Термодинамика как аксиоматическая наука. Термодинамические

Термодинамика как аксиоматическая наука. Термодинамические

Системы, их виды.

2. Параметры, характеризующие термодинамические системы:

Потенциалы и координаты термодинамического состояния.

Уравнения состояния.

Термодинамические процессы. Внутренняя энергия и ее свойства.

Механическая работа и теплообмен как формы энергообмена.

Теплоемкость. Уравнение Майера.

Первый закон термодинамики для изолированной, закрытой и

Открытой термодинамических систем.

Анализ термодинамических процессов на основании первого закона термодинамики.

Тепловой двигатель и его термический КПД. Цикл Карно и теорема Карно.

Понятие энтропии.

Различные формулировки второго закона термодинамики.

Количественная оценка второго закона термодинамики для изолированной, закрытой и открытой термодинамических систем.

Тепловые процессы в современной технике и технологии. Способы переноса теплоты.

Перенос теплоты теплопроводностью, конвекцией, излучением и при изменении агрегатного состояния вещества.

Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов. Основные

Понятия теплопередачи: температурное поле, изотермическая поверхность, изотерма, градиент температуры, вектор плотности теплового потока.

15. Гипотеза Фурье: ее физическое содержание и практическое значение

Уравнения Фурье. Краевые условия задачи о температурном поле в теле и их решения. Краевая задача нестационарной теплопроводности и ее решение.

Решение задачи о стационарном температурном поле одно- и

Многослойной плоской и полой цилиндрической стенки при граничных условиях первого и третьего родов.

Нелинейная стационарная теплопроводность в пластине. Тепловая

Изоляция.

Основные представления о механизме переноса теплоты в

Движущейся среде, уравнение Фурье-Кирхгоффа.

Теплообмен при вынужденном движении в случае ламинарного и турбулентного режимов в канале и при обтекании пластины и цилиндра.

Механизм излучения твердых тел: законы Планка, Стефана-

Больцмана, Кирхгофа, Вина.

Лучистый теплообмен между телами, экраны и экранно-вакуумная теплоизоляция.

Лучисто-конвективный теплообмен. Понятие суммарного

Коэффициента теплоотдачи и его применение в расчетной практике.

 

Термодинамика как аксиоматическая наука. Термодинамические

Системы, их виды.

 

Термодинамика построена по аксиоматическому принципу: фундаментальные законы природы принимаются в качестве основных аксиом, называемых началами (принципами) термодинамики. Из них логическим путем выводятся все следствия, характеризующие различные термодинамические системы и происходящие в них процессы. Не все начала термодинамики одинаковы по своему физическому значению и общности, однако они эквивалентны в том смысле, что каждое из них составляет независимую аксиому, которая не может быть исключена при построении термодинамики.

Макроскопические величины, характеризующие состояние нермодинамической системы, а следавательно и ее свойства, называют термодинамическими параметрами. Различают внешние параметры, связанные с состоянием окружающей рассматриваемую систему среды, и внутренние параметры, отвечающие состоянию самой системы.

Каждому состоянию системы соответствуют определенные значения по крайней мере некоторых термодинамических параметров; такие параметры могут считаться функциями состояния системы.

Если состояние термодинамической системы не меняется с течением времени, т.е. если свойства системы, а следовательно и ее термодинамические параметры, сравниваемые в два различных момента времени, одинаковы, то говорят, что система находится в термодинамическом равновесии.

Термодинамической системой называют совокупность тел (а также полей), взаимодействующих друг с другом. Взаимодействие может быть механическим, тепловым и массообменным. Механическое взаимодействие между телами осуществляется посредством сил (в частности, сил давления, электромагнитных и других). Тепловое взаимодействие состоит в передаче тепла путем теплопроводности (при непосредственном тепловом контакте) или излучением тепла. Обмен массой заключается в переносе вещества через границы области, занимаемой системой.

Системы, в которых возможны все три типа взаимодействия, называют открытыми. Системы, в которых обмен веществом не происходит, называют закрытыми. Систему, которая не может обмениваться теплотой с другими системами, называют теплоизолированной или адиабатически изолированной. Систему, совершенно не взаимодействующую с другими системами, называют изолированной.

Систему, состоящую из одной фазы вещества (одного или нескольких), называют гомогенной. В соответствии с различными видами агрегатного состояния различают твердую (кристаллическую), жидкую, газообразную и плазменную фазы. Систему, которая во всех своих частях имеет одинаковые свойства, называют однородной. Систему, состоящую из нескольктх гомогенных частей, отделенных друг от друга поверхностями раздела, называют гетерогенной.

В каждом из состояний термодинамическая система обладает вполне определенными свойствами. Эти свойства могут быть интенсивные и экстенсивные (аддитивные). Первые не связанны с массой системы, вторые зависят от массы системы.

 

Уравнения состояния.

 

Термическое уравнение состояния устанавливает связь между давлением, температурой и удельным объемом среды постоянного состава f (p,v,T)=0.

Уравнение Клапейрона представляет собой уравнение состояния идеального газа,

записанное для массы газа 1 кг: , где R - удельная газовая постоянная,

отнесенная к массе газа, равной 1 кг

Уравнение состояния для одного моля идеального газа будет называется уравнением состояния Клапейрона - Менделеева.

 

Идеальный газ – отсутствие сил взаимодействия между молекулами, а сами

молекулы представляют собой точки бесконечно малой величины.

 

Понятие энтропии.

 

– энтропия. С микрофизической точки зрения энтропия является количественной мерой хаотичности, беспорядочности теплового движения. Увеличение энтропии соответствует уменьшения упорядоченности в расположении микрочастиц и в распределении энергии между ними

Для обратимых процессов и , а для необратимых и .

Энтропия адиабатно замкнутой системы в обратимых процессах остается без изменений, а в необратимых увеличивается. Таким образом, энтропия такой системы никогда не может уменьшаться.

Следует иметь в виду, что энтропия отдельных тел в системе может и уменьшаться, и увеличиваться, и оставаться без изменения под влиянием процессов, происходящих в системе, но общая энтропия замкнутой системы в необратимых процессах может только увеличиваться.

 

Изоляция.

 

Реальные материалы характеризуются зависимостью коэффициента теплопроводности λ от температуры. Рассмотрим в качестве примера нелинейную стационарную теплопроводность в неограниченной пластине при граничных условиях первого рода (рис. 1.23) для трех видов материала: а) λ = const; б) λ растет с ростом температуры; в) λ убывает с ростом температуры

Рис. 1.23

Для этих случаев для расчета плотности теплового потока используем формулу

Указанная величина q положительна (q > 0) и, пересекая изотермические поверхности пластины, везде одинакова.

При = const имеем = const, dx / dT т.е. получаем линейное распределение температуры по толщине пластины (линия а).

При росте с увеличением температуры в тех местах пластины, где температура выше, будет соответственно меньше модуль производной dT/dx (линия б).

И, наконец, при уменьшении с ростом температуры распределение температуры будет соответствовать линии в.

Таким образом, в пластине, изготовленной из реального материала, распределение температуры по координате X является нелинейным.

Зависимость = (T) влияет не только на вид стационарного температурного поля: она приводит и к необходимости учета этой зависимости для подсчета количества тепла Q, проходящего через тело.

Формула для расчета количества тепла Q, проходящего за единицу времени через пластину: .

Механизм излучения твердых тел: законы Планка, Стефана-

Больцмана, Кирхгофа, Вина.

 

Термодинамика как аксиоматическая наука. Термодинамические

Системы, их виды.

2. Параметры, характеризующие термодинамические системы: