Общи сведения и основни понятия

Топлотехниката е наука, която изучава методите за получаване, преобразуване, пренасяне и използване на топлината, а така също принципите на действие и конструктивните особености на топлинните машини, апарати и устройства. Техническата термодинамика е теоретична основа на сборната дисциплина Топлотехника. Тя е наука, която изследва топлинните явления при превръщането на енергията от една форма в друга.

Термодинамична система

Термодинамиката (от гръцки: θέρμη, топлина и δύναμις, сила; буквално може да се преведе като топлосила) е клон на природните науки (основно физиката и химията), занимаващ се с топлинните процеси, протичащи в телата следствие промяната на температура, обем и налягане и връзката с други форми на енергия и работа. Описва средностатистическите свойства на материалните тела, наречени термодинамични системи и излъчването, и обяснява как те са свързани и с какви закони се променят с времето.

Избраният за изследване обект се нарича термодинамична система. Всички останали тела, които взаимодействат със системата, се разглеждат като околна среда. Повърхността, през която се осъществява размяна на маса (енергия и вещество) между термодинамичната система и околната среда, се нарича контролна повърхност. Например при изследването на бутален двигател с вътрешно горене като термодинамична система може да се избере затвореният в работния цилиндър газ. Контролната повърхност се определя от вътрешната повърхност на цилиндъра, а самият цилиндър, буталото и околният въздух са околната среда.

Ако се допусне, че върху контролната повърхност е положена идеална изолация, която не позволява размяна на енергия и вещество с околната среда, системата се нарича изолирана. Когато термодинамичната система разменя през контролната повърхност, определен вид енергия или маса с околната среда, тя е отворена и притежава степен на свобода. В техническата термодинамика най-често обект на изследване са системи с две степени на свобода, тоест такива, които са отворени за два вида енергийни взаимодействия (например за топлина и за механична работа). Характерно за подхода на класическата термодинамика е допускането, че е възможно идеално изолиране на термодинамичната система от всички външни въздействия. Такава система се нарича равновесна. Всички свойства на равновесната система се запазват неограничено дълго постоянни. Ако свойствата на системата са постоянни, но липсва предположената идеална изолация и системата разменя енергия с околната среда, състоянието се означава като стационарно. Термодинамичната система, която се използва за преобразуване на топлинната енергия в механична работа, се нарича работно тяло. Това са обикновено газовете, защото те при своето разширение извършват работа.

1.2. Основни параметри на състоянието на термодинамична система

Състоянието на една термодинамична система се определя от физични величини, които се наричат функции или параметри на състоянието. Основните параметри са температурата T, специфичният обем v и налягането p. Те характеризират макроскопичното състояние на системата. Специфичният обем на едно тяло v се дефинира от частното на обема V и масата на тялото m: v=V/m

Ако обемът се измерва в  m3, а масата в kg, размерността на специфичния обем ще бъде  m3/kg.

Реципрочната стойност на специфичния обем се нарича плътност ρ. Тя се измерва в kg/m3  Между специфичния обем и плътността съществува връзката  ρ.v=1

Под налягане се разбира нормалното напрежение на натиск, което съществува в течностите и газовете:

p=dP/dF

Единицата за налягане е N/m , която се нарича Паскал (Pa). В топлинната техника по-често се използват кратните единици kPa и MPa. За измерване на налягането продължават да се използват някои извънсистемни единици.

До дефиниране на понятието температура се достига анализа на преминаването на топлина от едно тяло към друго. Температурата изразява термичния потенциал на тялото, а температурните разлики определят посоката на топлинния поток. Ако температурите на две тела, които се намират в контакт, не са равни, топлината преминава от тялото, което има по-висока температура към това с по-ниска температура. Когато температурите на две тела са равни, между тях не се пренася топлина.

Температурата на телата се измерва по абсолютната термодинамична скала на Келвин (К). Допуска се измерване на температурата и по емпирични скали, например тази по която температурата се измерва в градуси. Между двете скали съществува връзката: T=t+273,16

1.3. Уравнение на състоянието

Макроскопичното състояние на еднородно тяло, което се намира в топлинно равновесие се определя от три основни параметри: налягане p, температура T и специфичен обем v. Между тях съществува връзка, която може да се определи по опитен път за всяко работно тяло. В най-общ вид функционалната зависимост между трите основни термични параметри се изразява от уравнението:

ƒ(p, v, T)=0

Уравнението се нарича уравнение на състоянието на простото тяло (тяло, което има еднородна физична и химична структура и се намира в топлинно равновесие). Уравнението за състоянието на реалните тела е много сложно, но определени случаи при някои допустими опростявания може да се достигне до математически връзки, които могат да се използват за изчислителна работа. Такова е например уравнението за състоянието на т.н. идеален газ.

1.4. Термодинамичен процес

Термодинамичен процес наричаме последователността от състояния, които заема системата в резултат от енергийните й взаимодействия с околната среда. Външният признак на протичащ термодинамичен процес е изменението на параметрите на състоянието. Всеки термодинамичен процес протича при конкретни физически условия. Най-общ случай на процес е този, при който се изменят и трите термични параметри на състоянието едновременно, а частния случай са тези при които един от параметрите остава постоянен, а се променят останалите два.

Реалните изменения на състоянието протичат при значителни разлики между потенциалите на разглежданата система и заобикалящата я среда. Те определят скоростта на протичащите процеси, характерни за т.нар. неравновесни взаимодействия между термодинамичната система и околната среда. При тях на външното въздействие реагира първо повърхностният слой на системата. С времето въздействието се пренася във вътрешността на тялото. При реалните процеси възниква сложно разпределение на параметрите на състоянието в обема на системата. То не може да се опише чрез аналитичните зависимости, които произтичат от уравнението на състоянието и са валидни само за равновесни състояния.

Приблизителни пресмятания могат да се направят при въвеждането на средни стойности. Усредняването обаче, не е допустимо във всички случаи тъй като не води до точни резултати. При изследването на реалните процеси се приема, че параметрите на състоянието имат еднакви стойности във всички точки от обема на разглежданата система. Това позволява да се използват уравненията, които са изведени за равновесни състояния. В някои случаи грешката в резултат на опростяването е малка и може да не се вземе под внимание. Ако реалните условия се отличават съществено от построения идеален модел, наложително е внасянето на съответни поправки.

Условието за равномерно разпределение на стойностите на параметрите в системата означава по същество, че на изследване се подлага идеализиран процес, за който би могло да се мисли като последователност на безкрайно голям брой равновесни състояния. Подобен процес би бил толкова по-близо до равновесния, колкото по-бавно се изменя състоянието на системата. Достига се до безкрайно бавен процес, който представлява последователност на равновесни състояния. Такова равновесно изменение на състоянието на системата се нарича равновесен или квазистичен процес. При равновесния процес потенциалната разлика между системата и околната среда е безкрайно малка. Обратим се нарича равновесен процес, който може да се проведе в права и обратна посока, като термодинамичната система преминава през едни и същи състояния в прав и обратен ред, без компенсации от околната среда.

Необратим се нарича процесът, който не може да бъде проведен в права и обратна посока, без да настъпят компенсации в околната среда.

В класическата термодинамика се изследват само обратими процеси, поради което, ако не бъде направена специално уговорка за необратимостта на процеса, ще се приема, че на разглеждане се подлага обратим процес.

1.5 Работа на процеса

Необходим признак за извършена работа на разширение или свиване в неподвижна затворена термодинамична система е изменението на обема. Ако при тези условия обемът на системата остава неизменен, не може да се обмени механична енергия с околната среда.

Нека разгледаме работата, която извършва произволна система срещу външните сили. Системата, ограничена от контролната повърхност F, се намира в състояние на равновесие със средата при налягане p.

При внасяне на безкрайно малко количество топлина обемът на системата ще се измени от стойността V до V + dV.

В резултат на това се извършва работа dL, която е равна на произведението на силата P=pF по преместването dx.

dL = Pdx = pFdx

Ако уравнението се раздели на масата на системата, ще се получи изразът за 1 kg маса от разглежданата система: dl=pdv

От това уравнение следва, че механичната работа, извършена от една система, може да се изрази чрез термичните параметри налягане p и специфичен обем v. За решаване на уравнението е необходимо едно от следните две условия:

  • а) налягането на системата да се запази постоянно;
  • б) да е известна математическата връзка между променливите p и v. В първия случай след интегриране на уравнение dl=pdv се получава:

или

Във втория случай е необходима математическа връзка между p и v (например pv=C), откъдето те могат да се изразят едно чрез друго.

Тогава след заместване p=C/v в уравнението dl=pdv се достига до израза:

или

където v1 и v2 са изходният и крайният специфичен обем на системата.

При изследването на термодинамичните процеси е удобно да се изобразяват графично измененията на състоянията на работното тяло. По този начин наред с онагледяването могат да се извършват бърз качествен и приблизителен количествен анализ на процесите. Тъй като механичната работа, извършена от работно тяло с маса 1 kg, се изразява чрез налягането и специфичният обем на системата, най-удобно е изобразяването да се извърши в p-v координатна система, по абсцисата, на която се нанасят стойностите на специфичния обем, а по ординатата стойностите на налягането.

Нека произволно тяло с маса m = 1 kg извършва процес от начално състояние 1, определено с налягане p1 и специфичен обем v1до крайно състояние 2 (p2, v2). Линията 12 изобразява проведения термодинамичен процес. На всяко елементарно изменение на обема dv отговаря някакво средно налягане p и следователно площта на елементарната фигура pdv ще бъде равна на елементарната работа dl. Ако се интегрира уравнението dl=pdv в граници от vдо v2, ще се получи площта 12341, която е графичен образ на механичната работа, извършена от работното тяло в процеса 12. Ако v1>v2  работата, която е извършило работното тяло при своето разширение е положителна. При v2<v1 работата е извършена от външни сили върху работното тяло и е отрицателна.

56 Прегледа