление). Каждая химическая реакция в состоянии равновесия характеризуется соотношением между концентрациями участвующих в ней веществ – константой равновесия. Определяя положение равновесия для различных температур и давлений, можно судить, какое их сочетание наиболее благоприятно для практических целей.