Раздел 1. Т Е Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А

В нашем курсе мы в первую очередь рассмотрим объекты, которые называют рабочими телами и теплоносителями. Основными рабочими телами являются газ, водяной пар и хладагенты - аммиак и фреоны.

Газ является рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания на транспортных средствах, в газотурбинных установках на газоперекачивающих станциях, в воздушных холодильных машинах, а также во вспомогательном оборудовании – компрессорах, детандерах, воздуходувках, калориферах, во множестве теплообменников. Водяной пар и вода являются рабочим телом в паротурбинных установках тепловых, в том числе атомных электростанций. Наряду с тем вода и водяной пар являются важнейшими теплоносителями, используемыми в теплофикационных системах, в районных и заводских котельных, во множестве теплообменных – нагревающих и охлаждающих - аппаратов, установленных на предприятиях пищевой и других отраслей промышленности.

Хладагенты заполняют контуры холодильных машин на хладокомбинатах и холодильниках, в том числе в бытовых холодильниках. В холодильных системах также используются теплоносители (рассолы), однако традиционно их называют хладоносителями.

Особенностью рабочего тела является его способность сжиматься и расширяться, особенно при конденсации и испарении. При этом рабочее тело увеличивает или уменьшает содержащуюся в нем энтальпию и энтропию за счет воспринимаемых извне или отдаваемых вовне потоков энергии.

Как установлено первым законом термодинамики, имеют место два принципиально различных, качественно отличающихся вида таких потоков энергии:

1)возникающие при совершении работы сил давления (за счет изменения объема рабочего тела в замкнутом объеме) и технической работы (за счет изменения его давления в потоке рабочего тела);

2)возникающие вследствие разности температур, вызывающей теплообмен.

Теплоносители отличаются от рабочих тел тем, что не участвуют в совершении работы сил давления и технической работы: их назначение – воспринимать тепловые потоки от нагретых объектов, по трубопроводам направляться к другим, холодным объектам и передавать им эти тепловые потоки.

Рабочее тело, циркулируя по контуру теплосиловой машины, способно превращать часть подведенного к нему теплового потока в работу над внешней средой, и наоборот, совершенная над рабочим телом работа может превращаться с помощью рабочего тела в тепловой поток, передаваемый внешней среде.

При этом количество энергии, переносимой этими двумя потоками энергии, измеряется теперь, с введением единиц СИ, в одинаковых единицах – джоулях, килоджоулях, мегаджоулях и проч.[1] Тепловые потоки, образующиеся при сжигании топлива – горючих газов, бензина – служат источником для производства потоков энергии, называемых работой, в частности, потоков электроэнергии на электростанциях. Эти превращения сопровождается, увы, неизбежным выбросом большей части исходного теплового потока в атмосферу.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Способность рабочего тела и совершать работу, и вступать в теплообмен при изменении его объема и соответственно энтропии позволяет использовать рабочее тело для превращения теплового потока в поток, образующийся при совершаемой работы, а также и для обратного превращения – работы в тепловой поток. Первый вид превращения совершается в теплосиловых установках (двигателях) электростанций и транспортных средств, второй – в холодильных машинах и тепловых насосах, а также в процессах трения.

Поэтому изучение свойств рабочего тела и его способностей к преобразованию потоков энергии – работы и теплового потока – друг в друга является важнейшей задачей технической термодинамики.

Равновесные состояния

Если внутри термодинамической системы между ее частями нет переноса массы (перемешивания) и переноса энергии (в формах работы или теплообмена), соответственно если система находится в состоянии внутреннего и внешнего покоя, то такую систему называют равновесной. Если неравновесную систему изолировать от внешней среды, то она рано или поздно перейдет самопроизвольно в равновесное состояние.

Мы принимаем также, что равновесное состояние характеризуется также однородностью свойств во всех частях системы и поэтому определяется минимальным числом параметров по сравнению с неравновесным состоянием. В частности, равновесное состояние большинства рабочих тел определяется двумя параметрами состояния. Остальные параметры зависят от первых двух.