Панов В.К. Физические основы теплотехники. Ч. I: Термодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

§ 1. Исторические предпосылки

Камчатский государственный технический университет

Кафедра физики

В.К. Панов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Часть I

ТЕРМОДИНАМИКА

Рекомендовано

Дальневосточным региональным учебно-методическим центром

(ДВ РУМЦ) в качестве учебного пособия для студентов

технических специальностей

вузов региона

Петропавловск-Камчатский

2007

§ 1. Исторические предпосылки

УДК 536(07)

ББК 31.31

П16

Рецензенты:

А.С. Латкин,

доктор технических наук, профессор, заместитель директора

по научной работе НИГТЦ ДВО РАН

Р.И. Пашкевич,

кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой естественнонаучных

и технических дисциплин филиала Дальневосточного

государственного технического университета

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева) в г. Петропавловске-Камчатском

Панов, Всеволод Константинович

П16 Физические основы теплотехники. Ч. I: Термодина-

мика: Учебное пособие / В.К. Панов. – Петропавловск-

Камчатский: КамчатГТУ, 2007. – 208 с.

ISBN 978–5–328–00166–3

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями

к обязательному минимуму содержания основной образовательной

программы подготовки специалистов по техническим специально-

стям государственных образовательных стандартов высшего про-

фессионального образования.

Пособие написано на основе курса лекций, читаемых автором

в КамчатГТУ.

УДК 536(07)

ББК 31.31

ISBN 978–5–328–00166–3 © КамчатГТУ, 2007

§ 1. Исторические предпосылки

Моим родителям посвящаю

ПРЕДИСЛОВИЕ

Взяться за написание этого учебного пособия меня по-

будили две причины.

В качестве первой послужил мой пятнадцатилетний

опыт преподавания теплотехнических дисциплин для буду-

щих инженеров различных направлений и опыт общения с

уже состоявшимися инженерами. Суть его такова: в подав-

ляющем большинстве нестоличных технических вузов гото-

вят инженеров-эксплуатационников, необходимых производ-

ству в больших количествах, а не инженеров-исследователей

или конструкторов (к ним по образованию принадлежу и я),

потребность в которых несравненно меньше. Между тем

практически все многочисленные существующие вузовские

учебники по термодинамике — от самых уважаемых и клас-

сических до самых свежих — рассчитаны именно на вторую

категорию. В силу огромного объема материала и мудрено-

сти его изложения ни один из них не может быть рекомендо-

ван в качестве основного в рамках нынешних учебных пла-

нов. Кроме того, практически отсутствует главное, что долж-

но остаться у выпускника-инженера от любого изученного

предмета, — какова практическая реализация того, чему учи-

ли, в оборудовании, технологических процессах, способах

решения технических проблем.

Именно поэтому одна из главных задач, которые я пе-

ред собой ставил при написании пособия, состоит в том, что-

бы при малейшей возможности показывать практическую

значимость, инженерную трактовку излагаемых идей. Для

этого я старался использовать возможно большее количество

примеров, не пренебрегая порой очевидными, взятыми из по-

вседневного опыта. Другая не менее важная задача, которую

§ 1. Исторические предпосылки

я старался решить, – показать связи между отдельными «кус-

ками» предмета, связи с другими дисциплинами.

Вторая причина работы над пособием – удручающе низ-

кий уровень подготовки абитуриентов, абсолютное неумение

работать самостоятельно. Это объективная действительность,

в условиях которой приходится работать. Поэтому я старался

максимально ясно и подробно излагать материал, основыва-

ясь на своих наблюдениях за тем, как его воспринимают сту-

денты на лекциях.

Отдельную трудность для усвоения материала пред-

ставляет то, что подавляющее большинство общепринятых

терминов — слова нерусские и в силу этого «добавляющие

тумана». Поэтому везде, где это возможно, я подбираю рус-

ский аналог или даю максимально компактное русскоязыч-

ное толкование – не для замены в дальнейшем использова-

нии, а для лучшего уяснения смысла.

В силу названных причин в пособии нет традиционной

университетской строгости изложения. Подбор материала рас-

считан на лекционный курс объемом 34 – 50 часов и примерно

на столько же часов самостоятельной работы для студентов

технических специальностей.

§ 1. Исторические предпосылки

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Исторические предпосылки

Та часть термодинамики, которую теперь называют тех-

нической, стала стремительно оформляться в самостоятель-

ную науку в начале ХIХ в. Это время в истории отмечено бур-

ным развитием массового промышленного производства и

транспорта. В связи с этим одна из главных возникших задач

инженерного обеспечения производства — создание высоко-

производительных, экономичных двигателей — приводов для

разнообразного оборудования: подъемно-транспортного, тяго-

дутьевого, металлообрабатывающего, транспортного и т. д.

К этому времени уже был накоплен немалый инженерный

опыт по конструированию, созданию и эксплуатации различ-

ных двигателей, в том числе паровых машин

∗)

Но глубокого,

теоретического понимания закономерностей тепловых про-

цессов, которые в них происходят или должны происходить,

еще не было.

Таким образом, техническая термодинамика появилась

в значительной степени в ответ на потребности инженерной

практики как теория тепловых машин. Уже к середине ХIХ в.

основные понятия и законы были сформулированы, практиче-

ски сложилась методология. Вскоре стало ясно, что область

применимости термодинамики гораздо шире, чем процессы

в тепловых машинах. Стали «отпочковываться» относитель-

но самостоятельные направления в самой термодинамике,

появились смежные науки. Надо сказать, что некоторые фун-

даментальные термодинамические понятия оказались востре-

бованными даже в недавно появившихся науках. Например, на

основе понятия энтропии разрабатывается энтропийный метод

оценки количества информации в теории информации.

Конечно, термодинамика появилась не на пустом месте.

Начало целенаправленного экспериментального и теоретиче-

ского изучения тепловых процессов надо связывать, по-

∗)

Весьма подробную историю развития энергетических установок

можно найти в книге [3].

§ 1. Исторические предпосылки

видимому, с работами Роберта Бойля. Разносторонне интере-

сующийся ученый, современник Ньютона Р. Бойль опублико-

вал в 1660 г. результаты исследований по изотермическому

расширению-сжатию воздуха, проведенных им со свойствен-

ной английскому джентльмену точностью и аккуратностью.

В последующие полтора века немало ученых с известными

поныне именами занимались изучением тепловых процессов

и строения вещества. Это Шарль, Гей-Люссак, Блэк, конечно

же Ломоносов, Бернулли, Лавуазье, Дальтон. Ими сделан

чрезвычайно важный вклад в понимание внутреннего состоя-

ния вещества и его изменения при взаимодействиях.

Интересен тот факт, что Бойль и Ньютон, будучи совре-

менниками и замечательными учеными, в мировой научной

«табели о рангах» заняли разные места. Отдавая должное каж-

дому из них, надо признать, что ошеломляющий успех ньюто-

новской механики, почти на два века определившей все евро-

пейское мировоззрение, связан с самим предметом ее изуче-

ния. Это в первую очередь процессы видимого движения дос-

таточно крупных тел, не разваливающихся при этом на части

(тел постоянной массы). Такие процессы наполняют наш по-

вседневный опыт и, как правило, доступны для непосредст-

венного наблюдения и измерения их характеристик. Поэтому

они проще для изучения. Тепловые же явления связаны с мик-

ромасштабным движением, глазом, как правило, не видимы и

для непосредственных измерений менее доступны. Поэтому

термодинамика и «приотстала» примерно на полтораста лет.

Основные теоретические построения в термодинамике

были сделаны в ХIХ в. Карно, Майером, Клапейроном, Клау-

зиусом, Больцманом, У. Томсоном (Кельвином). Их трудами

создана равновесная термодинамика, являющаяся теоретиче-

ской базой для великого множества технически важных при-

ложений. Термодинамика стала наукой, изучению которой

подвластны взаимные превращения любых видов энергии при

любых взаимодействиях.

Однако развитие термодинамики продолжилось и в ХХ в.

Исследования в этом направлении на качественно новый уро-

§ 2. Тепловой двигатель

вень вывели Онсагер и Пригожин — лауреаты Нобелевской

премии, основоположники неравновесной термодинамики.

Это теория открытых сложных систем, которым часто свой-

ственны процессы самоорганизации, приводящие к образова-

нию структур.

В этом пособии речь идет только о технической термо-

динамике как теории тепловых машин.

§ 2. Тепловой двигатель

Тепловой

двигатель

Тепло,

Механическая

абота,

Представим тепловой двигатель как «черный ящик»

(рис. В.1), не зная пока, что должно быть внутри и как оно

должно действовать. Это дает возможность сформулировать

своего рода «техзадание» —

что мы хотим от него получать

на выходе и что готовы пода-

вать на вход. Название во мно-

гом говорит само за себя: из

слова «двигатель» следует, что

на выходе мы хотим получать

механическую работу, из слова «тепловой» – что на вход будем

подавать нечто по имени тепло. Надо сразу сказать, что слова

«работа» и «тепло», расхожие в употреблении, в технической

термодинамике имеют иной смысл. В повседневной речи под

словом «работа» мы понимаем процесс самого разнообразного

труда, в термодинамике – это величина, т. е. численная харак-

теристика процесса. А это все-таки разные вещи, так же как

различны, например, копание канавы (процесс) и зарплата за

него (численная характеристика процесса).

Рис. В.1. Тепловой двигатель как

преобразователь энергии

Понятие и определение работы появляются в разделе

общей физики — механике. Припомним.

В ситуации, когда есть тело, к которому приложена под

некоторым углом сила, и тело при

этом перемещается (рис. В.2), го-

ворится, что сила совершает ра-

боту, равную скалярному произ-

ведению вектора силы и вектора

перемещения:

∠

Рис. В.2. К определению работы

§ 2. Тепловой двигатель

⋅

L = = F · l · cos α, н ⋅ м = Дж. (В.1)

Если тело движется равномерно и прямолинейно, то по

первому закону Ньютона это означает, что на тело либо вовсе

не действуют силы, либо их равнодействующая равна нулю.

Работа в этом случае равна нулю. Как и в случае, когда сколь

угодно большая сила, приложенная к телу, не вызывает его

перемещения. Наконец, если оба вектора не равны нулю, но

взаимно перпендикулярны, работа тоже равна нулю.

Это означает, что от любого двигателя-привода мы хо-

тим получать не просто движение (двигатель), а движение,

непременно связанное с усилием, т. е. механическую работу.

В технической термодинамике тепловой двигатель — источ-

ник работы, которая может быть использована против других

сил: тяжести, сухого трения, вязкого сопротивления, электро-

магнитной индукции, упругости, межмолекулярного взаимо-

действия и т. д. В этом и состоит назначение привода.

Слово «тепло» в повседневном обиходе связывается с оп-

ределенными нашими ощущениями, а они, во-первых, инди-

видуальны, а во-вторых, в одних и тех же повторяющихся си-

туациях бывают различны. В термодинамике тепло – это ве-

личина, т. е. численная характеристика процесса. Как бы то ни

было, это две стороны одной медали – в процессе, вызываю-

щем такое ощущение, к веществу (в том числе к нашему телу)

подводится нечто, меняющее его состояние, и это нечто впо-

следствии удается выразить численно.

Таким образом, «черный ящик» – тепловой двигатель вы-

ступает в роли преобразователя тепла в механическую работу.

А любой преобразовательный механизм, как мы знаем, нико-

гда полностью не преобразует входную величину в выходную.

В связи с этим появляется главный показатель эффективности —

коэффициент преобразования. Часто его называют КПД — ко-

эффициентом полезного действия. Смысл его для любого ме-

ханизма (теплового, электрического, финансового, политиче-

ского и пр.) всегда общий — это отношение пользы к затратам:

затраты

польза

КПД <=

§ 4. Термодинамическая система

В зависимости от конкретного типа механизма в качест-

ве пользы и затрат выступают различные величины. К сожале-

нию, опыт показывает, что величина эта всегда меньше еди-

ницы. В связи с этим возникает естественный вопрос: зависит

ли эта величина от чего-либо? От рабочего тела, конструкции,

условий эксплуатации и т. д., или это раз и навсегда Божья

данность? Если зависит, надо выяснить, от чего и как, с тем

чтобы иметь возможность получения большей «пользы» при

тех же затратах. Это очевидно. По существу, главный вопрос

при термодинамическом анализе разнообразных тепловых ме-

ханизмов и устройств – это вопрос о КПД.

Говоря о тепловом двигателе, нельзя не отметить его

важное преимущество перед другими, особенно для транс-

портного применения. Самым эффективным на сегодня источ-

ником тепла для тепловых двигателей служит органическое

топливо, поскольку при сжигании одного его килограмма вы-

деляется большое количество тепла. В силу этого топливо

экономически оправданно перевозить на большие расстояния –

от места добычи к месту использования. Поэтому тепловой

двигатель, в отличие от более эффективного электрического,

географически не привязан к источнику используемой энергии.

§ 3. Рабочее тело

Теперь можно заглянуть внутрь «черного ящика» с тем,

чтобы в целом решить, какие процессы, явления, закономер-

ности из известных в окружающей нас действительности мо-

гут быть использованы для преобразования тепла в видимое

движение и связанную с ним работу. По-видимому, первое,

что заметил человек из пригодного для этой цели – это явле-

ние теплового расширения вещества. Оно свойственно всем

без исключения веществам, хоть и в разной степени

∗)

Например, Сади Карно в своем знаменитом сочинении «Размыш-

ления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу»

так пишет об этом: «… все тела способны к изменению объема, к сжатию и

расширению при действии тепла и холода; все способны при изменении

своего объема побеждать некоторые сопротивления и, таким образом, раз-

вивать движущую силу» [4].

§ 4. Термодинамическая система

Твердые тела изменяют свой объем в среднем на не-

сколько тысячных долей процента при изменении температу-

ры на градус (~10

–5

, 1/К). Этому эффекту есть много техноло-

гических применений, например «горячая посадка» деталей.

Но для преобразования тепла в работу он явно незначителен.

Жидкости в целом более «охотно» меняют свой объем –

в среднем на два порядка (~10

–3

, 1/К). И этому тоже есть не-

мало применений, хотя бы, например, измерение температуры

стеклянным жидкостным термометром. Но для теплового дви-

гателя это опять же не годится.

Остаются газы. Про газ известно, что любой из них все-

гда целиком занимает весь предоставленный объем и стремится

расшириться еще дальше, как только такая возможность пре-

доставляется. Коэффициент теплового расширения газов в не-

сколько раз больше, чем у жидкостей. Таким образом, вещество

в газообразном состоянии – наиболее походящее рабочее тело

для теплового двигателя. Поэтому исторически логично начать

изучение технической термодинамики с газовых законов.

Вопросы для самопроверки

1. Этапы становления термодинамики.

2. Назовите имена основоположников термодинамики.

3. Что изучает термодинамика, техническая термодинамика?

4. Что представляет собой тепловой двигатель?

5. Каков термодинамический смысл слова «привод»?

6. Каков общий смысл понятия КПД?

7. Каким главным достоинством обладает тепловой двигатель?

8. Что обычно является рабочим телом в тепловом двигателе?

9. Что такое работа?