ЛЕКЦИЯ 2 Основы термодинамики МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения " - презентация

1 ЛЕКЦИЯ 2 Основы термодинамики МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

2 Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ – энергия физической системы, зависящая от ее внутреннего состояния. Внутренняя энергия включает кинетическую энергию хаотического ( теплового ) движения микрочастиц системы ( молекул, атомов и т. д.) и потенциальную энергию взаимодействия этих частиц друг с другом. Внутренняя энергия однородных газов и жидкостей зависит от их температуры и объема. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

3 Основные законы термодинамики ПЕРВЫЙ ЗАКОН ( первое начало ) ТЕРМОДИНАМИКИ - изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе. ВТОРОЙ ЗАКОН ( второе начало ) ТЕРМОДИНАМИКИ - невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходит от тел менее нагретых к телам более нагретым. ТРЕТИЙ ЗАКОН ( третье начало ) ТЕРМОДИНАМИКИ - абсолютный нуль температуры недостижим. К абсолютному нулю можно лишь асимптотически приближаться, никогда не достигая его. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

4 Все тела состоят из огромного числа частиц ( молекул, атомов или ионов ), между которыми есть промежутки. Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся. Частицы вещества взаимодействуют друг с другом : притягиваются на небольших расстояниях ( сравнимых с размером частиц ) и отталкиваются, когда эти расстояния уменьшаются. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения " ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО – КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО – КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

5 РАБОТА ( в термодинамике ) – это изменение внутренней энергии системы, связанное с изменением ее объема и расположения ее частей относительно друг друга. Например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку или сжимая находящийся под поршнем в цилиндре газ, мы каждый раз совершаем над системой работу и тем самым изменяем ее внутреннюю энергию. Мерой изменения внутренней энергии при этом является величина совершенной работы. Работа газа положительна при расширении газа и отрицательна при его сжатии. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

6 ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ это состояние системы, при котором ее макроскопические параметры с течением времени не меняются. При тепловом равновесии прекращаются все процессы, связанные с изменением этих параметров : не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей и твердых тел, прекращаются химические реакции, диффузия и т. д. Состояние теплового равновесия системы характеризуется одинаковой для всех частей этой системы температурой. Согласно нулевому началу термодинамики любая изолированная макроскопическая система рано или поздно приходит в состояние теплового равновесия и самопроизвольно выйти из него уже не может. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

7 ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ это изменение размеров тела в процессе его нагревания. Большинство тел в процессе нагревания расширяется, но существуют и исключения. Например, вода при изменении температуры от 0 до 4 о C при атмосферном давлении сжимается. В процессе увеличения линейных размеров тела меняется и его объем ( объемное расширение ). В пределах небольшого интервала температур можно говорить об изменении длины и объема тел пропорционально температуре и ввести линейный коэффициент расширения. ТРОЙНАЯ ТОЧКА это состояние теплового равновесия вещества, в котором оно одновременно может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Тройной точке воды соответствует давление 611 Па и температура 0,01 оС ( или 273,16 К ). МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

8 УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре. Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является Дж / кг. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо для превращения 1 кг кристаллического вещества, взятого при температуре плавления, в жидкость той же температуры. Единицей удельной теплоты плавления в СИ является Дж / кг. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг. Единицей удельной теплоты сгорания топлива в СИ является Дж / кг. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

9 это уравнение, выражающее связь между макроскопическими параметрами состояния вещества. Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния : F (P, V, Т ) МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения " УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ( в термодинамике )

10 Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные из 3- х : Р = f1 (v, Т ); v = f2 ( Р, Т ); Т = f3 (v, Р ) где : P – давление ; v – удельный объем ; T – температура. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

11 Если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущим при постоянном объеме ; Изохорные процессы в P – T координатах : v 1 >v 2 >v 3 МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

12 Если поршень свободен, то нагреваемый газ будет расширяться, при постоянном давлении такой процесс называется изобарическим (P=const), идущим при постоянном давлении. Изобарные процессы в v – T координатах P 1 >P 2 >P 3 МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

13 Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим ( Т =const). Изотермические процессы в P-v координатах Т 1>T2 >T3 МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

14 Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным, при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы, при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например, быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводиться за счет нагрева поршня и сосуда. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

15 Примерный график адиабатного процесса в P – v координатах. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения " Круговой процесс (Цикл) - это совокупность процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние. Число отдельных процессов может быть любым в цикле.

16 Теплота и работа Тела, участвующие в процессе, обмениваются между собой энергией. Энергия одних тел увеличивается, других - уменьшается. Передача энергии от одного тела к другому происходит 2- мя способами : Первый способ передачи энергии при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергии между молекулами соприкасающихся тел ( или лучистым переносом при помощи электромагнитных волн ). Энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому. Энергия кинетического движения молекул называется тепловой, поэтому такой способ передачи энергии называется передача энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученной телом в форме теплоты, называется подведенной теплотой ( сообщенной ), а количество энергии, отданное телом в форме теплоты - отведенной теплотой ( отнятой ). Обычное обозначение теплоты Q, размерность Дж. В практических расчетах важное значение приобретает отношение теплоты к массе - удельная теплота обозначается q размерность Дж / кг. Подведенная теплота - положительна, отведенная - отрицательна. Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. Этот способ называется передачей энергии в форме работы. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

17 Первый закон термодинамики. Формулировка : В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной. Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой. Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел. Существуют другие формулировки этого закона : 1. Не возможно возникновение или уничтожение энергии ( эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии ни из чего и уничтожения ее в ничто ); 2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения ( эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии ); 3. Вечный двигатель первого рода невозможен. ( Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии ); 4. Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

18 это сумма внутренней энергии тела и произведения давления на объем : I = U + PV где : I - энтальпия ; U - внутренней энергия ; P - давление ; V - объем. Удельная энтальпия i это отношение энтальпии тела к его массе. Удельная энтальпия это параметр состояния. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения " Энтальпия

19 Энтропия Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия обозначается S размерность Дж / К dS = dQ/T Где : dS - дифференциал энтропии ; dQ - дифференциал теплоты ; Т - абсолютная температура. Удельная энтропия отношение энтропии тела к его массе. Удельная энтропия - функция состояния вещества, принимающая для каждого его состояния определенное значение : s = f ( Р, v, Т ) [ Дж / кгЧ к ] МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

20 Тепловая Т - S диаграмма цикла Карно. для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру подвода тепла T 1, и снижать температуру отвода тепла T 2. МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

21 Количество тепла подводимое к системе : Q 1 = T 1 ґ (S 2 -S 1 ) площадь прямоугольника 1- 2-S 2 -S 1 -1 Количество тепла отдаваемое системой : Q 2 = T 2 ґ (S 2 -S 1 ) площадь прямоугольника 3-S 2 -S Работа цикла L = Q 1 - Q 2 К. П. Д цикла h = (Q 1 - Q 2 ) / Q 1 МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "

22 Спасибо за внимание ! МОДУЛЬ " Теплофизические основы энергосбережения "