Главное в разделе «термодинамика»
В основу термодинамического подхода положено определение функции состояния тела, которая бы связывала природу тепловых явлений, обусловленную внутренним строением тела, с легкоизмеряемыми макропараметрами. Такой функцией состояния является внутренняя энергия, которая однозначно определяется температурой T, давлением p и объемом V термодинамической системы.
Внутренняя энергия тела может быть изменена вследствие теплообмена или выполнения работы. Количество теплоты, переданное телу (или забранное у него), определяется в зависимости от сопровождающего его теплового процесса:
- при нагревании (охлаждении) Q = cmΔT;
- при плавлении (кристаллизации) Q = λm;
- при парообразовании (конденсации) Q = rm;
- при испарении твердых тел и кристаллизации из газообразного состояния.
Работа газа при незначительных изменениях давления (p = const) равна: A’ = pΔV и изменяет знак на противоположный в случае выполнения работы внешними силами над газом:
A = —pΔV.
Первый закон термодинамики устанавливает, что количество теплоты, предоставленное термодинамической системе, ведет к изменению ее внутренней энергии или выполнению работы либо является причиной того и другого одновременно:
Q = ΔU + pΔV.
Он является фундаментальным законом сохранения энергии, отрицающим возможность создания вечного двигателя: нельзя создать машину, которая бы неограниченно выполняла работу, не получая энергию извне.
Естественное течение тепловых процессов указывает на то, что все они являются необратимыми. Второй закон термодинамики устанавливает, что в природе невозможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от менее нагретых к более нагретым телам; или (следуя формулировке У. Томсона): невозможно осуществить такой периодический процесс, единым результатом которого будет выполнение работы за счет теплоты, отобранной у нагревателя.
Законы термодинамики имеют широкое практическое применение, в частности в технике, в конструировании тепловых машин. С. Карно установил, что наиболее энергетически выгодным является циклический процесс, построенный на основе последовательных изотермических и адиабатных процессов (так называемый цикл идеальной машины).
Коэффициент полезного действия идеальной машины имеет максимальное значение и равен отношению разности абсолютных температур ее нагревателя T1 и охладителя T2 к абсолютной температуре нагревателя T1:
η = (T1 – T2) / T1.
Все тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, паровые и газовые турбины, холодильные машины и т. п.) построены по принципу преобразования части тепловой энергии в механическую работу. Их КПД всегда меньше, чем КПД идеальной машины, и равен:
η = A’ / Q1 = |Q1| — |Q2| / |Q1| = 1 — |Q2| / |Q1|.
Таким образом, термодинамика как теория основывается на обобщении многочисленных наблюдений и многовекового опыта познания сущности тепловых явлений и процессов. Ее законы и принципы имеют широкое практическое значение, и их положено в основу теплотехники и инженерии тепловых машин.
