Определение термодинамики как науки.

Определение термодинамики как науки.

Термодинамика - изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах, сопровождающиеся тепловыми эффектами. Макроскопическая система-1000 и больше атомов.

Термодинамика изучает:

1. Переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой;

2. Энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы и зависимость их от условий протекания данных процессов;

3. Возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания процессов в рассматриваемых условиях.

Необходимо отметить, что классическая термодинамика имеет следующие ограничения:

1. Термодинамика не рассматривает внутреннее строение тел и механизм протекающих в них процессов;

2. В термодинамике отсутствует понятие " время".

Что такое термодинамическая система? Виды ТД систем. Что такое рабочее тело?

Термодинамическая система (ТД)-совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами. Тела, не входящие в систему, называются окружающей средой. ТД, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называется теплоизолированной или адиабатной. Рабочее тело-простейшая ТД система, осуществляющая взаимное превращение теплоты и работы.

Основные ТД параметры. Что такое равновесное состояние системы?

Свойства каждой системы характеризуется рядом величин-ТД параметрами: температура, давление, объем.

Температура-мера средней кинетической энергии частиц; определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами.

Температура связана со средней кинетической энергией молекул формулой , где k=1, 38*

Давление – обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью, представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Согласно МКТ давление газа определяется соотношением , где n-число молекул, единица объема; m-масса молекулы; -ср. квадратичная скорость поступательного движения молекул. Давление измеряется при помощи барометров, монометров, ваккуметров. Для измерения давления применяются различные единицы измерения. В стандартной системе измерения СИ единицей служит Паскаль (Па).

Объём — количественная характеристика пространства, занимаемого телом или веществом. Удельный объем - величина обратная плотности т.е. отношения объема занятого веществом к его массе.

Равновесное состояние ТС - состояние, характеризующееся неизменностью ТД-параметров во времени (и отсутствием в системе потоков) при постоянных внешних условиях (неизменность во времени не обусловлена протеканием какого-либо внешнего по отношению к ТС процесса). Изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической ТД рассматриваются равновесные системы.

Уравнение состояния реальных газов.

Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона — Менделеева.

Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе взаимодействуют между собой и занимают определенный объём. Состояние реального газа часто на практике описывается обобщённым уравнением Менделеева — Клапейрона:

, где p — давление; V - объем T — температура; Z_r = Z_r (p, T) — коэффициент сжимаемости газа; m - масса; М — молярная масса; R — газовая постоянная.

Определение ТД процесса.

Изменение состояния системы, характеризующееся изменением ее

термодинамических параметров, называется термодинамическим

процессом. Иными словами, если система переходит из исходного состояния

в конечное, отличное от исходного, то совершается процесс. Чаще всего в

термодинамике рассматриваются следующие процессы:

1) изотермический (T = const), {греческое therme – жар, теплота};

2) изобарный (р = const), {греческое baros – тяжесть, вес};

3) изохорный ((V = const), {греческое chora – пространство};

4) изобарно-изотермический (р = const, Т = const);

5) изохорно-изотермический (V = const, Т = const);

6) адиабатический (отсутствует обмен теплотой между системой и

внешней средой).

Процесс, в результате которого система, выйдя из начального состояния и

претерпев ряд превращений, вновь в него возвращается, называется круговым

процессом или циклом.

Изменение состояния системы может происходить при различных

условиях. Поэтому различают в первую очередь равновесные

(квазистатические) и неравновесные процессы. Равновесный процесс – все ТД параметры постоянны во времени и одинаковы во всех ТД системах. Неравновесный процесс - последовательность состояний, среди которых не все являются равновесными. Отличие состояний друг от друга, разность параметров и скорость изменения параметров ТС имеют определенные (конечные) значения. Все реальные процессы таковы.

Изобарный процесс

Уравнение изобарного процесса р= const.

Графически изобарный процесс в р—v-диаграмме изображается прямой линией, параллельной оси объемов. Линия изобарного процесса называется изобарой.

Адиабатный процесс
Уравнение адиабатного процесса имеет вид:

где k =cp/cv -показатель адиабаты для идеального газа.

Графически адиабатный процесс на p-v-диаграмме изображается неравнобокой гиперболой, называемой адиабатой. Адиабата круче изотермы, так как к > 1.

PV И TS диаграммы.

Тепловая Т- S диаграмма.

Удельную энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров для графического изображения процессов. Аналогично тому как мы строили изменение объема в зависимости от изменения температуры мы можем изобразить некоторый процесс изменения энтропии и температуры в Т- S координатах. В этом случае любая точка на графической плоскости соответствует определенному состоянию рабочего тела, а линия от точки 1 до точки 2 отображает некий термодинамический процесс. Особенностью Т- S координат является то, что площадь под линией процесса соответствует количеству энергии отданной или полученной рабочим телом.

Рисунок 5. Т – S диаграмма цикла Карно. На данной диаграмме (рисунок 5) представлен некий замкнутый цикл. Система последовательно переходит из точки 1 в 2 затем 3, 4 и снова в 1. Из графика видно, что процесс 1 => 2 является изотермическим (происходит при Т₁= const) и процесс 3 => 4, также является изотермическим (происходит при T₂=const). Процессы 2 => 3 и 4 => 1 являются адиабатными, поскольку в них не происходит изменение энтропии то dS = 0, следовательно dQ = 0 или Q = const. Причем в процессе 2 => 3 происходит охлаждение рабочего тела за счет совершения работы телом, а в процессе 4 => 2 происходит нагрев рабочего тела, за счет совершения работы над телом.

используя график какого-либо процесса на pV-диаграмме, можно определить работу, совершаемую газом и в каком случае эта работа положительна, а в каком отрицательна?

1)работа-это площадь под кривой в координатах P-V
2) если объем системы УВЕЛИЧИВАЕТСЯ A1, 2> 0
если УМЕНЬШАЕТСЯ A1, 2< 0
ЕСЛИ ПРОЦЕСС ЗАМКНУТЫЙ
если он идет ПО ЧАСОВОЙ стрелке A> 0
если ПРОТИВ ЧАСОВОЙ A< 0

Термический КПД цикла.

Термический КПД (ТКПД) определяется как отношение полезной работы цикла к подведенному теплу. Термический коэффициент полезного действия цикла Карно

Анализируя термический КПД для прямого цикла Карно, приходим к следующим выводам:
Термический КПД цикла зависит только от температуры горячего и холодного источников и не зависит от природы рабочего тела.
Значение термического КПД цикла тем больше, чем больше разность температур горячего и холодного источников.
Термический КПД цикла всегда меньше единицы.
Термический КПД цикла Карно при изотермических источниках имеет максимальное значение в заданном интервале температур по сравнению с другими циклами и, следовательно, является эталоном, с которым сравнивают циклы существующих тепловых машин. Реальный тепловой двигатель тем совершеннее, чем ближе значение его КПД и КПД цикла Карно в том же интервале температур.

Третий закон термодинамики.

Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.

Классификация ДВС

Классификация ДВС определяется следующими признакам:

По применяемому топливу: бензиновый (с воспламенением от электрической искры), дизельный (с воспламенением от высокой температуры сжатого воздуха)

По системе охлаждения: жидкостная или воздушная.

По количеству рабочих тактов: двух тактный или четырёх тактный.

По расположению клапанного механизма: над головкой блока (Overhead Camshaft (OHC)) или над головкой устанавливаются только клапаны, в то время как распределительный вал монтируется в корпусе блока цилиндров (Overhead Valve (OHV) design)

По количеству цилиндров: 4, 5, 6, 8…

По конструктивному расположению цилиндров: рядный (цилиндры расположены в линию), V – образный (под углом друг к другу), оппозитный (напротив друг друга). In-line type engine – в переводе, двигатель, с продольным расположением цилиндров (рядный). Двигатели такого типа имеют довольно лёгкий и компактный блок цилиндров, а так же головку, объединённую в одно целое. Как правило, рядное расположение имеют 3-х, 4-х, 5-ти, 6-ти цилиндровые двигатели. Двигатели, имеющие расположение цилиндров в форме буквы V называются V – образные. Как правило, с таким расположением встречаются 6-ти, 8-ми, 10-ти, 12-ти цилиндровые двигатели. Применение такие двигатели находят в автомобилях представительского и спортивного класса. В последнее время в легковых автомобилях всё большее применение находят двигатели оппозитного типа. В таких двигателях поршни двигаются навстречу друг другу или в прямо-противоположных направлениях.