Термодинамика (Сборник рефератов): Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.А. Черный

ТЕРМОДИНАМИКА (Сборник рефератов) Учебное пособие

Пенза 2009

УДК 669.621.74

Р е ц е н з е н т ы: Научный совет Пензенского научного центра; главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» А.С. Белоусов Черный А.А. Термодинамика (Сборник рефератов): учебное пособие / А.А. Черный. – Пенза: Пензенский государственный университет, 2009. – 71с. Изложены в рефератах основы термодинамики. Даны задания для самостоятельной работы и вопросы для самопроверки. Учебное пособие разработано применительно к учебному процессу по кафедре «Машины и технология литейного производства». Оно может быть использовано при изучении курсов «Термодинамика», «Печи литейных цехов», а также при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ. В пособии использованы рефераты по термодинамике.

© Черный А.А., 2009 2

ПРЕДИСЛОВИЕ Получение необходимых знаний по термодинамике является важным звеном по овладению основами литейного производства. Имеются учебники и учебные пособия по термодинамике, которые используются в учебном процессе по литейному производству, но для лучшего усвоения студентами законов термодинамики, термодинамических процессов, теплообмена, тепловых двигателей выявилась необходимость изложить основы термодинамики в виде сборника рефератов. В рефератах сведения по термодинамике, теплотехнике, теплообмену представлены в кратком изложении с историческими справками, причем некоторые сведения повторяются, что позволяет лучше усваивать учебный материал. Содержание рефератов основано на литературных источниках, публикациях ряда авторов. Изучение материалов рефератов не отменяет использования учебников, учебных пособий, но позволяет предварительно получать сведения по закономерностям термодинамических процессов, научиться на примерах самостоятельно разрабатывать рефераты применительно к сложным тепловым процессам литейного производства, использовать литературный материал для выявления задач дальнейших исследований, повышения эффективности тепловых устройств, разработки изобретений. В учебном пособии приведены задания для самостоятельной работы, вопросы для самопроверки по термодинамике.

3

РЕФЕРАТ № 1 РАЗВИТИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ ВВЕДЕНИЕ Тепловые явления отличаются от механических и электромагнитных тем, что законы тепловых явлений необратимы (т.е. тепловые процессы самопроизвольно идут лишь в одном направлении) и что тепловые процессы осуществляются лишь в макроскопических масштабах, а поэтому используемые для описания тепловых процессов понятия и величины (температура, количество теплоты и т.д.) также имеют только макроскопический смысл (о температуре, например, можно говорить применительно к макроскопическому телу, но не к молекуле или атому). Вместе с тем знание строения вещества необходимо для понимания законов тепловых явлений. Тело, рассматриваемое с термодинамической позиции, является неподвижным, не обладающим механической энергией. Но такое тело обладает внутренней энергией, складывающейся из энергий движущихся электронов и т.д. Это внутренняя энергия может увеличиваться или уменьшаться. Передача энергии может осуществляться путем передачи от одного тела к другому при совершении над ними работы и путем теплообмена. Во втором случае внутренняя энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. Переданную энергию называют количеством теплоты, а передачу энергии - теплопередачей. В общем случае оба процесса могут осуществляться одновременно, когда тело при утрате внутренней энергии может совершать работу и передавать теплоту другому телу. К пониманию этого ученые пришли не сразу. Для XVIII и первой половине XIX вв. было характерно понимать теплоту как невесомую жидкость (вещество). Представления о теплоте как форме движения мельчайших частиц материи появилось еще в XVII веке. Этих воззрений придерживались Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Однако и в XIX веке концепция теплорода разделялась многими учеными. В конце XVIII века Б.Томпсон (граф Румфорд) обнаружил выделение большого количества тепла при высверливании канала в пушечном стволе, что посчитал доказательством того, что теплота является формой движения. Получение теплоты с помощью трения подтвердили опыты Г.Дэви. Б.Томпсон показал, что из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты. Возникновение собственно термодинамики начинается с работы С.Карно (сам термин "термодинамика" введен Б.Томпсоном). Исследуя практическую задачу получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машинам. Так был сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного действия тепловых машин, 4

Карно ввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух изотермических (происходящих при постоянной температуре) и двух адиабатических (без притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т.д.) и определяется температурами теплоотдатчика и теплоприемника. КПД любой тепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла Карно. Карно первым вскрыл связь теплоты с работой. Но он исходил из концепции теплорода, признававшей теплоту неизменной по количеству субстанцией. Вместе с тем Карно уже понял, что работа паровой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от более высоких к более низким температурам, т.е. что не может быть беспредельного воспроизведения движущей силы без затрат теплорода. Таким образом, работа представлялась как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. Иначе говоря, теплота может создавать работу лишь при наличии разности температур. По своему смыслу это и составляет содержание второго начала термодинамики. КПД тепловой машины оказался зависимым не от рабочего вещества, а от температуры теплоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карно прийти к признанию принципа невозможности создания вечного двигателя первого рода (т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной, совершала бы работу без притока извне). Осознавая недостатки теории теплорода, Карно отказывается от признания теплоты неизменной по количеству субстанцией и дает значение механического эквивалента теплоты. Но публикация этого вывода была осуществлена уже после признания закона сохранения энергии, поэтому данный вывод не сыграл той роли, которую мог сыграть, будучи опубликованным ранее. Но так или иначе Карно заложил основы термодинамики как раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться на основе фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) определенного количества теплоты в общем случае происходит при приращении внутренней энергии системы и она совершает работу против внешних сил. Выше отмечалось, что первым, кто поставил теплоту в связь с работой, был Карно, но его работа в силу запоздалой публикации не оказала решающего воздействия на формирование первого начала термодинамики. Однако идея о том, что теплота – не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, в зависимости от условий, выступает в виде движе5

ния, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превращения этой идеи в ясное и точное понятие, необходимо было определить общую меру этой силы. Это сделали, независимо друг от друга, Р.Майер, Д.Джоуль и Г.Гельмгольц. Р.Майер первым сформулировал закон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты (1842 г.). Д.Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии и определил меру превращения механической работы в теплоту. Г.Гельмгольц в 1847 г. математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Подход всех трех авторов закона сохранения энергии был различным. Майер отталкивался больше от общих положений, связанных с аналогией между "живой силой" (энергией), которую приобретали тела при своем падении в соответствии с законом всемирного тяготения, и теплотой, которую отдавали сжатые газы. Джоуль шел от экспериментов по выявлению возможности использования электрического двигателя как практического источника энергии (это обстоятельство и заставляло его задуматься над вопросом о количественной эквивалентности работы и теплоты). Г.Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь применить концепцию движения Ньютона к движению большого числа тел, которые находятся под влиянием взаимного притяжения. Его вывод о том, что сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается постоянной, является формулировкой закона сохранения энергии в его наиболее общей форме. Этот закон - величайшее открытие XIX века. Механическая работа, электричество и теплота - различные формы энергии. Д.Бернал так охарактеризовал его значение: "Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики - так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной. То, что было установлено, представляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты. Килограммометрами работы и киловатт-часами электричества. Вся человеческая деятельность в целом - промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь - рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина - энергия." ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Второе начало термодинамики - закон возрастания энтропии: в замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Существуют и другие эквивалентные формулировки второго начала термодинамики, принадлежащие раз6

ным ученым: невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу, более нагретому, без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р.Клаузиус); невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либо термодинамический цикл, машину, вся работа которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответствующему охлаждению теплового резервуара (В.Томсон, М.Планк); невозможно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного "неисчерпаемого" источника (океана, атмосферы и т.д.) в работу (В.Оствальд). В.Томсон (лорд Кельвин) сформулировав принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода, в 1852 году пришел к формированию концепции "тепловой смерти" вселенной. Ее суть раскрывается в следующих положениях. Во-первых, во вселенной существует тенденция к расточению механической энергии. Во-вторых восстановление механической энергии в прежнем количестве не может быть осуществлено. Втретьих, в будущем Земля очутится в непригодном для жизни человека состоянии. Через 20 лет Клаузиус приходит к тому же выводу, сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропия вселенной стремится к максимуму. (Под энтропией он понимал величину, представляющую собой сумму всех превращений, которые должны были иметь место, чтобы привести систему в ее нынешнее состояние.) В замкнутой системе энтропия может только возрастать или оставаться постоянной. Во всякой изолированной системе тепловые процессы однонаправлены, что и приводит к увеличению энтропии. Стоит энтропии достигнуть максимума, как тепловые процессы в такой системе прекращаются, что означает принятие всеми телами системы одинаковой температуры и превращение всех форм энергии в тепловую. Наступление состояния термодинамического равновесия приводит к прекращению всех макропроцессов, что и означает состояние "тепловой смерти". Для распространения второго начала термодинамики на другие необратимые процессы было введено понятие энтропии как меры беспорядка. Для изолированных систем (не пропускающих тепло) второе начало термодинамики можно выразить следующим образом: энтропия системы никогда не уменьшается. Система, находящаяся в состоянии равновесия, имеет максимальную энтропию. Понятие энтропии связывают и с понятием информации. Система, находящаяся в упорядоченном состоянии, содержит много информации, а неупорядоченная система содержит мало информации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайный набор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют с отрицательной энтропией (или негэнтропией). При росте энтропии информация уменьшается. Среди множества выдвинутых против этого вывода возражений наиболее известным было возражение Максвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную область применения. Максвелл счи7

тал второе начало термодинамики справедливым, пока мы имеем дело с телами, обладающими большой массой, когда нет возможности различать в этих массах отдельные молекулы и работать с ними. Он предложил проделать мысленный эксперимент - представить себе существо, способное следить за каждой молекулой во всех ее движениях, и разделить какой-либо сосуд на две части перегородкой с маленьким отверстием в ней. Это существо (названное "демоном Максвелла"), способное различать отдельные молекулы, будет попеременно то открывать, то закрывать отверстие таким образом, чтобы быстро движущиеся молекулы могли переходить в другую половину. В этом случае "демон Максвелла" без затраты работы смог бы повысить температуру в первой половине сосуда и понизить во второй вопреки второму началу термодинамики. Данный процесс асимметричен во времени - без внешнего вмешательства он не может стать обратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернутся в первоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядок стремится уступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, которые как будто бы противоречат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своем развитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченные этой жидкости и т.д. Однако полная энтропия системы вместе с окружающей средой возрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропии солнечного излучения и т.д. Л.Больцман, предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку, сформулировал H-теорему, являющуюся результатом соединения двух подходов к приближению газа к состоянию равновесия - макроскопического (законов ньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического (исходящего из представления газа как стремящегося к беспорядочному перераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может только возрастать - таково поведение термодинамических систем во времени. Однако с Н-теоремой Больцмана оказался связанным парадокс, вокруг которого возникла дискуссия. Суть заключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика симметрична во времени - любое движение атомов, основанное на законах ньютоновской механики, может быть представлено как происходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что возрастание энтропии асимметричного во времени) не может быть верной - для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметрию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастания энтропии оказывалась несостоятельной. На это первым обратили внимание Й.Лошмидт и Э.Цермело. При выводе Н-теоремы Больцман кроме механики Ньютона опирался на предположение о молекулярном хаосе, которое, однако, не 8

всегда верно. По теории вероятности, возможность того, что молекулы газа в упомянутом ранее сосуде будут двигаться не хаотично, а устремятся в какую-то одну его половину, не является нулевой, хотя и исчезающе мала. Поэтому можно сказать, что в принципе могут быть случаи, когда энтропия убывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом, Н- теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии. Но временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренних хаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделяясь от окружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окружающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами - в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого воздействия извне. При этом причина асимметрии - не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет. Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника (предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной. Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с "демоном Максвелла" делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим. 9

ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Третье начало термодинамики (теорема Нернста) : энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов. Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет невозможным создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния - энергию, второе начало ввело функцию состояния энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым. Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени. 10

ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ Паровая машина. Первые практически действующие универсальные паровые машины были созданы русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джемсом Уаттом. В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливались водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам для трех медеплавильных печей. Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов. В паровой машине Д. Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде — конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором. Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784 г. Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД не превышал 9%. Паровая турбина и ТЭЦ. Значительного повышения КПД удалось достигнуть в результате изобретения паровой турбины. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры более 500 °С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию. Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии, приводятся в действие паровыми турбинами. Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580 °С (температура нагревателя Т1=853 К), а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура 11

холодильника Т2=303 К); поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно: а реальные значения КПД паротурбинных конденсационных электростанций составляют лишь около 40%. Мощность современных энергоблоков котел — турбина — генератор достигает 1,2*106 кВт. Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышленного теплоснабжения. Коэффициент полезного использования топлива в такой теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) повышается до 60—70%. Тепловые машины и транспорт. Различные виды тепловых машин являются основой современного транспорта. Тепловые машины приводят в движение автомобили и тепловозы, речные и морские корабли, самолеты и космические ракеты. Одной из наиболее распространенных тепловых машин, используемых в различных транспортных средствах, является двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания. Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра. Отсюда и происхождение названия — «двигатель внутреннего сгорания». Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. Французским инженером Этьеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной. В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателей Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов. Развитие нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива — керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно- бензиновую смесь называют горючей смесью. Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливо сжигается для нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Наряду с нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее коли12

чество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий большую часть воздуха, испытывает лишь нагревание. В двигателе внутреннего сгорания происходит следующее: впуск; сжатие; рабочий ход; выхлоп. При движении поршня от верхнего положения до нижнего через выпускной клапан происходит засасывание горячей смеси в цилиндр. Этот процесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горючей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к адиабатическому. В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси электрической искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему телу — воздуху — количества тепла, резким возрастанием температуры, давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим. Под действием давления горячих газов поршень совершает рабочий ход, газы адиабатически расширяются. В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и рабочее тело соединяется с окружающей атмосферой. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей тепла окружающему воздуху, играющему роль охладителя. Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси ( V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия). С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию. В карбюраторных двигателях увеличению степени сжатия выше 8—9 препятствует самовоспламенение (детонация) горючей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на двигатель и снижает его мощность и КПД. Достигнуть высоких степеней сжатия без детонации удалось увеличением скорости движения поршня при повышении числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина со специальными антидетонационными присадками. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили. Двигатель Дизеля. Для дельнейшего повышения КПД двигателя внутреннего сгорания в 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель предложил использовать еще большие степени сжатия рабочего тела. Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончании процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабатического сжатия воздуха его темпера13

тура повышается до 600 — 700 С. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом. Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе, а происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп. Современные дизели имеют степень сжатия 16 — 21 и КПД около 40%. Более высокий коэффициент полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси (480— 630 °С) у них выше, чем у карбюраторных двигателей (330— 480°С). Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на судах речного и морского транспорта, тепловозах. Газовая турбина. Все более широкое применение в современном транспорте получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора 1, камер сгорания 2 и газовой турбины 3 (рис. 2). Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата. При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5—7 раз. Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200 °С и более. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо — керосин, мазут. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, получает некоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500— 2200 °С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается. Движущийся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется для вращения винта самолета, винта морского корабля или колес автомобиля. Вместо вращения винта самолета, теплохода или ротора электрогенератора газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного транспорта. Турбореактивными двигателями оборудованы известные всему миру самолеты ИЛ-62, ТУ-154. 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием разных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Если в России пока количество кислорода, производимого лесами, превышает количество кислорода, потребляемого промышленностью, то, например, в США леса восстанавливают лишь 60% используемого промышленностью кислорода. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. За последние двадцать лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли увеличилось примерно на 5%. Молекулы оксида углерод способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет ее прозрачность. Инфракрасное излучений, испускаемое земной поверхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее температуры. В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах. Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2—3 млн. т свинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе, т.е. слишком быстрого сгорания топлива, приводящего к снижению мощности двигателя и его быстрому износу. Так как автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, проблема существенного усовершенствования автомобильного двигателя представляет одну из наиболее актуальных научно-технических проблем. Путь уменьшения загрязнения окружающей среды – переход от использования в автомобилях карбюраторных бензиновых двигателей к использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель, питающийся от аккумулятора, или двигатель, использующий в качестве топлива водород. В последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода. 15

ЛИТЕРАТУРА 1. Бернал Дж. Наука в истории общества.М.,1956. 2. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. – М.: Просвещение, 1983. 3. Кабардин О.Ф. Физика. – М.: Просвещение, 1988. 4. Курс общей физики. – Киев: Днепр, 1994. 5. Техническая термодинамика: Учебник для вузов/Под ред. В.И. Крутова. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш.школа, 1981. – 439с. 6. Теплотехника: Учебник для студентов вузов/А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ.ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432с. 7. Мещеряков А.С. Термодинамика и теплообмен в литейных процессах: Учебн.пособие. – Пенза: Изд-во Пенз.гос.техн.ун-та, 1993. – 460с.

16

РЕФЕРАТ № 2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ ВВЕДЕНИЕ Из классической термодинамики известно, что изолированные термодинамические системы в соответствии со вторым началом термодинамики для необратимых процессов энтропия системы S возрастает до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения в состоянии термодинамического равновесия. Возрастание энтропии сопровождается потерей информации о системе. Со временем открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать возрастание со временем энтропии в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и не живой природе. Долгое время казалось, что существует противоречие между выводом второго закона термодинамики и выводами эволюционной теории Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации. Противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики. Ее еще называют термодинамикой открытых систем. Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р.Пригожин, П.Гленсдорф, Г.Хакен. Бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии. Как итог развития нелинейной неравновесной термодинамики появилась новая научная дисциплина синергетика - наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных. Проведены исследования по самоорганизации аналитическими и численными методами различных систем. 1.1. ЗАКРЫТЫЕ И ОТКРЫТЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Материальные объекты, тела, состоящие из большого числа частиц, называются макроскопической системой. Размеры макроскопических систем значительно больше размеров атомов и молекул. Все макроскопические признаки, характеризующие такую систему и ее отношение к окружающим телам, называются макроскопическими параметрами. К их числу относятся такие, например, как плотность, объем, упругость, концентрация, поляризованность, намогниченность и т.д. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние. 17

Величины, определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел, называются внешними параметрами, например напряженность силового поля ( так как зависят от положения источников поля - зарядов и токов, не входящих в нашу систему ), объем системы ( так как определяется расположением внешних тел ) и т.д. Следовательно, внешние параметры являются функциями координат внешних тел. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются внутренними параметрами, например энергия, давление, плотность, намогниченность, поляризованность и т.д. (так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов). Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояние системы, т.е. форму ее бытия. Величины не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент ( т.е. совокупностью независимых параметров ), называются функциями состояния. Состояние называется стационарным, если параметры системы с течением времени не изменяются. Если, кроме того, в системе не только все параметры постоянны во времени , но и нет никаких стационарных потоков за счет действия какихлибо внешних источников , то такое состояние системы называется равновесным ( состояние термодинамического равновесия ). Термодинамическими системами обычно называют не всякие, а только те макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии. Аналогично, термодинамическими параметрами называются те параметры, которые характеризуют систему в термодинамическом равновесии. Внутренние параметры системы разделяются на интенсивные и экстенсивные. Параметры не зависящие от массы и числа частиц в системе, называются интенсивными (давление, температура и др.). Параметры пропорциональные массе или числу частиц в системе, называются аддитивными или экстенсивными ( энергия, энтропия и др. ). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое , в то время как интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы. По способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются: 1. Замкнутая ( изолированная ) система - это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией, ни веществом ( в том числе и излучением ), ни информацией. 2. Закрытая система - система, в которой есть обмен только с энергией. 3. Адиабатно изолированная система - это система, в которой есть обмен энергией только в форме теплоты. 4. Открытая система - это система, которая обменивается и энергией, и веществом, и информацией. 18

1.2. НУЛЕВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Нулевое начало термодинамики, сформулированное всего около 50 лет назад, по существу представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Температура - одно из самых глубоких понятий термодинамики. Температура играет столь же важную роль в термодинамике , как , например процессы. Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие; оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона (17 век) понятию силы - на первый взгляд более конкретному и «осязаемому» и к тому же успешно « математезированному» Ньютоном. Первое начало термодинамики устанавливает, что внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий. В термодинамике рассматриваются два типа внешних взаимодействий: воздействие, связанное с изменением внешних параметров системы (система совершает работу W), и воздействие не связанные с изменением внешних параметров и обусловленные изменением внутренних параметров или температуры (системе сообщается некоторое количество теплоты Q). Поэтому, согласно первому началу, изменение внутренней энергии U2-U1 системы при ее переходе под влиянием этих воздействий из первого состояния во второе равно алгебраической сумме Q и W , что для конечного процесса запишется в виде уравнения U 2 - U1 = Q - W

или

Q = U2 - U1 + W

(1.1)

Первое начало формируется как постулат и является обобщением большого количества опытных данных. Для элементарного процесса уравнение первого начала такого: δQ = dU + δW

(1.2)

δQ и δW не являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования. Зависимость Q и W от пути видна на простейшем примере расширение газа. Работа, совершенная системой при переходе ее из состояния 1 в 2 (рис. 1) по пути изображается площадью, ограниченной контуром А1а2ВА: Wа = p(V,T) dV ; а работа при переходе по пути в - площадью ограниченную контуром А1в2ВА: Wb = p(V,T) dV.

19

Рис. 1 Поскольку давление зависит не только от объема, но и от температуры, то при различных изменениях температуры на пути а и в при переходе одного и того же начального состояния (p1,V1) в одно и тоже конечное (p2,V2) работа получается разной. Отсюда видно , что при замкнутом процессе (цикле) 1а2в1 система совершает работу не равную нулю. На этом основана работа всех тепловых двигателей. Из первого начала термодинамики следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии , или за счет сообщения системе количества теплоты . В случае если процесс круговой , начальное и конечное состояние совпадают U2- U1 = 0 и W = Q , то есть работа при круговом процессе может совершаться только за счет получения системой теплоты от внешних тел . Первое начало можно сформулировать в нескольких видах: 1. Невозможно возникновение и уничтожение энергии. 2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения . 3. Внутренняя энергия является однозначной формой состояния. 4. Вечный двигатель первого рода невозможен. 5. Бесконечно малое изменение внутренней энергии является полным дифференциалом. 6. Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса. Первый закон термодинамики, постулируя закон сохранения энергии для термодинамической системы, не указывает направление происходящих в природе процессов. Направление термодинамических процессов устанавливает второе начало термодинамики.

20

1.3.ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Второй основной постулат термодинамики связан так же с другими свойствами термодинамического равновесия как особого вида теплового движения. Опыт показывает, что если две равновесные системы А и В привести в тепловой контакт, то независимо от различия или равенства у них внешних параметров они или остаются по прежнему в состоянии термодинамического равновесия , или равновесие у них нарушается и спустя некоторое время в процессе теплообмена ( обмена энергией ) обе системы приходят в другое равновесное состояние. Кроме того, если имеются три равновесные системы А, В и С и если системы А и В порознь находятся в равновесии с системой С, то системы А и В находятся в термодинамическом равновесии и между собой (свойства транзитивности термодинамического равновесия ). Пусть имеются две системы. Для того , чтобы убедится в том , что они находятся в состоянии термодинамического равновесия надо измерить независимо все внутренние параметры этих систем и убедиться в том , что они постоянны во времени. Эта задача чрезвычайно трудная. Оказывается однако, что имеется такая физическая величина , которая позволяет сравнить термодинамические состояния двух систем и двух частей одной системы без подробного исследования и внутренних параметров. Эта величина , выражающая состояние внутреннего движения равновесной системы , имеющая одно и то же значение у всех частей сложной равновесной системы независимо от числа частиц в них и определяемое внешними параметрами и энергией называется температурой . Температура является интенсивным параметром и служит мерой интенсивности теплового движения молекул. Изложенное положение о существовании температуры как особой функции состояния равновесной системы представляет второй постулат термодинамики. Иначе говоря, состояние термодинамического равновесия определяется совокупностью внешних параметров и температуры. Р.Фаулер и Э.Гуггенгейм назвали его нулевым началом, так как оно подобно первому и второму началам, определяющими существование некоторых функций состояния, устанавливает существование температуры у равновесных систем. Об этом упоминалось выше. Итак, все внутренние параметры равновесной системы являются функциями внешних параметров и температур.(Второй постулат термодинамики). Выражая температуру через внешние параметры и энергию, второй постулат можно сформулировать в таком виде: при термодинамическом равновесии все внутренние параметры являются функциями внешних параметров и энергии. 21

Второй постулат позволяет определить изменение температуры тела по изменению, какого либо его параметра, на чем основано устройство различных термометров. 1.3.1.ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ Процесс перехода системы из состояния 1 в 2 называется обратимым, если возвращением этой системы в исходное состояние из 2 в 1 можно осуществить без каких бы, то ни было изменений окружающих внешних телах. Процесс же перехода системы из состояния 1 в 2 называется необратимым, если обратный переход системы из 2 в 1 нельзя осуществить без изменения в окружающих телах. Мерой необратимости процесса в замкнутой системе является изменением новой функции состояния - энтропии, существование которой у равновесной системы устанавливает первое положение второго начала о невозможности вечного двигателя второго рода. Однозначность этой функции состояния приводит к тому, что всякий необратимый процесс является неравновесным. Из второго начала следует, что S является однозначной функцией состояния. Это означает, что dQ/T для любого кругового равновесного процесса равен нулю. Если бы это не выполнялось, т.е. если бы энтропия была неоднозначной функцией состояния то, можно было бы осуществить вечный двигатель второго рода. Положение о существовании у всякой термодинамической системы новой однозначной функцией состояния энтропии S, которая при адиабатных равновесных процессах не изменяется и составляет содержание второго начала термодинамики для равновесных процессов. Математически второе начало термодинамики для равновесных процессов записывается уравнением: dQ/T = dS

или

dQ = TdS

(1.3)

Интегральным уравнением второго начала для равновесных круговых процессов является равенство Клаузиуса : dQ/T = 0

(1.4)

Для неравновесного кругового процесса неравенство Клаузиуса имеет следующий вид: dQ/T < 0 (1.5) Теперь можно записать основное уравнение термодинамики для простейшей системы находящейся под всесторонним давлением: TdS = dU + pdV (1.6) 22

Обсудим вопрос о физическом смысле энтропии. 1.3.2. ЭНТРОПИЯ Второй закон термодинамики постулирует существование функции состояния, называемой «энтропией» (что означает от греческого «эволюция») и обладающей следующими свойствами: а) Энтропия системы является экстенсивным свойством. Если система состоит из нескольких частей , то полная энтропия системы равна сумме энтропии каждой части . в) Изменение энтропии d S состоит из двух частей . Обозначим через dе S поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окружающей средой , а через di S - часть энтропии , обусловленную изменениями внутри системы , имеем d S = d e S + di S

(1.7)

Приращение энтропии di S обусловленное изменением внутри системы , никогда не имеет отрицательное значение . Величина di S = 0 , только тогда , когда система претерпевает обратимые изменения , но она всегда положительна , если в системе идут такие же необратимые процессы. Таким образом di S = 0 (1.8) ( обратимые процессы ); di S > 0 (1.9) ( необратимые процессы ); Для изолированной системы поток энтропии равен нулю и выражения (1.8) и (1.9) сводятся к следующему виду: d S = di S > 0 (1.10) ( изолированная система ). Для изолированной системы это соотношение равноценно классической формулировке, что энтропия никогда не может уменьшаться, так что в этом случае свойства энтропийной функции дают критерий, позволяющий обнаружить наличие необратимых процессов. Подобные критерии существуют и для некоторых других частных случаев. Предположим, что система, которую мы будем обозначать символом 1, находится внутри системы 2 большего размера и что общая система , состоящая системы 1 и 2, является изолированной. Классическая формулировка второго закона термодинамики тогда имеет вид: d S = d S 1 + d S2 ≥ 0 (1.11) Прилагая уравнения (1.8) и (1.9) в отдельности каждой части этого выражения , постулирует , что di S1 ≥ 0 , di S2 ≥ 0. 23

Ситуация при которой di S1 > 0 и di S2 < 0 , а d( S1 + S2 )>0 , физически неосуществима. Поэтому можно утверждать, что уменьшение энтропии в отдельной части системы, компенсируемое достаточным возрастанием энтропии в другой части системы, является запрещенным процессом. Из такой формулировки вытекает , что в любом макроскопическом участке системы приращение энтропии , обусловленное течением необратимых процессов, является положительным. Под понятием « макроскопический участок » системы подразумевается любой участок системы, в котором содержится достаточное большое число молекул, чтобы можно было принебреч микроскопическими флуктуациями. Взаимодействие необратимых процессов возможно лишь тогда, когда эти процессы происходят в тех же самых участках системы. Такую формулировку второго закона можно было бы назвать « локальной » формулировка в противоположность « глобальной » формулировка классической термодинамики. Значение подобной новой формулировке состоит в том, что на ее основе возможен гораздо более глубокий анализ необратимых процессов. 1.4.ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Открытие третьего начала термодинамики связано с нахождением химического средства - величины, характеризующих способность различных веществ химически реагировать друг с другом. Эта величина определяется работой W химических сил при реакции . Первое и второе начало термодинамики позволяют вычислить химическое средство W только с точностью до некоторой неопределенной функции . Чтобы определить эту функцию нужны в дополнении к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел. Поэтому Нернстоном были предприняты широкие экспериментальные исследования поведение веществ при низкой температуре . В результате этих исследований и было сформулировано третье начало термодинамики : по мере приближения температуры к 0 К энтропия всякой равновесной системы при изотермических процессах перестает завесить от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе (Т= 0 К) принимает одну и туже для всех систем универсальную постоянную величину, которую можно принять равной нулю. Общность этого утверждения состоит в том , что , во-первых , оно относится к любой равновесной системе и , во-вторых , что при Т стремящемуся к 0 К энтропия не зависит от значения любого параметра системы. Таким образом, по третьему началу, или

lin [ S (T,X2) - S (T,X1) ] = 0 lim [ dS/dX ]T = 0

при Т → 0

(1.12) (1.13)

где Х - любой термодинамический параметр (аi или Аi). 24

Предельно значение энтропии, поскольку оно одно и тоже для всех систем, не имеет никакого физического смысла и поэтому полагается равным нулю (постулат Планка). Как показывает статическое рассмотрение этого вопроса, энтропия по своему существу определена с точностью до некоторой постоянной (подобно, например, электростатическому потенциалу системы зарядов в какой либо точке поля). Таким образом, нет смысла вводить некую «абсолютную энтропию», как это делал Планк и некоторые другие ученые.

ЛИТЕРАТУРА 1. Базаров И.П. Термодинамика. - М.: Высшая школа, 1991г. 2. Гленсдорф П. , Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. - М.: Мир, 1973г. 3. Карери Д. Порядок и беспорядок в структуре материи. - М.: Мир, 1995г. 4. Курдюшов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика - теория самоорганизации. Идеи, методы перспективы. - М.: Знание, 1983г. 5. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979 г. 6. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. - М.: Мир, 1990г. 7. Герасимов Я.и. Курс физической химии: Учебн.пособие/Я.И. Герасимов, В.П. Древиег, Е.Н. Еремин, А.В. Киселев, В.П. Лебедев, Г.М. Панченков, А.И. Шлыгин. Под общ.ред. Я.И. Герасимова. – Т.1. – М. – Л.: Изд-во «Химия», 1964. – 624с. 8. Карякин Н.И. Краткий справочник по физике: Учебн.пособие./Н.И. Карякин, К.Н. Быстров, П.С. Киреев. – 2-е изд. – М.: Высш.школа, 1964. – 575с.

25

РЕФЕРАТ № 3 ТЕРМОДИНАМИКА И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА Термодинамика, наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями. Т. строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности в соотношениях между физическими величинами, к которым приводит Т., имеют универсальный характер. Обоснование законов Т., их связь с законами движения частиц, из которых построены тела, даётся статистической физикой. Последняя позволяет выяснить и границы применимости Т. Равновесные и неравновесные состояния. Равновесным является такое состояние изолированной системы, в которое она переходит по истечении, строго говоря, бесконечно большого промежутка времени. Практически равновесие достигается за конечное время (время релаксации), которое зависит от природы тел, их взаимодействий, а также и от характера исходного неравновесного состояния. Если система находится в состоянии равновесия, то в равновесии находятся и отдельные её макроскопические части. При неизменных внешних условиях такое состояние не меняется со временем. Следует подчеркнуть, что неизменность во времени не является достаточным признаком равновесности состояния. Например, помещенный в термостат участок электрической цепи, по которому течёт постоянный ток, находится в неизменном (стационарном) состоянии практически неограниченное время. Однако это состояние неравновесное: протекание тока сопровождается необратимым превращением энергии электрического тока в теплоту, отводимую в термостат, в системе имеется градиент температуры. В стационарном неравновесном состоянии могут находиться и все так называемые открытые системы. Равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Прежде всего, это температура, равенство значений которой для всех частей системы является необходимым условием термодинамического равновесия. (Существование температуры — параметра, единого для всех частей системы, находящейся в равновесии, часто называется нулевым началом Т.) Состояние однородных жидкости или газа полностью фиксируется заданием любых двух из трёх величин: температуры Т, объёма Уи давления/?. Связь между р, Ки Г характерна для каждой данной жидкости (газа) и называется уравнением состояния (например, Клапейрона уравнение для идеального газа или Ван-дер-Ваальса уравнение). В более сложных случаях для полной характеристики равновесного состояния могут понадобиться и др. параметры (например, концентрации отдельных составляющих смеси газов, напряжённость электрического поля, магнитная индукция). 26

Обратимые (квазистатические) и необратимые процессы. В процессе перехода из одного равновесного состояния в другое, который может происходить под влиянием различных внешних воздействий, система проходит через непрерывный ряд состояний, не являющихся, вообще говоря, равновесными. Для реализации процесса, приближающегося по своим свойствам к равновесному, необходимо, чтобы он протекал достаточно медленно. Но сама по себе медленность процесса ещё не является достаточным признаком его равновесности. Так, процесс разрядки компенсатора через большое сопротивление или дросселирование (см. Джоуля—Томсона эффект), при котором газ перетекает из одного сосуда в другой через пористую перегородку под влиянием перепада давлений, могут быть сколь угодно медленными и при этом существенно неравновесными процессами. Равновесный процесс, представляя собой непрерывную цепь равновесных состояний, является обратимым — его можно совершить в обратном направлении, и при этом в окружающей среде не останется никаких изменений. Т. даёт полное количественное описание обратимых процессов, а для необратимых процессов устанавливает лишь определённые неравенства и указывает направление их протекания. Первое начало термодинамики. Существуют два принципиально различающихся способа изменения состояния системы: первый связан с работой системы по перемещению на макроскопические расстояния окружающих тел (или работой этих тел над системой); второй — с сообщением системе теплоты (или с отводом теплоты) при неизменном расположении окружающих тел. В общем случае переход системы из одного состояния в другое связан с сообщением системе некоторого количества теплоты AQ и совершением системой работы АА над внешними телами. Как показывает опыт, при заданных начальном и конечном состояниях AQ и АА существенно зависят от пути перехода. Другими словами, эти величины являются характеристиками не отдельного состояния системы, а совершаемого ею процесса. Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (то есть возвращается в конечном счёте в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе. Первое начало термодинамики представляет собой по существу выражение закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Энергетическая эквивалентность теплоты и работы, то есть возможность измерения их количеств в одних и тех же единицах и тем самым возможность их сравнения была доказана опытами Ю. Р. Майера (1842) и особенно Дж. ДЖОУЛЯ (1843У Первое начало термодинамики было сформулировано Майером, а затем в значительно более ясной форме Г. Гельмгольием (1847). Приведённая выше формулировка первого начала равнозначна, очевидно, утверждению о невозможности вечного двигателя 1го рода. Из первого начала следует, что в случае незамкнутого процесса (когда система не возвращается в исходное состояние) разность AQ — АА хоть и не равна нулю, но во всяком случае не зависит от пути перехода между данны27

ми состояниями. Действительно, произвольный процесс в обратном направлении образует с каждым из прямых процессов замкнутый цикл, для которого указанная разность обращается в нуль. Таким образом, AUпредставляет собой приращение величины U, имеющей в каждом состоянии вполне определённое значение, или, как говорят, являющейся функцией состояний системы. Эта величина называется внутренней энергией (или просто энергией) системы. Таким образом, из первого начала Т. вытекает, что существует характеристическая функция состояния системы — её энергия. Если речь идёт об однородном теле, которое способно совершать работу только при изменении объёма, то АА = pdVn бесконечно малое приращение (дифференциал) £/равно: dU = dQ-pdV, (1) где dQ — бесконечно малое приращение теплоты, не являющееся, однако, дифференциалом какой-либо функции. При фиксированном объёме (dV= 0) вся сообщаемая телу теплота идёт на приращение внутренней энергии, и поэтому, в частности, теплоёмкость тела при постоянном объёме су ~ (dU/dT) v Вводя другую функцию состояний Н — U + рУ (энтальпию), дифференциал которой dH = dU+Vdp, (2) можно получить выражение для теплоёмкости, измеряемой при постоянном давлении: ср = (dH/dT)p. В случае идеального газа, который описывается уравнением состояний Клапейронар V — nRT{n — число молей газа в объёме V, R — газовая постоянная), как свободная энергия, так и энтальпия определённой массы газа зависят только от Т, что подтверждается, например, отсутствием охлаждения в процессе Джоуля — Томсона. Поэтому для идеального газа ср— cv = nR. Второе начало термодинамики. Запрещая вечный двигатель 1-го рода, первое начало Т. не исключает возможности создания такой машины непрерывного действия, которая была бы способна превращать в полезную работу практически всю подводимую к ней теплоту (так называемый вечный двигатель 2-го рода). Однако весь опыт по конструированию тепловых машин, имевшийся в начале 19 в., указывал на то, что кпд этих машин (отношение затраченной теплоты к полученной работе) всегда существенно меньше единицы: часть теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду. С. Карно первым показал (1824), что это обстоятельство имеет принципиальный характер, то есть любая тепловая машина должна содержать помимо нагревателя (источника теплоты) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), также и холодильник, имеющий температуру, обязательно более низкую, чем температура нагревателя. Второе начало термодинамики представляет собой обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические процессы, протекающие в природе. Р. Клаузиус (1850) дал 2-му началу следующую формулировку: теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. Независимо в несколько иной форме этот принцип высказал У. Томсон (Кельвин) в 1851: невозможно построить периодически дейст28

вующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (совершению механической работы) и соответствующему охлаждению теплового резервуара. Несмотря на качественный характер этого утверждения, оно приводит к далеко идущим количественным следствиям. Прежде всего оно позволяет определить максимальный кпд тепловой машины. Если машина работает на основе Карно цикла, то на протяжении изотермического контакта с нагревателем (Т — Т}) рабочее тело получает количество теплоты A Qu а на другом изотермическом участке цикла, находясь в контакте с холодильником (Т = Т2), отдаёт ему количество теплоты Л Q2. Отношение AQ2/AQi должно быть одним и тем же у всех машин с обратимым циклом Карно, у которых одинаковы соответственно температуры нагревателей и холодильников, и не может зависеть от природы рабочего тела. Если бы это было не так, то машину с большей величиной указанного отношения можно было бы заставить работать в обратном направлении (поскольку циклы обратимы), приводя её в действие с помощью машины с меньшей величиной отношения. Эта комбинированная машина обладала бы тем свойством, что в ней теплота от холодильника передавалась бы нагревателю без совершения работы. Согласно 2-му началу Т. это невозможно, и поэтому отношение AQ2 /AQ\ У обеих машин должно быть одинаковым. В частности, оно должно быть тем же, что и в случае, когда рабочим телом является идеальный газ. Здесь это отношение легко может быть найдено, и, таким образом, оказывается, что для всех обратимых циклов Карно это выражение называется пропорцией Карно. В результате для всех машин с обратимым циклом Карно кпд максимален и равен r\~(Ti — T2)/Tj. В случае, если цикл необратим, то кпд оказывается меньше этой величины. Необходимо подчеркнуть, что пропорция Карно и кпд цикла Карно имеют указанный вид только в том случае, если температура измерена в абсолютной температурной шкале. Пропорция Карно положена в основу определения абсолютной температурной шкалы (см. Температурные шкалы). Следствием 2-го начала Т. (пропорции Карно) является существование энтропии как функции состояний. Если ввести величину S, изменение которой при изотермическом обратимом сообщении системе количества теплоты AQ есть AS = AQ/Г, то полное приращение S в цикле Карно будет равно нулю; на адиабатических участках цикла AS — О (так как AQ = 0), а изменения на изотермических участках компенсируют друг друга. Полное приращение S оказывается равным нулю и при осуществлении произвольного обратимого цикла, что доказывается разбиением цикла на последовательность бесконечно тонких циклов Карно (с малыми изотермическими участками). Отсюда следует (как и в случае внутренней энергии), что энтропия S является функцией состояния системы, то есть изменение энтропии не зависит от пути перехода. Используя понятие энтропии, Клаузиус (1876) показал, что исходная формулировка 2-го начала Т. полностью эквивалентна следующей: существует функция состояния системы, её энтропия S, приращение которой при обратимом сообщении системе теплоты равно dS = dQ/T; (4) 29

При реальных (необратимых) адиабатических процессах энтропия возрастает, достигая максимальное значения в состоянии равновесия. Термодинамические потенциалы. Определение энтропии позволяет написать следующие выражения для дифференциалов внутренней энергии и энтальпии: dU = TdS~pdV, dH=TdS+ Vdp. (5) Отсюда видно, что естественными независимыми параметрами состояния для функций U и Н являются соответственно пары S, Vn S,p. Если же вместо энтропии в качестве независимого параметра используется температура, то для описания системы более удобны свободная энергия (Гелъмголъцева энергия, или изохорно-изотермический потенциал) F' — U— TS (для переменных Г и V) и термодинамический потенциал G = Н— TS для переменных Тир (Гиббсоеа энергия, или изобарно-изотермический потенциал), дифференциалы которых равны dF = - SdT-pdV, dG = -SdT+ Vdp. (6) Функции состояний U, И, F и G называются потенциалами термодинамическими системы для соответствующих пар независимых переменных. Метод термодинамических потенциалов (Дж. Гиббс, 1874— 1878), основанный на совместном применении 1-го и 2-го начал Т., позволяет получить ряд важных термодинамических соотношений между различными физическими свойствами системы. Так, использование независимости вторых смешанных производных от порядка дифференцирования приводит к связи между теплоёмкостями ср и cv, коэффициентом теплового расширения и изотермическим коэффициентом сжатия к соотношению между изотермическим и адиабатическим коэффициентами сжатия и т. п. Из условия, что изолированная система в равновесном состоянии обладает максимальным значением энтропии, вытекает условие минимальности термодинамических потенциалов в равновесном состоянии по отношению к произвольным малым отклонениям от равновесия при фиксированных значениях соответствующих независимых переменных. Это приводит к важным неравенствам (условиям устойчивости), в частности, ср > cv > 0 (см. Устойчивость термодинамическая). Третье начало термодинамики. Энтропия определяется согласно 2му началу Т. дифференциальным соотношением (4), то есть определяется с точностью до постоянного слагаемого, которое хотя и не зависит от температуры, но могло бы быть различным для разных тел в состоянии равновесия. Соответствующие неопределённые слагаемые существуют и у термодинамических потенциалов. В. Нернст (1906) на основе своих электрохимических исследований пришёл к выводу, что эти слагаемые должны быть универсальными: они не зависят от давления, агрегатного состояния и других характеристик вещества. Этот новый, следующий из опыта принцип обычно называется третьим началом термодинамики или тепловой теоремой Нернста. М. Планк (1911) показал, что оно равносильно условию: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения к абсолютному нулю температуры, поскольку универсальную константу в энтропии можно положить равной нулю. Из 3-го начала термодинамики следует, в частности, 30

что коэффициент теплового расширения, 'V изохорный коэффициент давления и удельные теплоёмкости ср и cv обращаются в нуль при Г—»0. Необходимо отметить, что 3-е начало термодинамики и вытекающие из него следствия не относятся к системам, находящимся в так называемом заторможенном состоянии. Примером такой системы является смесь веществ, между которыми возможны химические реакции, но они заторможены — скорость реакций при низких температурах очень мала. Другим примером может служить быстро замороженный раствор, который при низкой температуре должен был бы расслоиться на фазы, но процесс расслоения при низких температурах практически не происходит. Такие состояния во многих отношениях подобны равновесным, однако их энтропия не обращается в нуль при Т~ 0. Применение термодинамики. Важными областями применения термодинамики являются теория равновесия химического и теория фазового равновесия, в частности равновесия между разными агрегатными состояниями и равновесия при расслоении на фазы смесей жидкостей и газов. В этих случаях в процессе установления равновесия существенную роль играет обмен частицами вещества между разными фазами, и при формулировке условий равновесия используется понятие химического потенциала. Постоянство химического потенциала заменяет условие постоянства давления, если жидкость или газ находятся во внешнем поле, например поле тяжести. Методы термодинамики эффективно применяются при изучении тех явлений природы, в которых существенную роль играют тепловые эффекты. В термодинамике принято выделять разделы, относящиеся к отдельным наукам и к технике (химическая термодинамика, техническая термодинамика и т. д.), а также к различным объектам исследования (термодинамика упругих тел, термодинамика диэлектриков, магнетиков, сверхпроводников, плазмы, излучения, атмосферы, воды и др.). Выяснение статистической природы энтропии привело к построению термодинамической теории флуктуаиий (А. Эйнштейн, 1910) и к развитию термодинамики неравновесных протесов. ЛИТЕРАТУРА 1. Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, М., 1955. 2. Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М.—Л., 1952. 3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М, Статистическая физика, 2 изд., М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Второе начало термодинамики. Сб., М.— Л., 1934. 4. Эпштейн П. С, Курс термодинамики, пер. с англ., М.—Л., 1948. 5. Ван-дер-Ваальс И. Д., Констамм Ф., Курс термостатики, пер. с нем., М., 1936. 6. Кубо Р., Термодинамика, пер. с англ., М., 1970; Термодинамика. Терминология. Сб., М, 1973. 31

7. Смородинский Я.А. Температура. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. – 160с. 8. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. Под ред. Ю.А. Чизмаджева. – М.: Изд-во «Мир», 1979. – 512с. 9. Исаченко В.П. Теплопередача: Учебник для вузов/В.П. Исаченко., В.А. Осипова, А.С. сукомел. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоиздат. 1981. – 416с.

32

РЕФЕРАТ № 4 ТЕПЛОТА С ПОЗИЦИЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 1. Эволюция представлений о теплоте В прошлом веке господствовала теория флюидов - невесомых и неуничтожимых жидкостей, перетеканием которых объяснялись различные явления природы. Такими флюидами служили теплород (с его помощью объяснялись тепловые явления), электрод, магнитная жидкость, флогистон (им объяснялись явления горения) и т.д. Например, в 1822 г. на базе теории теплорода Фурье разработал математические основы теории теплопроводности. Последующее развитие науки привело к более глубокому пониманию всех этих явлений. В частности, после открытия закона сохранения энергии стало ясно, что теплота-теплород - это понятие энергетической природы: она способна преобразовываться в работу в эквивалентных количествах. Теория теплорода была отброшена, однако представление о теплоте как о субстрате переноса сохранилось до наших дней. В ходе становления термодинамики вместо теплорода было развито новое понимание теплоты как хаотического движения микроскопических частиц тела. На этой основе было построено стройное здание молекулярнокинетической теории. Применительно к газу начальные шаги в этом направлении сделаны Больцманом, Максвеллом, Гиббсом и некоторыми другими авторами. Согласно этим взглядам, теплота представляет собой кинетическую энергию хаотического движения микрочастиц. Для количественного определения кинетического движения были привлечены такие понятия статистической физики, как случайность, вероятность, флуктуация и т.п.; они легли в основу так называемой статистической термодинамики. Кинетическое толкование теплового явления нашло завершающее развитие в квантовой механике. Наконец, в 1950 г. я предложил новый подход при изучении тепловых явлений, с которого фактически и начиналась общая теория (ОТ). Согласно этому подходу, в природе существует некое простое вермическое вещество (термический заряд), которое с качественной и количественной стороны однозначно характеризует тепловое явление во всех его проявлениях на любом уровне картины мироздания. Истинно простое вермическое явление подчиняется всем законам ОТ. Например, переход вермического вещества через контрольную поверхность сопровождается совершением работы и изменением энергии системы (первое начало). Количество вермического вещества в отличие от энтропии подчиняется закону сохранения (второе начало). Вермическое явление вследствие наличия универсального взаимодействия испытывает органическую связь со всеми остальными явлениями (третье и четвертое начала). Вермическое вещество способно распространяться (пятое и шестое начала), а также аккумулироваться и экранироваться в системе (седьмое начало) и т.д. 33

2. Теория теплообмена Процесс распространения вермического вещества обладает следующей интересной особенностью. При переносе всех других веществ сопряженная с ними степень свободы отличается от экранированной - вермической, поэтому экранированное тепло мы легко наблюдаем в опыте (например, перенос электрического заряда сопровождается выделением джоулева тепла). В случае же распространения вермического вещества основная и экранированная степени свободы совпадают между собой, их невозможно отличить друг от друга, в результате почти целое столетие потребовалось для того, чтобы расшифровать истинный физический механизм вермического явления. Маскировке этого механизма в решающей степени способствовала количественная сторона обсуждаемой проблемы. Действительно, некоторое количество вермического вещества на входе в систему совершает работу dQΘ’ (см. параграф 3 гл. XIII и рис. 4, а). На выходе из системы вермическая работа этого вещества равна dQΘ’’. Но к нему присоединяется экранированное вермическое вещество, совершающее на пути dx работу dQэΘ = dQΘ’ - dQΘ’’ (см. формулу (222)). В результате суммарная работа на выходе из системы dQΘ’’ + dQΘ’ - dQΘ’’ = dQΘ’. Следовательно, вермическая работа на входе в систему равна вермической работе на выходе. В терминах теории теплорода вермическая работа представляет собой количество тепла. Таким образом, благодаря тождественности основной степени свободы и экранированной количество тепла на всем пути распространения вермического вещества сохраняется неизменным. Отсюда становится понятным, почему представление о теплоте как о субстрате переноса не наталкивается на противоречия [13, с.164; 18, с.214; 21, с.269). На основе традиционного понимания теплоты в свое время были развиты известные теории теплообмена, классической термодинамики Клаузиуса, термодинамики необратимых процессов Онзагера и т.д. Нетрудно показать, что указанные теории с их понятиями, законами, уравнениями и коэффициентами непосредственно вытекают из ОТ в качестве частных случаев. Более общая точка зрения ОТ позволяет детально расшифровать физический смысл и дать оценку всем этим понятиям. Некоторые из них остаются в неприкосновенности, другие получают новое толкование, а от иных приходится и отказаться. Одновременно удается лучше осмыслить круг понятий самой ОТ и ее место в системе научных знаний. Например, теория теплообмена базируется на трех основных законах: теплопроводности Фурье JQ = - LQ(dT/dx), теплоотдачи на поверхности тела Ньютона JQ = - αQ δT, излучения абсолютно черного тела Стефана – Больцмана 34

JQ = σQ T4, где LQ - коэффициент теплопроводности, то есть проводимость по отношению к вермической работе, или теплоте; αQ - коэффициент теплоотдачи; σQ - постоянная Стефана - Больцмана. В теории теплопроводности используется также дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье ∂T/∂ t = DQ(∂2T/∂x2), где DQ - диффузивность по отношению к теплоте, или коэффициент температуропроводности. С помощью этих законов выводятся многочисленные уравнения переноса теплоты, используемые на практике. Все они непосредственно вытекают из ОТ. Поток теплоты JQ равен потоку вермического вещества JΘ , умноженному на абсолютную температуру Т. Аналогично связаны между собой коэффициенты LQ , αQ и σQ с соответствующими коэффициентами LΘ , αΘ и σΘ для вермического вещества. Исключение составляет лишь диффузивность, которая для теплоты и вермического вещества имеет одно и то же значение, то есть DQ = DΘ. В отличие от традиционной теории теплообмена общая теория рассматривает системы со многими степенями свободы. Благодаря их взаимному влиянию иногда удается в десятки и сотни раз увеличить, например, коэффициент теплоотдачи. 3. Классическая термодинамика Клаузиуса В фундаменте классической термодинамики, созданной трудами Карно, Клаузиуса, Томсона (Кельвина) и других ученых, лежат два закона, или начала. Первый - это опытный закон сохранения энергии, открытый Майером в 1842 г., в формулировке Клаузиуса он записывается следующим образом: dU = dQQ – pdV. Второй закон с помощью которого Клаузиус ввел в науку понятие энтропии и определил количество тепла dQQ . Гиббс дополнил уравнение, написанное для термомеханической системы, слагаемыми типа, которые учитывают также химическую степень свободы системы. Нетрудно видеть, что уравнение первого закона термодинамики есть частный случай общего уравнения ОТ , выведенного теоретически. Выражение получается из формулы ОТ в том случае, если согласиться с ограничениями, которые были приняты Клаузиусом при выводе этого выражения. Оба равенства вытекают в виде частных случаев. Что касается химической степени свободы системы, то соответствующий подход ОТ, учитывающий взаимное влияние самых различных степеней свободы, достаточно подробно излагается в работах; из него в простейшем случае можно прийти к традиционному подходу. Необходимо отметить, что посредством своего обоснования формулы Клаузиус сделал энтропию принадлежностью только равновесных состояний 35

и процессов, да и сам способ обоснования, как убедительно показал А.А. Гухман, далеко не безупречен.Энтропия системы может изменяться, но переходить из тела в тело не может, переходит только теплота. В реальных (неравновесных, необратимых по Клаузиусу) процессах теплообмен сопровождается возрастанием энтропии, то же самое происходит и во всех других реальных процессах. В результате из-за наличия трения мир развивается односторонне - с непрерывной деградацией всех форм энергии, с неуклонным возрастанием энтропии: энтропия мира стремится к максимуму, все формы движения превращаются в теплоту и в ней находят свою смерть. Чтобы вырваться из этого круга идей, различными авторами были предложены многочисленные иные способы обоснования энтропии. В частности, Больцман дал статистическое толкование энтропии с помощью выражения S = k lnωi , где k - постоянная Больцмана; ωi - вероятность состояния системы. Величину S , определяемую этой формулой, иногда называют энтропией Планка, она была положена в основу так называемой статистической термодинамики. Тем самым энтропия Клаузиуса, входящая в формулу и предназначенная исключительно для того, чтобы по-новому количественно определить истинно простое термическое явление, оказалась связанной с мерой неопределенности, то есть с кругом статистических идей, которые к теплоте никакого отношения не имеют. В этом отношении энтропии крупно не повезло, ибо следующий аналогичный шаг, но уже относящийся к теории информации и кибернетики, был сделан К. Шенноном в его математической теории связи. В своей беседе с М. Трибусом, Шеннон не без юмора заметил: «Меня больше всего беспокоило, как назвать эту величину. Я думал назвать ее «информацией», но это слово слишком перегружено, поэтому я решил остановиться на «неопределенности». Когда я обсуждал все это с Джоном фон Нейманом, тот предложил лучшую идею. Таким образом, энтропии Планка, Шеннона и Винера (как показал один из классиков кибернетики Эшби, между функциями, Шеннона и Винера принципиальной разницы нет) и негэнтропия (отрицательная энтропия) Шредингера могут называться энтропиями и сопоставляться с энтропией Клаузиуса только с единственной целью, чтобы иметь преимущества в споре, в остальном же - это принципиально различные понятия. К этому следует добавить, что природе чужды понятия случайности и вероятности. К этим понятиям мы искусственно прибегаем тогда, когда приходится иметь дело со взаимодействием большого множества объектов, и мы не можем или не хотим рассматривать реальный процесс во всей его сложности. В этих условиях задача иногда существенно упрощается благодаря применению статистического подхода. Однако было бы ошибкой отождествлять особенности теоретического подхода со свойствами природы, как нельзя отождествлять математическую формулу и описываемое ею явление. Что касается энтропии 36

Клаузиуса и вермиора, являющегося мерой количества вермического вещества, то эти понятия тоже принципиально несовместимы. 4. Термодинамика необратимых процессов Термодинамика Онзагера имеет в своей основе весь аппарат классической термодинамики, включая первый и второй законы, а также два дополнительных принципа - линейности и взаимности. Оба принципа объединены Онзагером в теореме взаимности, суть которой состоит в следующем. Если некое сложное явление переноса подчиняется линейному уравнению, по внешнему виду напоминающему наше уравнение, и если потоки J и силы Υ выбираются из соотношения Тσ = JY для скорости возникновения теплоты диссипации, то соблюдаются соотношения взаимности Онзагера L12 = L21. Для доказательства своей теоремы Онзагер воспользовался принципом микроскопической обратимости из теории детального равновесия химических реакций. Он распространил этот принцип на неравновесные системы, находящиеся вблизи состояния равновесия, и таким образом доказал справедливость соотношений. Как линейные уравнения переноса, так и соотношения написаны Онзагером для любого числа взаимодействующих потоков. При этом скорость возникновения теплоты диссипации в единице объема системы Тσ (Вт/м3) находится для каждого отдельного потока из каких-либо соображений, выходящих за рамки теории. Полученное выражение расчленяется на поток и силу произвольно, однако с соблюдением требований теоремы Кюри .Очевидно, что найденные таким формальным способом потоки и силы не обязательно будут совпадать с потоками и силами ОТ. 5. Обсуждение проблемы теплоты с позиции термодинамики Опубликование Клаузиусом в 1865 г. своей термодинамики в виде двух начал и представление во втором начале количества тепла в форме соотношения - это колоссальный шаг вперед в направлении правильного понимания физической сути вермического явления. Однако данное Клаузиусом теоретическое обоснование факта существования энтропии, связавшее ее с равновесными состояниями, принесло больше вреда, чем пользы, ибо предельно ограничило возможности термодинамики и привело к ряду ошибочных выводов, например, о необратимости реальных процессов, об одностороннем развитии мира и его тепловой смерти и т.д. Это вызвало к жизни всевозможные другие обоснования и толкования энтропии, в частности статистическое, информационное и т.п., что крайне запутало проблему и в конечном итоге завело науку в тупик. Вместе с тем нельзя не отметить, что молодой французский поручик С. Карно, опубликовавший в 1824 г. книгу, хорошо понимал существо тепло37

вого явления. Об этом можно судить хотя бы по тому факту, что он везде пользуется двумя словами: chaleur (теплота) и calorique (теплород). Во всех случаях, проводя аналогию с падением воды, Карно неизменно говорит о падении (переносе) именно теплорода, а не теплоты, как Клаузиус, с верхнего температурного уровня на нижний. На такое словоупотребление в работе Карно впервые обратил внимание Оствальд. Следовательно, теплород Карно это есть по существу термический заряд ОТ. К сожалению, эти идеи не были поняты современниками и не получили дальнейшего развития. Что касается термодинамики необратимых процессов, то Онзагер впервые в широком плане ввел в макроскопическую теорию идеи переноса, а также представление о взаимном и симметричном влиянии потоков. На фоне идей равновесия и покоя классической термодинамики это явилось достижением исключительной принципиальной важности. Оно революционизировало теорию и стимулировало появление большого множества исследований в рассматриваемой области. За свою работу Онзагер в 1968 г. был удостоен Нобелевской премии. Однако термодинамика Онзагера опирается на классическую термодинамику с ее энтропией и на принцип микроскопической обратимости из теории детального равновесия химических реакций. Следовательно, в нее с самого начала заложены такие несовместимые понятия, как перенос (поток) и равновесие (покой), что является миной замедленного действия, заставляющей искать новые пути и неминуемо ведущей к взрыву. Всякая наглядная картина по отношению к потоку энтропии становится совершенно неуместной и трудности понимания очень сильно возрастают. Парадокс ситуации заключается в том, что энтропия оказалась привязанной к состояниям равновесия и покоя случайно, только с помощью метода ее обоснования, развитого Клаузиусом. Это побудило и позволило Онзагеру для обоснования своей теории тоже прибегнуть к соответствующим идеям равновесия (химических реакций). Если отбросить оба обоснования, тогда под энтропией вполне можно будет понимать, например, теплород (calorique) Карно либо мой термический заряд. В результате термодинамика сразу же освободится от тяжести своих главных ограничений, и это станет первым шагом в направлении общей теории. И наоборот, если прибегнуть к соответствующим ограничениям, то из ОТ в частном случае получатся теории Клаузиуса и Онзагера. Можно также добавить, что теоретически доказать факт существования энтропии в принципе невозможно, ибо она фактически призвана выполнять роль некоего субстрата, определяющего тепловое явление и имеющего смысл вещества. Но вещество дано нам независимо от наших теорий, факт его существования можно только постулировать, а постулат с помощью основанной на нем теории не доказуем.

38

6.Энтальпия Величина равная (E+PV) , часто встречается в термодинамических расчетах процессов, происходящих в системах при постоянном давлении; её обозначают через Н и называют энтальпией и иногда теплосодержанием. Из определения энтальпии следует, что она, подобно энергии, является функцией состояния системы, так как она выражена через энергию (функцию состояния) и переменные состояния P и V. Следовательно, изменение энтальпии для любого термодинамического цикла (циклического процесса) равно нулю. Если процесс не циклический, то при постоянном давлении изменение энтальпии системы равно полученной ею (системой) теплоте: Таким образом, для изобарического процесса обмениваемая между системой и внешней средой теплота представляет разность между начальной и конечной энтальпией самой системы и не зависим от пути достижения конечного состояния системы. Этот вывод следует из уравнения и первоначально установленного факта, что энтальпия системы является функцией только её состояния. Следует подчеркнуть, что уравнение применимо только к системе при постоянном давлении, так как теплота q вообще является не только функцией начального и конечного состояний, но зависит также от пути процесса. Характеризовать в этом смысле состояние системы оказалось удобнее не самой вероятностью осуществления данного макросостояния, а величиной, пропорциональной её логарифму. Эта величина называется энтропией. Энтропия(S) связана с равновероятными микроскопическими состояниями, которыми можно реализовать данное макроскопическое состояние системы. Наименьшую энтропию имеют идеально правильно построенные кристаллы при абсолютном нуле. Энтропия кристалла, в структуре которого имеются какие- либо неправильности, уже при абсолютном нуле в несколько раз больше, так как нарушения идеальности могут реализоваться не единственным способом. С повышением температуры энтропия всегда возрастает, так как возрастет число способов их расположения. Возрастает она также при превращении вещества из кристаллического состояния в жидкое и, в особенности, при переходе из жидкого состояния в газообразное. Изменяется энтропия и при протекании химических процессов. Эти изменения обычно особенно велики в случае реакций, приводящих к изменению числа молекул газов: увеличение числа газовых молекул приводит к возрастанию энтропии, уменьшение – к её понижению. Для любого обратимого процесса, протекающего при постоянной температуре. Следовательно, в замкнутой системе такие процессы сопровождаются увеличением энтропии. При равновесии энтропия замкнутой системы остается постоянной.

39

7. Энергия Гиббса Термодинамические характеристики реакций включают значения тепловых эффектов- стандартного изменения свободной энергии для соответствующих реакций. Изменение энергии Гиббса системы является основной термодинамической характеристикой химической реакции. Для определенности исходные вещества и продукты реакции принимают обычно находящимися в их стандартных состояниях. Соответствующую величину и называют стандартной энергией Гиббса химической реакции. Зависимость различных реакций от температуры выражается с достаточной точностью. Коэффициенты М и N для различных реакций приведены в справочной литературе. Эти коэффициенты определяются на основе обобщения экспериментальных данных по равновесиям различных реакций. Величины M и N близки к средним значениям тепловых эффектов и изменения энтропии для соответствующих реакций. В некоторых справочных изданиях приведены не энергии Гиббса веществ GT , а приведенные энергии Гиббса ФТ , которые связаны с GT. Для энергии Гиббса применимо выражение aA+bB=cC+dD , как и для некоторых других величин. Согласно второму закону термодинамики, энергия Гиббса при необратимых процессах может только убывать. Отсюда следует, что энергия Гиббса является критерием направления и полноты протекания реакции между веществами, взятыми в стандартном состоянии. Реакция может протекать только в том направлении, которое характеризуется отрицательным значением , т.е. реакция всегда идет в направлении снижения энергии Гиббса системы.Это указывает на равновесие между реагентами в их стандартных состояниях (реакция не идет). Полнота протекания реакции характеризуется константой равновесия К, связанной уравнением изотермы,поскольку R=8,3192 Дж/(моль*К). Пользуясь этим уравнением, можно по известному значению определить константу равновесия реакции, и найти необходимые для практики равновесные концентрации и другие характеристики. Например, для реакции получения TiC , исходя из последнего уравнения и температурной зависимости , можно получить выражение для константы равновесия. Экстенсивные, интенсивные свойства; парциальные величины. Экстенсивными называют свойства, которые зависят от количества вещества : V, H, S, G и т.д. Для определения экстенсивного свойства g раствора необходимо просуммировать интенсивные (парциальные мольные) характеристики компонентов, умноженные на соответствующие числа молей ni. Например, для энтальпии раствора. Интенсивные свойства раствора – свойства, не зависящие от количества вещества, такие, например, как температура, давление. К числу интенсивных принадлежат и парциальные мольные характеристики. Интенсивные 40

свойства представляют собой частные производные от соответствующих экстенсивных свойств раствора по числу молей данного компонента при постоянных температуре, давлении и числах молей других компонентов: Таким образом, приращение свойства бесконечно большого количества раствора при добавлении 1 моля i-того компонента. Например, парциальный мольный объём компонента в растворе заданного состава показывает, на какую величину изменится объём этого раствора (взятого в бесконечно большом количестве) при добавлении 1 моля данного компонента. 8. Растворы Раствором называется однородная смесь, состоящая из двух или большего числа веществ, состав которой в известных пределах может непрерывно изменяться. Однородными являются и химические соединения, однако их состав не может изменяться непрерывно, так как они подчиняются законам постоянства состава и кратных отношений. 8.1. Идеальные растворы Цель термодинамической теории расплавов состоит в том, чтобы связать различные свойства растворов и найти способы предсказания свойств растворов, исходя из свойств чистых компонентов. Ввиду очень сложного характера взаимодействия компонентов в растворах решение этой задачи в общем виде невозможно. Поэтому целесообразно сначала рассмотреть идеализированные случаи, в которых можно отделить главные черты явления от второстепенных. Раствор называется идеальным, если : а) теплота смешения равна нулю б) изменение объема при смешении чистых компонентов равно нулю в) парциальное давление пара каждого компонента пропорционально его молярной доле. Это означает, при всех концентрациях соблюдается закон Рауля при условии, что пары следуют законам идеальных газов и, следовательно, парциальные давления равны летучим. Идеальным называется раствор, в котором соблюдается закон Рауля при температурах и давлениях, при которых возможно его существование. ЗаконРауля гласит, что для ограниченного числа растворов парциальное давление каждого компонента pi равно произведению молярной доли компонента xi на упругость пара в его чистом виде (давление пара чистого компонента). Теплота образования идеального раствора. Поскольку, суммарная энергия взаимодействия частиц при образовании идеального раствора из чистых компонентов не изменяется (такие растворы называют совершенными), парциальные объемы компонентов и их парциальные энтальпии будут равны 41

соответствующим мольным характеристикам. Таким образом, теплота испарения компонента в идеальном растворе равна теплоте испарения его в чистом виде. В этом случае энтальпия раствора аддитивно складываются из мольных величин. Из этого следует, что энтальпия, или теплота смешения для идеального раствора равна нулю. Изменение объема при образовании идеального раствора. Можно показать таким же образом, как это было сделано выше, что изменение объема при образовании идеального раствора по отношению к аддитивному равно нулю. Как было сказано ранее, парциальный объем компонента идеального раствора равен молярному объему чистого компонента. Подставляя значение для каждого компонента в уравнение аддитивного сложения характеристик раствора, получим уравнение состояния. 8.2. Совершенные растворы Как уже говорилось, идеальный совершенный раствор представляет такую модель, в которой закон Рауля выполняется с абсолютной точностью во всем интервале составов. Суммарная энергия взаимодействия частиц при образовании такого раствора из чистых компонентов не изменяется. Такие растворы характеризуется благодаря близости свойств компонентов тем, что они образуются без теплового эффекта и без изменения объема. Фактором, который вызывает самопроизвольное образование совершенного раствора из чистых компонентов, является изменение энтропии. Оно обусловлено тем, что термодинамическая вероятность раствора (в котором каждая из молекул может находиться в любой части занимаемого им объема) выше, чем вероятность системы, где каждый из компонентов занимает только свой объем, составляющий лишь часть общего объема. Никакого дополнительного изменения энтропии, связанного с упорядочением хаотичного движением молекул, при образовании совершенного раствора не происходит. Таким образом, в отличие от величин H и V свободная энергия и энтропия при образовании совершенного раствора неаддитивны. Энтропия раствора в этом случае определяется. Определение энтропии образования совершенного раствора с использованием формул молекулярной статистики. Химический потенциал компонента в стандартном состоянии (при xi=1).

42

ЛИТЕРАТУРА 1. Вейник А.И. Техническая термодинамика. Основы теплопередачи. М.: Металлургиздат, 1956 . 2. Вейник А.И. Термодинамика. 2-е издание. Мн.: Высшая школа, 1965. 3. Денбиг К. Термодинамика стационарных необратимых процессов. Пер. с англ. М.: ИЛ, 1954. 4. Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика. Пер. с нем. М.: ИЛ, 1955. 5. Буткевичус Н.А. Решение дифференциальных уравнений состояния термодинамической системы // Под редакцией А.И.Вейника. Мн.: Наука и техника, 1969. С. 26-29. 6. Трайбус М. Термостатика и термодинамика. Пер. с англ. М.: Энергия, 1970. 7. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. Тепловое излучение: Учебн.пособие для вузов. – М.: Высш.школа, 1974. – 272с. 8. Черняк О.В., Рыбчинская Г.Б. Основы теплотехники и гидравлики: Учебник для пром. и технич. специальностей техникумов. – 3-е изд.сокр.перераб. – М.: Высш.школа, 1979. – 246с. 9. Смородинский Я.А. Температура. – М.: Наука. Главная редакция физико-химической литературы, 1981. – 160с.

43

РЕФЕРАТ № 5 ТЕРМОДИНАМИКА В ОПРЕДЕЛЕНИЯХ Внутренняя энергия. Предмет изучения термодинамики. Работа машин и механизмов, используемых человечеством в повседневном опыте на протяжении тысячелетий, осуществлялась главным образом за счет мускульных усилий людей и животных. Применение наклонной плоскости, рычагов, колес и блоков существенно облегчило физические нагрузки. Использование энергии ветра и падающей воды позволило совершать значительно большую механическую работу, чем прежде. Однако огромный запас энергии, находящейся внутри тел, практически до XVIII в. не был востребован цивилизацией. Исключение составляла лишь энергия пороха, разгонявшая до большой скорости снаряды и пули, используемая человечеством отнюдь не для созидательных, конструктивных целей. Одним из ключевых моментов научно-технической революции был переход от применения механической энергии к использованию внутренней энергии, за счет которой может совершаться большая работа. Термодинамика — раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Учитывая, что энергетические превращения сопутствуют всем явлениям природы, можно более широко определить термодинамику как теорию наиболее общих свойств макроскопических систем. Внутренняя энергия идеального газа. Одной из основных величин, используемых в термодинамике, является внутренняя энергия тела. Внутренняя энергия тела — сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов или молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Для идеального газа потенциальная энергия взаимодействия частиц пренебрежимо мала по сравнению с их кинетической энергией теплового движения. Поэтому внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией теплового движения частиц. Средняя кинетическая энергия одного атома (согласно формуле ) Еk=3/2kT. В силу хаотичности движения на каждое из трех возможных направлений движения, или степень свободы, по оси X, Y и Z приходится одинаковая энергия kT/2. Число степеней свободы — число возможных независимых направлений движения молекулы. Внутренняя энергия U одноатомного газа, состоящего из N атомов, в N раз больше энергии одного атома: U=NEk=3/2NkT. Разделив и умножив это выражение на молярную массу М = maNA, получаем U=3/2 m/M RT. 44

Внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит лишь от одного макроскопического параметра — термодинамической температуры. Используя уравнение Клапейрона—Менделеева, можно представить выражение для внутренней энергии идеального одноатомного газа в виде U=3/2pV. Газ называют двухатомным, если каждая его молекула состоит из двух атомов. Каждый атом может двигаться по трем направлениям, поэтому полное число возможных направлений движения молекулы равно 6. Связь, существующая между атомами в двухатомной молекуле, уменьшает число степеней свободы на единицу. Поэтому число степеней свободы для двухатомной молекулы равно пяти. Средняя кинетическая энергия двухатомной молекулы равна 5/2kT. Соответственно внутренняя энергия идеального двухатомного газа может быть рассчитана следующим образом: U=5/2 m/MRT=5/2pV. Формулы для внутренней энергии идеального газа можно обобщить: U=i/2 m/M RT=i/2pV, где i — число степеней свободы молекул газа (i = 3 одноатомного газа и i= 5 для двухатомного газа). Изменение внутренней энергии. Изменение температуры тела приводит к изменению его внутренней энергии. Изменение внутренней энергии равно разности ее конечного U2 и начального U1 значений. Существует два способа изменения внутренней энергии системы: теплообмен и совершение работы. Теплообмен — процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Мерой такой передачи энергии является количество теплоты. Количество теплоты, получаемое телом, — энергия, передаваемая телу извне в результате теплообмена. При нагревании тела увеличиваются его температура и внутренняя энергия . Для уменьшения внутренней энергии тела можно привести его в контакт с более холодным телом. В результате теплообмена температура и внутренняя энергия горячего тела уменьшаются, но работа не совершается, так как тела не перемещаются. За счет изменения внутренней энергии тела при теплообмене не может совершаться работа. За счет совершения работы может происходить увеличение температуры и внутренней энергии системы, например, при вращении лопастей в жидкости и сжатии газа в сосуде. При сжатии газа поршень передает молекулам газа часть своей кинетической энергии, в результате чего газ нагревается. 45

Работа газа при изопроцессах. Работа газа при расширении и сжатии. Для обратного перехода внутренней энергии тела в механическую работу необходимо каким-то образом преобразовать хаотическое движение его молекул в упорядоченное движение другого тела. В качестве такого тела наиболее целесообразно использовать поршень в цилиндре, перемещающийся под давлением газа, заполняющего цилиндр. Сила давления газа совершает работу при его расширении за счет изменения внутренней энергии газа. Вычислим работу, совершаемую силой давления F газа при его расширении от начального объема V1 до конечного V2 . Будем считать, что поршень, площадь поперечного сечения которого равна S, перемещается на высоту h и что сила давления газа остается постоянной в процессе перемещения. Работа силы давления газа при таком перемещении по определению равна: А = Fh cos 0 = F/SSh. Так как среднее давление газа р = F/S, изменение его объема V = V2 – V1 = Sh, то выражение для работы газа можно представить в виде А = pdV. Работа, совершаемая газом, равна произведению среднего давления газа на изменение его объема: A=p(V2-V1). При расширении (dV > 0) газ совершает положительную работу, отдавая энергию окружающим телам. При сжатии (dV < 0) работа, совершаемая газом, отрицательна Внутренняя энергия газа при сжатии увеличивается. Работа газа при изопроцессах. При изохорном процессе (dV = 0) работа газом не совершается: А = 0. Рассмотрим изобарное расширение газа, имеющего давление р, от начального объема V1 до конечного V2. Работа, совершаемая газом, равна площади прямоугольника под изобарой со сторонами р и (V2 – V1). При изотермическом расширении газа его давление изменяется по гиперболическому закону. Выделим на изотерме небольшой участок, соответствующий малому изменению объема dV. Проведем перпендикуляры из концов участка до пересечения с изотермой и обозначим через р среднее давление газа при таком изменении объема. Работа, совершаемая газом при расширений на V, равна р dV. Такая же величина определяет площадь заштрихованной трапеции, имеющей среднюю линию р и высоту dV. Из площадей подобных трапеций складывается полная площадь под изотермой, численно равная работе при изотермическом расширении газа. Работа, совершаемая газом в процессе его расширения (или сжатия) при любом термодинамическом процессе, численно равна площади под кривой, изображающей изменение состояния газа на диаграмме р, V. 46

Тепловые двигатели. Работа, совершаемая двигателем. Совершение механической работы в современных машинах и механизмах в основном происходит за счет внутренней энергии веществ. Примером такого механизма может служить тепловой двигатель. Тепловой двигатель — устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Невозможно представить себе современную цивилизацию без тепловых двигателей. Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре. Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращение поршня в первоначальное положение, т. е. сжатие рабочего вещества. Легко сжимаемым является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловых двигателях используется газ или пар. Работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия газа. Сжатие газа не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа. Полная механическая работа А складывается из работы расширения газа Арасш и работы Асж, совершаемой силами давления газа при его сжатии. Так как при сжатии dV < О, то Асж = -|АСЖ| < 0, поэтому A=Aрасш - |Асж|. Для получения положительной полной механической работы (А > 0) необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы расширения. С учетом формулы А=(ррасш - рсж)dV. Изменение объема dV газа при расширении и сжатии должно быть одинаковым из-за цикличности работы двигателя. Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме давление газа тем меньше, чем ниже его температура, поэтому перед сжатием газ должен быть охлажден, т. е. приведен в контакт с холодильной машиной — телом, имеющим более низкую температуру. Для получения механической работы в тепловом двигателе при циклическом процессе расширение газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие. Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе — наличие нагревателя и холодильника. КПД замкнутого цикла. Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым. Замкнутый процесс (цикл) — совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Замкнутые (круговые) процессы используются при работе всех тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, холодильных машин. Для оценки эффективности преобразования внутренней 47

энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) — отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η=A/Q1. В циклическом тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты Qv получаемое от нагревателя. Некоторое количество теплоты \Q2\ отдается холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл, не может быть больше A = Q1-\Q2\. Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде Ŋ=Q1 - |Q2|/Q1. Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы. Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т. е. при Q2 = 0. Цикл Карно. Французский инженер Сади Карио, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии Расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы. Цикл Карно — самый эффективный (из всех возможных) цикл, имеющий максимальный КПДРассмотрим последовательно термодинамические процессы этого цикла В процессе изотермического расширения при температуре Тг работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подведения к газу количества теплоты Q1: A12=Q1. Охлаждение газа происходит при адиабатном . Температура газа в результате адиабатного расширения понижается до температуры холодильника Т2 < T1 В процессе газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты Q2. Цикл завершается процессом адиабатного сжатия (Q = 0), при котором газ нагревается до температуры T1. Используя соотношение, можно найти максимальное значение КПД тепловых двигателей, соответствующее циклу Карно: ηmax=T1-T2/T1. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. Тепловые двигатели — необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить современный транспорт. В то же время повсеместное использова48

ние тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное (ИК) излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, увеличивая поглощение ИК-излучения, приводит к повышению ее температуры (парниковый эффект). Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05 °С. Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофическое повышение уровня Мирового океана. Продукты сгорания топлива существенно загрязняют окружающую среду. Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся в атмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на жизнедеятельность растений, животных и человека. Потребление кислорода при горении топлива уменьшает его содержание в атмосфере. Для охраны окружающей среды широко используют очистные сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, резко ограничивают использование соединений тяжелых металлов, добавляемых в топливо, разрабатывают двигатели, использующие водород в качестве горючего (выхлопные газы состоят из безвредных паров воды), создают электромобили и автомобили, использующие солнечную энергию. Второй закон термодинамики. Направленность тепловых процессов. Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии для тепловых процессов. Однако он не определяет направление этих процессов. Достаточно часто процессы, допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, не могут быть реализованы в действительности. Обратимый процесс — процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении. Макроскопические процессы протекают в определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Если обратимый процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в этой системе и в окружающей среде изменения не происходят. Обратимый процесс — это идеализация реального процесса. Необратимый процесс — процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит. Количество теплоты самопроизвольно передаете от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Теплопередача от холодного тела к более нагретому самопроизвольно не возникает, достигается лишь за счет дополнительной работы холодильной установки. Второй закон термодинамики отражает необратимость процессов в природе. Второй закон термодинамики. В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу. 49

Это утверждение связано с необратимостью тепловых процессов: для сжатия газа, которое не может происходить самопроизвольно, требуется внешняя сила и охлаждение газа. Необратимым процессом является диффузия. Диффузия — физическое явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества в другое при их контакте. Обратная локализация чернил на поверхности оды практически невозможна. Статистическое истолкование второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики, определяя направление перехода между макросостояниями большого числа частиц, входящих в состав изолированной системы, является статистическим законом. Замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Это объясняется тем, что число микросостояний (см. с. 235), соответствующее конечному (менее упорядоченному) состоянию системы, всегда превышает число микросостояний, соответствующих начальному (более упорядоченному) состоянию. Таким образом, изолированная система самопроизвольно переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Например, взаимная диффузия водорода и кислорода, находящихся до открывания перегородки в разных половинах объема, приводит к перемешиванию газов (рис. 212). Благодаря тепловому движению более тяжелый кислород поднимается вверх, а более легкий водород опускается вниз, несмотря на действие силы тяжести. Адиабатный процесс. Термодинамический процесс в теплоизолированной системе. Для наиболее эффективного преобразования внутренней энергии газа в совершаемую им работу следует предотвратить возможные потери внутренней энергии в результате теплопередачи окружающим телам. Поэтому систему теплоизолируют. Теплоизолированная система — система, не обменивающаяся энергией с окружающими телами (Q = 0). Даже если газ недостаточно теплоизолирован, то при его быстром расширении или сжатии теплообмен между газом и окружающими телами не успевает произойти за малый промежуток времени. Адиабатный процесс — термодинамический процесс в теплоизолированной системе. Первый закон термодинамики для адиабатного процесса имеет вид dU+А = О, или А = -dU. При адиабатном расширении газа А > 0. 50

Это означает, что dT < 0, т. е. температура газа уменьшается по сравнению с первоначальной. Причина уменьшения средней энергии молекул при расширении газа обсуждалась ранее. Изменение температуры газа при адиабатном процессе. Понижение температуры газа при адиабатном расширении приводит к тому, что его Давление уменьшается более резко, чем при изотермическом процессе. Площадь под адиабатой численно равна работе, совершаемой газом при его адиабатном расширении от объема V1 до объема V2. Адиабатное сжатие приводит к повышению температуры газа, так как в результате упругих соударений молекул газа с поршнем их средняя кинетическая энергия возрастает. Поэтому, например, при быстром сжатии воздуха в цилиндре кусочек ваты, смоченный эфиром, воспламеняется. Резкое нагревание воздуха при адиабатном сжатии используется в дизельных двигателях. При сжатии поршнем воздуха, находящегося в цилиндре, его температура значительно возрастает. Впрыскивание жидкого топлива в конце такта сжатия приводит к его воспламенению и резкому возрастанию давления рабочей смеси, вызывающему ход поршня в противоположном направлении. Широкое распространение дизельных двигателей объясняется прежде всего дешевизной дизельного топлива. Однако система его дозирования требует особенно точного изготовления соответствующих деталей, что удорожает конструкцию. ЛИТЕРАТУРА 1. Теплотехнический справочник. Под общ.ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В 2-х т. Т.2. Изд.2-е, перераб. – М.: Энергия, 1976. – 896с. 2. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т.1. Теоретические основы: Учебн. для вузов/В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, Б.С. Мастрюков и др. Под науч.ред. В.А. Кривандина. – М.: Металлургия, 1986. – 424с. 3. Теплотехника: Учебник для студентов вузов/А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ.ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432с. 4. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. Под ред. Ю.А. Чизмаджева. – М.: Изд-во «Мир», 1979. – 512с. 5. Техническая термодинамика: Учебник для вузов/Под ред. В.И. Крутова. – 2-е изд.перераб. и доп. – М.: Высш.школа, 1981. – 439с.

51

РЕФЕРАТ № 6 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС), существующий в двух вариантах: в виде бензинового ДВС и дизельного. Бензиновый ДВС работает на жидком горючем (бензине, керосине и т.п.) или на горючем газе (сохраняемом в усатом виде в стальных баллонах). Проектируются ДВС, в которых в качестве горючего будет использоваться водород. Основная часть ДВС - один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда, к слову сказать, и название двигателя. Внутри цилиндра движется поршень - металлический Итакан, опоясанный пружинящими кольцами, которые не пропускают газы, образовавшиеся при сгорании топлива, промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем - пальцем, который соединяет поршень с шатуном. Последний передает движение поршня коленчатому валу. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя клапанами. Через один из клапанов - впускной - подается горючая смесь, через другой - выпускной - удаляются продукты сгорания. Здесь же помещается свеча - приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры. Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный ДВС. 1-ый такт - впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-ой такт - сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается. 3-ий такт - рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов (раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-ый такт - выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу. Из четырех тактов только один - третий - является рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию), за счет которого коленчатый вал вращается в течение остальных тактов. 52

Дизель - другой тип ДВС. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Это основное отличие дизеля от обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания. Первый дизельный двигатель был построен в 1897 году немецким ученым Рудольфом Дизелем (1858-1913), по имени которого и называется. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Использовать внутреннюю энергию - это значит совершить за счет нее полезную работу, то есть превращать внутреннюю энергию в механическую. В простейшем опыте, который заключается в том, что в пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения (причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и выскакивает. Другими словами, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки. Если пробирку заменить прочным металлическим цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и способен свободно перемещаться вдоль них, то получится простейший тепловой двигатель. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро. Примерно тремя столетиями позже в Александрии - культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря - жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке 53

поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар - это прообраз современных реактивных двигателей. В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу. Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век ршсе великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, во второе с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина. В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и другие. Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали поpox, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он негодился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, И это на протяжении всей работы двигателя!). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

54

В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался - снова превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду, ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п. Все эти недостатки были связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре. А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива. Об этом догадался современник Дени Папена англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра - в котле. Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто - между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно <прожорлива>: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в <ненасытную пасть> топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр. Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин - Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов. Ползунов построил свою <огнедействующую машину> на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни, В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки которых ясно 55

осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного Цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах. Весной 1766-года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался. Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819). Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан. В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса. Уже потом было придумано <двойное действие> машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван <золотником>. Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

56

Один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существуют два типа двигателей внутреннего сгорания - бензиновый ДВС и дизель (см. Двигатель внутреннего сгорания). Для оценки теплового двигателя важно знать, какую часть энергии, выделяемую топливом, он превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее. Для характеристики экономичности вводится понятие коэффициента полезного действия (КПД). КПД теплового двигателя - это отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, ко всей энергии, выделившейся при сгорании топлива. Первый дизель (1897 г.) имел КПД 22%. Паровая машина Уатта (1768 г.) - 3-4%, современный стационарный дизель имеет КПД 34-44%. ЛИТЕРАТУРА 1. К.С. Шестопалов Устройство, техническое обслуживание легкового автомобиля. Учебное пособие. Москва. Издательство ДОСААФ. 1990. 2. Двигатели внутреннего сгорания, т. 1-3, Москва.. 1957. 3. Двигатели внутреннего сгорания, Москва. 1968. 4. Техническая термодинамика: Учебник для вузов/Под ред. В.И. Крутова. – 2-е изд.перераб. и доп. – М.: Высш.школа, 1981. – 439с. 5. Теплотехника: Учебник для студентов вузов/А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ.ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432с. 6. Теплотехнический справочник. Под общ.ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В 2-х т. Т.2. Изд.2-е, перераб. – М.: Энергия, 1976. – 896с.

57

РЕФЕРАТ № 7 ТЕПЛОТЕХНИКА Теплотехника - отрасль техники, занимающаяся получением и использованием теплоты в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту. Получение теплоты. Основным источником теплоты, используемой человечеством (70-е гг. 20 в), является природное органическое топливо, выделяющее теплоту при сжигании. Различают твёрдое, жидкое и газообразное топливо. Наиболее распространённые виды твёрдого топлива — угли (каменные и бурые, антрациты), горючие сланцы, торф. Природное жидкое топливо — нефть, однако непосредственно нефть редко используется для получения теплоты. На нефтеперерабатывающих предприятиях из нефти вырабатывают бензин — горючее для автомобильных и поршневых авиационных двигателей; керосин — для реактивной авиации и для некоторых поршневых двигателей; различные типы дизельного топлива и мазуты, применяемые в основном на тепловых электростанциях. Газообразное топливо — природный газ, состоящий из метана и др. углеводородов (см. Газы горючие). Топливом в сравнительно небольших масштабах служит также древесина (дрова и древесные отходы). В середине 20 в. разрабатываются методы сжигания промышленных и бытовых отходов с целью их уничтожения и одновременного получения теплоты. Важнейшая характеристика топлива — удельная теплота сгорания. Для сравнительных расчётов используется понятие топлива условного с теплотой сгорания 29308 кдж/кг (7000 ккал/кг). Для сжигания топлива служат различные технические устройства — топки, печи, камеры сгорания. В топках и печах топливо сжигается при давлении, близком к атмосферному, а в качестве окислителя обычно используется воздух. В камерах сгорания давление может быть выше атмосферного, а окислителем может служить воздух с повышенным содержанием кислорода (обогащенный воздух), кислород и т.д. Теоретически для сгорания топлива необходимо стехиометрическое количество кислорода. Например, при горении метана CH4 осуществляется след. реакция: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. Из этого уравнения следует, что на 1 к/моль (16 кг) CH4 требуется 2 к/моля (64 кг) O2, то есть на 1 кг CH4 — 4кг O2. На практике для полного сгорания нужно несколько большее количество окислителя. Отношение действительного количества окислителя (воздуха), использованного для горения, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка окислителя (воздуха). При сгорании топлива его химическая энергия переходит во внутреннюю энергию продуктов сгорания, в результате чего эти продукты нагреваются. Температура, которую приобрели бы продукты сгорания, если бы не отдавали теплоту во вне (адиабатный процесс), называется теоретической температурой горения. Эта температура зависит от вида топлива и окислителя, их начальной температуры и от коэффициента избытка окислителя. Для большинства природных то58

плив (окислитель — воздух) теоретическая температура горения составляет 1500—2000 °С; её повышает предварительный подогрев топлива и окислителя. Максимальная теоретическая температура горения наблюдается при коэффициенте избытка окислителя 0,98. В топках происходит отвод теплоты от горящего топлива, поэтому температура продуктов сгорания оказывается ниже теоретической температуры. Уголь обычно сжигают в топках. При относительно малых количествах необходимого топлива используют слоевые топки, где уголь в виде кусков сжигают на колосниковой решётке, сквозь которую продувается воздух. Для сжигания значит. количеств угля (нескольких сот т в час) применяют камерные топки. В них уголь, предварительно превращенный в порошок с размером частиц 50—300 мкм, подаётся в смеси с воздухом через пылеугольные горелки. Мазутные топки и газовые топки аналогичны пылеугольным и отличаются конструкцией горелок или форсунок. Наряду с органическим топливом с середины 20 в. для получения теплоты применяется ядерное топливо, или ядерное горючее. Основным видом ядерного горючего является изотоп урана 235U, содержание которого в естественном уране около 0,7%. При делении 1 кг 235U выделяется около 84×109 кдж (20×109 ккал) в основном в виде кинетической энергии осколков деления ядер и нейтронов. В ядерном реакторе эта энергия превращается в теплоту, отбираемую теплоносителем. В подавляющем большинстве реакторов (70-е гг. 20 в.) цепная ядерная реакция поддерживается за счёт тепловых нейтронов. Получают распространение реакторы на быстрых нейтронах, или реакторы-размножители, в которых в качестве ядерного топлива может использоваться 238U и торий 232Th, которые, кроме теплоты, производят ещё и новое ядерное горючее 239Pu и 233U. Теплоносителями в реакторах на тепловых нейтронах обычно служат вода, тяжёлая вода, углекислота; в реакторах на быстрых нейтронах — жидкий натрий, инертные газы и т. д. Кроме органического и ядерного топлива, некоторое практическое значение в качестве источника теплоты имеют геотермическая и солнечная энергия. Геотермическая энергия проявляется в существовании горячих подземных вод, часто выходящих на поверхность в районах с повышенной вулканической активностью, и в общем повышении температуры земных недр с глубиной. Это возрастание температуры характеризуется геотермическим градиентом, численно равным повышению температуры в градусах на 100 м глубины; в среднем для доступных непосредственному измерению глубин он равен 0,03 °С/м. Если теплота горячих источников уже утилизируется, например в СССР построена (1966) Паужетская геотермическая электростанция мощностью 5 Мвт, то возможность использования теплоты земных недр (1975) пока только издается. Мощный источник теплоты — Солнце, посылающее на Землю поток энергии мощностью в 1,8×1017 вт. Однако плотность солнечной энергии на поверхности Земли мала и составляет около 1 квт/м2. Ещё не разработаны приемлемые с технико-экономической точки зрения схемы и установки для 59

улавливания солнечного излучения в значительных масштабах. Однако в ряде районов солнечная энергия применяется для опреснения воды, нагревания воды для с.-х. (парники, теплицы) и бытовых нужд, а в ряде случаев — для производства электроэнергии. Важное значение с точки зрения экономии природного топлива придаётся использованию вторичных тепловых ресурсов, например нагретых отходящих газов металлургических печей или двигателей внутреннего сгорания, теплота которых обычно утилизируется в котлах-утилизаторах. Использование теплоты. Генерированная различными способами теплота может либо непосредственно потребляться каким-либо технологическим процессом (теплоиспользование), либо перерабатываться в др. виды энергии (теплоэнергетика). Цели и методы отрасли Теплотехника — многообразное теплоиспользование. Широко применяется нагрев в металлургии. Например, чугун из железной руды получают в доменной печи, в которой восстановление окиси железа углеродом происходит при температурах около 1500 °С; теплота выделяется при горении кокса. Сталь из чугуна вырабатывается в мартеновских печах при температуре около 1600 °С, которая поддерживается в основном в результате сжигания жидкого или газообразного органического топлива. При получении стали в конвертере в чугун вдувают кислород; необходимая температура создаётся в результате окисления углерода, содержащегося в чугуне. В литейном производстве теплота, необходимая для поддержания требуемой температуры в печи, генерируется либо в результате сжигания в печи топлива (чаще всего газа или мазута), либо за счет электроэнергии. Нагрев до той или иной температуры характерен для большинства процессов химической технологии, пищевой промышленности и пр. Подвод или отвод теплоты осуществляется в теплообменниках, автоклавах, сушильных установках, выпарных устройствах, дистилляторах, ректификационных колоннах, реакторах и т. п. с помощью теплоносителей. При этом, если в аппарате требуется поддерживать достаточно высокую температуру, теплоносителем могут быть непосредственно продукты сгорания органического топлива. Однако в большинстве случаев применяются промежуточные теплоносители, которые отбирают теплоту от продуктов сгорания топлива и передают её веществу, участвующему в технологическом процессе, либо отбирают теплоту от этого вещества и передают её в др. часть установки или в окружающую среду. Наиболее часто применяются следующие теплоносители: вода и водяной пар, некоторые органические вещества, например даутерм (см. Дифенил), кремнийорганические соединения, минеральные масла, расплавленные соли, жидкие металлы, воздух и др. газы. Конструктивные схемы теплообменников весьма разнообразны и зависят от их назначения, уровня температур и типа теплоносителя. По принципу действия различают рекуперативные теплообменники, в которых теплота от одного вещества (теплоносителя) к другому передаётся через твёрдую, обычно металлическую, стенку; регенеративные теплообменники, в которых теплота воспринимается и отдаётся специальной насадкой, поочерёдно 60

омываемой нагревающим и нагреваемым телами; смесительные теплообменники, в которых передача теплоты осуществляется при соприкосновении веществ. Наиболее распространены трубчатые рекуперативные теплообменники, где один из теплоносителей протекает внутри труб, а другой — в межтрубном пространстве. Основные характеристики рекуперативных теплообменников: размер поверхности теплообмена и коэффициент теплопередачи, представляющий собой количество теплоты, передаваемой через 1м2 поверхности теплообмена при разности температур между теплоносителями в 1 °С. Этот коэффициент для данного теплообменника зависит от типа теплоносителей, их параметров и скоростей движения. Значительная доля получаемой теплоты в холодное время года идёт на бытовое потребление, то есть компенсацию потерь теплоты через стены зданий, потерь, связанных с вентиляцией помещений и прочее. В большинстве городов СССР используется отопление от ТЭЦ и от центральных котельных. В этом случае на ТЭЦ или в котельной устанавливаются бойлеры, в которых подогревается сетевая вода, направляемая в дома для отопления. В качестве отопительных приборов применяются либо металлические оребрённые теплообменники (радиаторы), устанавливаемые непосредственно в помещении, либо трубчатые нагреватели, вмонтированные в стеновые панели. В отдельных зданиях используется индивидуальное отопление. В этом случае в подвальном помещении здания размещается водогрейный котёл, и нагретая в нём вода в результате естественной циркуляции протекает через отопительные приборы. В сельской местности в жилых домах используется печное отопление. В районах с дешёвой электроэнергией иногда применяют электрическое отопление с помощью электрических калориферов, электрокаминов и др. С теоретической точки зрения непосредственное отопление с помощью электроэнергии нецелесообразно, так как, например, с помощью теплового насоса можно получить для целей отопления больше теплоты, чем затрачено электроэнергии. При этом на отопление пойдёт как количество теплоты, которое эквивалентно затраченной электроэнергии, так и некоторое количество теплоты, которое будет отобрано от окружающей среды и «поднято» на более высокий температурный уровень. Однако тепловые насосы не получили распространения в связи с их высокой стоимостью. Для получения механической работы за счёт теплоты применяют тепловые двигатели — основные энергетические агрегаты заводских, транспортных и пр. теплосиловых установок; в электрическую энергию теплота преобразуется в магнитогидродинамических генераторах и термоэлектрических генераторах и т. д. В середине 70-х гг. 20 в. в мире на производство электроэнергии расходуется около 30% всей получаемой теплоты. Теоретические основы теплотехники. Процессы генерации и находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Например, состояние одно61

родных жидкости или газа определяется заданием двух из трёх величин: температуры, объёма, давления (см. Клапейрона уравнение, Ван-дер-Ваальса уравнение). Энергетическая эквивалентность теплоты и работы устанавливается первым началом термодинамики. Второе начало термодинамики определяет необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью, и лимитирует максимальное значение кпд при преобразовании теплоты в работу. Теплопередача изучает теплообмен (процессы переноса теплоты) между теплоносителями через разделяющие их пространство или твёрдую стенку, через поверхность раздела между ними. В теплотехнических устройствах теплота может передаваться лучистым теплообменом, конвекцией, теплопроводностью. Лучистый теплообмен (теплообмен излучением) характерен для топок и камер сгорания, а также для некоторых печей. Общая энергия, излучаемая каким-либо телом, пропорциональна температуре тела в четвёртой степени (см. Стефана — Больцмана закон излучения). При данной температуре наибольшее количество энергии отдаёт абсолютно чёрное тело. Реальные тела характеризуются излучательной способностью (интегральной или спектральной), показывающей, какую долю от энергии абсолютно чёрного тела излучает данное тело (во всём диапазоне волн или в узкой полосе, соответствующей определённой длине волны) при той же температуре. Интегральная излучательная способность твёрдых тел обычно лежит в пределах от 0,3 до 0,9. Газы при нормальных температурах имеют очень малую излучательную способность, возрастающую с увеличением толщины излучающего слоя. Теплообмен конвекцией осуществляется в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. С помощью конвекции ведётся нагревание или охлаждение жидкостей или газов в различных теплотехнических устройствах, например, в воздухонагревателях и экономайзерах котлоагрегатов. Теплообмен конвекцией наиболее характерен для случая омывания твёрдой стенки турбулентным потоком жидкости или газа. При этом теплота к стенке или от неё переносится за счёт турбулентного перемешивания потока (см. Турбулентное течение). Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи (см. также Конвективный теплообмен). Теплообмен теплопроводностью характерен для твёрдых тел и для ламинарных потоков жидкости и газа (см. Ламинарное течение), омывающих твёрдую стенку. Теплота при этом переносится в результате микроскопического процесса обмена энергией между молекулами или атомами тела. На практике процесс переноса теплоты часто обусловливается совместным действием перечисленных видов теплообмена. Термомеханическая обработка. Наука о металле настолько древняя, что, казалось бы, в этом материале вовсе не осталось никаких загадок. А уж что касается термообработки – закалки и отпуска, то тут и подавно всё известно и открывать совершенно нечего. Но открытия были. Причем чем больше металлурги применяли для своих исследований новейшие достиже62

ния современной физики, тем открытий становилось больше и тем они были значительней. Общеизвестно, что закалка улучшает прочностные характеристики стали, металл становится более упругим, детали из него более жизнеспособными. Основным путем увеличения прочности стали, как правило, было одно легирование. Поэтому обычная машиноподелочная сталь выдерживает нагрузку до 60-80 кг/мм2, а так называемые специальные сплавы выдерживают чуть ли не вдвое больше. А почему? Ведь, в сущности говоря, прочность металла на разрыв по идее определяется силой межатомного притяжения. В кристаллической решетке металла атомы находятся в строго определенном порядке и прочность решетки (а, следовательно, и металла) определяется силой межатомных связей. Очевидно, что они огромны. Действительно, советский ученый Я.И. Френкель ещё более 30 лет назад подсчитал, что в этом случае прочность чистого железа на разрыв должна была составить 10000 кг/мм2. А вот инженеры с полным основанием утверждают, что чистое железо выдерживает лишь 20 кг/мм2 и поэтому никакого интереса для техники не представляет. Впрочем, Я.И. Френкель, сопоставив 10000 и 20, выдвинул гипотезу о дефектах в кристаллической решетке, о так называемых вакансиях и дислокациях. В любом школьном кабинете физике есть модели кристаллических решеток с разноцветными атомами-шариками на переплетении прутьев. Вытащим несколько атомов-шариков; на их месте будут торчать голые концы прутьев, символизирующих межатомные связи. Итак, на месте атома оказалась пустота, названная вакансией. Если бы решетка оказалась без вакансии, то, безусловно, металл был бы необычно прочен. Но раз решетка «дырявая», то не напоминает ли она неустойчивостью, скажем, стул с отломанной ножкой? Становится понятным, почему реальная прочность не соответствует расчетной. Но раз сама решетка оказывается неустойчивой, то целые ряды атомов начинают перемещаться по объемам кристаллической решетки. Вот эти перемещающиеся ряды и называются дислокациями. Эти теоретические соображения приводят к практическим выводам, люди ищут способы упрочнения. Прежде всего это наклёп – операция, известная давно. Приповерхностный слой обстреливают дробью, оббивают молотком, давят на прессах и т.д. Зачем? Дело в том, что если одна дислокация «наедет» на другую, то они, столкнувшись, как бы заклинятся, потеряют возможность двигаться и, кроме того, забаррикадируют дорогу другим дислокациям. Следовательно, чем больше таких своеобразных баррикад образуется в решетке, тем прочнее становится металл – ведь баррикады своеобразно связывают дислокации между собой, «штопают» пустоты решетки. И всё это благодаря наклёпу, искажающему кристаллическую решетку. Но, естественно, возникает вопрос. Раз наклёп дает такие хорошие результаты – упрочнение чуть ли не вдвое по сравнению с первоначальным, то не следует ли как можно сильнее «надавить» на металл для того, чтобы полу63

чить ещё лучшие результаты? Нет, этого делать нельзя – можно разрушить изделие. Так что подвергать сталь механическому наклёпу с целью образования дислокаций, которые упрочняют металл, можно лишь до определенного предела. Задача состоит в том, чтобы найти новый источник дислокаций, который бы дополнительно упрочнял металл, не разрушая его. Но в науке простые решения на деле вовсе не так просты, как это кажется на первый взгляд. Теперь может возникнуть другой вопрос. Если доказано, что металл с идеальной решеткой может отличаться фантастической прочностью, то почему бы его не получать? Чтобы ответить на это, прежде всего, вспомним, как получают сейчас металл. Ответ ясен: в результате доменного и сталеплавильного передела мы получаем расплавленную сталь. Затем из расплава кристаллизуется слиток. Именно в этот момент в структуре металла возникают несовершенства, потому что и это своеобразное упущение природы подвластно закону, гласящему: все процессы в природе протекают с минимальными затратами энергии. И природа «скроила» кристаллическую решетку, оставляя в ней вакансии. Ведь, примерно спустя 25 лет после того, как покойный Я.И. Френкель высказал свою гипотезу (кстати, почти одновременно с ним эту же мысль подал и английский физик Дж. Тейлор), ученые стали получать первые образцы металла, обладающего сверхъестественной прочностью. Так, например, несколько лет тому назад член-корреспондент АН СССР И.А. Одинг получил в своей лаборатории тоненький «ус» металла (меди), который выдержал нагрузку более чем в 700 кг/мм2. А американским ученым удалось вырастить «ус» кристалла железа, выдерживающий 1430 кг/мм2. Путь получения такого металла был, разумеется, необычайным. Раз из расплава бездислокационный металл получать нельзя, то при высокой температуре в водородной среде стали пропускать пары хлористого железа. В небольшом тигле выросли тоненькие «усы» длиной в несколько миллиметров. Это и были первые образцы. Но хотя и гипотеза ученых блестяще подтвердилась, и научные поиски продолжаются, но промышленного значения «усы» сегодня не имеют: ещё не найдено способа получать такие «усы» в большом количестве и, главное, в подходящих для техники размерах. Вернемся к дислокациям в обычном металле. Что касается наклёпа, то предел использования его в общем-то ограничен. Но всех инженеров всегда интересовало самое главное - прочность стали. И основной путь её получения – термообработка. Упрочняющая термообработка это, в сущности, только две операции – закалка и соответствующий отпуск. Но вот опять возникают несколько вопросов. Очень часто металл подвергают такой термической операции, как отжиг. Причем в этот момент из него как бы «откачивают» некоторое количество энергии. А ведь чем больше энергии заключено в металле, тем, казалось бы, лучше. И это так: высокопрочное состояние металла – всегда высокоэнергетическое. Но зачем тогда отжигать металл? Мысленно заглянем в кристаллическую решетку в тот момент, когда его подвергают термообработке. И вновь мы увидим там дислокации. А причем здесь термообработка? Ока64

зывается, связь есть. Дело в том, что при закалке изменяется структура металла. В стали образуется мартенсит. Его длинные клинья как бы растягивают монолит металла и, следовательно, деформируют кристаллическую решетку. А это значит, что появляются дислокации, которые упрочняют металл. Кстати, сами металловеды называют эти дислокации, появляющиеся после закалки, следствием фазового наклёпа, т.е. наклёпом, появившимся в металле в результате так называемых фазовых превращений (когда изменяется структура металла, в отличие от механического наклёпа, вызванного внешними силами). А потом металл вновь медленно подогревают. При этом дислокаций становится всё меньше и меньше – ведь внешний подвод тепловой энергии позволяет частично «штопать» кристаллическую решетку. Затем следует такое же медленное остывание, при котором происходит дальнейшее исчезновение дислокаций. И всё это результат отжига, который проводят, не зная физики процесса. Или другой вариант. Разогретый металл проходит через валки прокатного стана. Если в этот момент мысленно заглянуть в раскаленную болванку, то нашему взору предстанет удивительное зрелище изобилия дислокаций. С одной стороны, большое количество фазовых дислокаций, а с другой стороны, к ним присоединяются дислокации механические – рожденные давление валков. Если в этот момент резко охладить изделие – зафиксировать это огромное число дислокаций, то, очевидно, мы получим металл удивительной прочности. Причем его не надо ни легировать, ни дополнительно термически обрабатывать. Нужно лишь уловить это мгновение, и возможно получение металла, обладающего повышенной прочностью. Но вернемся к физике процесса. Теперь становится ясным: когда установлена связь между дислокациями «фазовыми» и «механическими», задача в том, чтобы, как выражается один из авторов метода профессор М.Л. Бернштейн, «захлопнуть» максимальное количество дислокаций в металле. Так в технике появилось новое направление, называемое ТМО – термомеханическая обработка. Рецепты ТМО необычайно просты. Сталь нагревают – при этом её структура становится аустенитной; наклёпывают – и в ней возникают дислокации (механические); затем при резком охлаждении получают мартенсит, который присовокупляет свои фазовые дислокации; затем быстро нагревают, следя, чтобы драгоценные дислокации «не выскочили» из металла, и снова быстро охлаждают. Прочность стали теперь возрастает до 240-280 кг/мм2 против 160-180 кг/мм2, получаемых в обычных условиях. Теория ТМО дала ключ к разгадке очень странного явления. Известно, что изделия, получаемые из металла одной и той же марки, сорта, химсостава и т.д., не обладают одинаковой прочностью. Оказывается, если один кусок стали, из которого сделана деталь, подвергся ранее наклёпу, то его кристаллическая решетка получает своеобразную структуру. И эта структура решетки устойчиво сохраняется. Таким образом, если деталь подвергали механической обработке, то «заряд дислокаций», полученных сталью, когда-то 65

оборачивался, спустя много времени, неожиданным упрочнением. Это дает возможность открыть в технике огромные резервы. Автомобиль ЗИЛ-164 на рессорах из стали, обработанной ТМО, прошел путь в два раза больше положенного. Подшипники из стали, обработанной ТМО, тоже перекрыли все расчетные сроки работы. Исследования доктора технических наук М.Л. Бернштейна позволили Симферопольскому заводу, производящему ножи уборочных машин, резко повысить их стойкость. Каждый простой, каждая поломка, даже просто смена режущего инструмента уборочных машин может привести к тому, что на уборке часть урожая пропадает. Поэтому ножи уборочных машин, выпуск которых исчисляется миллионами штук, должны обладать повышенной стойкостью. Для её достижения есть два пути. Первый – это легирование. Но нетрудно себе представить, сколько дорогостоящих и дефицитных металлов придется израсходовать, если один только Симферопольский завод производит в год миллионы ножей. Другой (и самый рациональный и дешевый) путь – это ТМО. Новые ножи в полтора-два раза более износоустойчивы, чем обычные, а по себестоимости от них почти не отличаются. Следует особо сказать и об экономичности ТМО и о том, что её применение по сути дела не требует сложной новой аппаратуры и машин, а лишь ограничивается усовершенствованием технологии. ЛИТЕРАТУРА 1. Вейник А.И., Лифшиц Л.Л., "Металлургия и физика". Серия IV, № 7 (Техника), М.: "Знание", 1966, 48 с. 2. Вейник А.И. Термодинамика. 2-е издание. Мн.: Высшая школа, 1965. 3. Техническая термодинамика: Учебник для вузов/Под ред. В.И. Крутова. – 2-е изд.перераб. и доп. – М.: Высш.школа, 1981. – 439с. 4. Теплотехника: Учебник для студентов вузов/А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ.ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432с. 5. Мещеряков А.С. Термодинамика и теплообмен в литейных процессах: Учебн. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз.гос.ун-та, 1993. – 460с. 6. Теплотехнический справочник. Под общ.ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В 2 –х т. Т.2. Изд. 2-е, перераб. – М.: Энергия, 1976. – 896с. 7. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т.1. Теоретические основы: Учебн. для вузов/В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, Б.С. Мастрюков и др. Под науч.ред. В.А. Кривандина. – М.: Металлургия, 1986. – 424с.

66

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ 1. Дать определение и описать физический смысл энтальпии. 2. Представить математическое уравнение распределения температур по толщине безразмерной пластины в стационарном температурном поле. 3. Дать определение и описать физический смысл энтропии. 4. Представить уравнение удельного теплового потока через многослойную стенку при граничных условиях третьего рода. 5. Дать определение закону парциальных давлений для идеальных газовых смесей (закона Дальтона). 6. Представить математическое выражение основного закона теплопроводности (закона Фурье). 7. Дать определение и описать физический смысл теплоемкости. 8. Дать определения стационарному и нестационарному температурным полям. 9. Дать определение удельной работе, удельной теплоте и мощности (механической и тепловой). 10. Дать определение однородному и неоднородному температурным полям. 11. Дать определение и описать физический смысл удельной теплоемкости. 12. Дать определение основным формам теплообмена. 13. Представить математическое уравнение плотности теплового потока по толщине безразмерной пластины при граничных условиях третьего рода. 14. Дать определение процессам парообразования, испарения, кипения, конденсации. 15. Дать определение изобарной и изохорной теплоемкостям, показать взаимосвязь между ними. 16. Дать определение понятию «температурное поле среды». 17. Дать определение градиенту температур температурного поля системы. 18. Объяснить физический смысл понятий «теплопередача» и «теплоотдача». 19. Представить основные критерии теплового подобия 20. Дать характеристику основным видам молекулярной диффузии. 21. Описать физический смысл плавления, кристаллизации, сублимации. 22. Дать определение термодинамическим процессам: обратимым, необратимым, круговым прямым, круговым обратным. 23. Представить основные критерии гидродинамического подобия. 24. Описать законы термодинамики и показать их применение в технических системах.

67

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что изучает наука «Термодинамика»? 2. Чему равна молярная масса газовой смеси? 3. Какие основные формы передачи энергии в термодинамических системах? 4. В чем заключается термодинамический подход к изучению и описанию явлений, какие преимущества данного подхода? 5. Чему равна удельная газовая постоянная идеальной газовой смеси? 6. Что подразумевается под термином «тепловое движение микрочастиц» в различных веществах? 7. Какое состояние газа называют «насыщенным паром»? 8. Какой термодинамический процесс относится к равновесным процессам? 9. Какое состояние вещества называют «критическим состоянием»? 10. Чему равна совершаемая работа в круговых прямых и обратных термодинамических циклах? 11. Какие температурные шкалы используют в термодинамике? 12. В чем заключается физический смысл первого, второго, третьего законов термодинамики? 13. При каких условиях и в каких формах происходит изменение внутренней энергии термодинамической системы? 14. Чему равны массовые и мольные концентрации компонентов газовых смесей? 15. Почему применяют выражение уравнений в критериальной форме при решении задач тепло-, массопереноса? 16. Как выполняется расчет теплообменных устройств? 17. Какие выполняют расчеты и как представляют материальные и тепловые балансы тепловых устройств, зачем это необходимо делать?

68

СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………… 3 РЕФЕРАТ № 1………………………………………………………… 4 РАЗВИТИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ…………. 4 ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………… 4 Первое начало термодинамики……………………………………… 5 Второе начало термодинамики……………………………………… 6 Третье начало термодинамики……………………………………… 10 Тепловые машины…………………………………………………… 11 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………. 15 ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….. 16 РЕФЕРАТ № 2……………………………………………………….. 17 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ………………………………………………….17 ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………… 17 1.1. Закрытые и открытые термодинамические системы…………17 1.2. Нулевое начало термодинамики………………………………..19 1.3. Второе начало термодинамики…………………………………21 1.3.1. Обратимые и необратимые процессы…………………………. 22 1.3.2. Энтропия………………………………………………………… 23 1.4. Третье начало термодинамики………………………………… 24 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………… 25 РЕФЕРАТ № 3………………………………………………………… 26 ТЕРМОДИНАМИКА И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА…………. 26 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………… 31 РЕФЕРАТ № 4………………………………………………………… 33 ТЕПЛОТА С ПОЗИЦИЙ ТЕРМОДИНАМИКИ……………………. 33 1. Эволюция представлений о теплоте…………………………… 33 2. Теория теплообмена………………………………………………34 3. Классическая термодинамика Клаузиуса……………………… 35 4. Термодинамика необратимых процессов……………………… 37 5. Обсуждение проблемы теплоты с позиции термодинамики… 37 6. Энтальпия…………………………………………………………39 7. Энергия Гиббса……………………………………………………40 8. Растворы……………………………………………………………41 8.1. Идеальные растворы……………………………………………41 8.2. Совершенные растворы……………………………………… 42 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………….. 43

69

РЕФЕРАТ № 5 ……………………………………………………………..44 ТЕРМОДИНАМИКА В ОПРЕДЕЛЕНИЯХ…………………………….. 44 ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………. 51 РЕФЕРАТ № 6………………………………………………………………52 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ…………………………… 52 ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ……………………………………………….. 53 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………57 РЕФЕРАТ № 7…………………………………………………………….. 58 ТЕПЛОТЕХНИКА………………………………………………………… 58 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………66 ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ……………………. 67 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ…………………………………….. 68

70

ЧЕРНЫЙ Анатолий Алексеевич ТЕРМОДИНАМИКА (Сборник рефератов)

Учебное пособие

Пензенский государственный университет Пенза, Красная, 40 71