Термодинамика. Терм. Техническая термодинамика
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Г.П. Николаев, А.Э. Лойко ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Техническая физика» Научный редактор: проф., д-р физ.-мат. наук В.Д. Селезнев Учебное пособие для студентов дневной формы обучения по программе специалитета, специальности: 141405 – Технологии разделения изотопов и ядерное топливо, 141401 – Ядерные реакторы и материалы, и бакалавриата по направлению 140800 – Ядерная физика и технологии; профиль: Ядерная физика и реакторные технологии. Содержит разделы: основные понятия и определения дисциплины ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА; законы и методы термодинамики; условия термодинамического равновесия; фазовые превращения; циклы теплосиловых и холодильных установок. УрФУ, 2013 ЕКАТЕРИНБУРГ 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................. 7 1. ПРЕДМЕТ ТЕРМОДИНАМИКИ ...................................................... 8 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ .............................................................................................. 11 2.1. Т ЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Р АВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ ( ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ) .................................................................... 11 2.2. Т ЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ Т ЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ............................................................................................................. 12 2.3. В НУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ........................................................................ 14 2.4. У РАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ( ТЕРМИЧЕСКОЕ И КАЛОРИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ) ............................................................................................................. 15 2.5. Ф УНКЦИИ СОСТОЯНИЯ И ИХ СВОЙСТВА .............................................. 17 2.6. П ОСТУЛАТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ........................................................... 18 3. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ....................................... 19 3.1. Т ЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ К ВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ И НЕСТАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Ц ИКЛЫ ...................................................................... 19 3.2. Р АБОТА И ТЕПЛОТА ПРОЦЕССА , ЭНЕРГИЯ ПЕРЕНОСА МАССЫ .............. 20 3.3. Ф ОРМУЛИРОВКИ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ И НТЕГРАЛЬНАЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ФОРМА ЗАПИСИ ПЕРВОГО ЗАКОНА О БОБЩЕННЫЕ СИЛЫ И ОБОБЩЕННЫЕ КООРДИНАТЫ .................................................................................... 21 3.4. П ОНЯТИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ................................................................... 25 3.5. С ВЯЗЬ МЕЖДУ ИЗОБАРНОЙ И ИЗОХОРНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТЯМИ Ф ОРМУЛА М АЙЕРА С КРЫТАЯ ТЕПЛОТА .................................................................. 26 3.6. О СНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ .................................. 30 3.7. У РАВНЕНИЯ ПОЛИТРОПНОГО И АДИАБАТНОГО ПРОЦЕССОВ ................ 31 3.8. Ч АСТНЫЕ СЛУЧАИ ПОЛИТРОПНОГО ПРОЦЕССА ................................... 34 3.9. Д ИАГРАММНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ .. 35 3.10. Т ЕРМИЧЕСКИЕ КОЭФИЦИЕНТЫ ......................................................... 36 3.10.1. Термический коэффициент объемного расширения ......... 36 3.10.2. Термический коэффициент давления ................................. 38 3.10.3. Коэффициент изотермической сжимаемости .................... 39 3.11. С ВЯЗЬ МЕЖДУ ТЕРМИЧЕСКИМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ....................... 40 3.12. К ОЭФФИЦИЕНТ АДИАБАТНОЙ СЖИМАЕМОСТИ С ВЯЗЬ МЕЖДУ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ И АДИАБАТНОЙ СЖИМАЕМОСТИ ............... 41 3 4. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ........................................ 42 4.1. О БРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ , ЦИКЛЫ .............................. 42 4.2. Ц ИКЛ К АРНО ........................................................................................ 43 4.3. Ф ОРМУЛИРОВКИ ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ КЛАУЗИУСА И ТОМСОНА , ИХ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ........................................................................... 47 4.4. П РИНЦИП АДИАБАТНОЙ НЕДОСТИЖИМОСТИ К АРАТЕОДОРИ ............... 49 4.5. П ОНЯТИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Э МПИРИЧЕСКИЕ ШКАЛЫ ТЕМПЕРАТУР ....... 51 4.6. О БОСНОВАНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭНТРОПИИ ..................................... 55 4.6.1. Голономность и свойства форм Пфаффа .............................. 55 4.6.2. Определение энтропии термодинамической системы ........ 56 4.7. С УЩЕСТВОВАНИЕ АБСОЛЮТНОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЕЕ СВЯЗЬ С ЭМПИРИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ........................................................ 57 4.8. С ВЯЗЬ АБСОЛЮТНОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ШКАЛЫ ТЕМПЕРАТУР СО ШКАЛОЙ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ..................................................................................... 60 4.9. Т ЕОРЕМЫ К АРНО ................................................................................. 62 4.10. Н ЕРАВЕНСТВО К ЛАУЗИУСА .............................................................. 65 4.11. И ЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ В ПРОИЗВОЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ .................. 67 4.12. С ВОЙСТВА ЭНТРОПИИ ...................................................................... 69 4.13. О СНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ И НЕРАВЕНСТВО ТЕРМОДИНАМИКИ ............ 70 4.14. П РИМЕРЫ ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ ПРИ НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССАХ В АДИАБАТНЫХ СИСТЕМАХ ...................................................................................... 70 4.15. Э НТРОПИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА .......................................................... 73 5. МЕТОДЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ...................................................... 75 5.1. С ВЯЗЬ МЕЖДУ ТЕРМИЧЕСКИМ И КАЛОРИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЯМИ СОСТОЯНИЯ ............................................................................................................. 75 5.2. М ЕТОД ЦИКЛОВ ................................................................................... 76 5.3. Х АРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ В НУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ КАК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ .. 78 5.4. П РЕОБРАЗОВАНИЕ Л ЕЖАНДРА .............................................................. 80 5.5. Э НТАЛЬПИЯ ......................................................................................... 81 5.6. Э НЕРГИЯ Г ЕЛЬМГОЛЬЦА И ЗОХОРНО - ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ............................................................................................................. 82 5.7. Э НЕРГИЯ Г ИББСА И ЗОБАРНО - ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ........... 83 5.8. З АВИСИМОСТЬ ЭНЕРГИИ Г ИББСА ОТ ЧИСЛА ЧАСТИЦ В СИСТЕМЕ ........ 85 5.9. Б ОЛЬШОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ .................................. 87 5.10. У РАВНЕНИЕ Г ИББСА – Д ЮГЕМА ....................................................... 88 5.11. У РАВНЕНИЯ Г ИББСА – Г ЕЛЬМГОЛЬЦА .............................................. 88 5.12. П РИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ М АГНИТОСТРИКЦИЯ , ЭЛЕКТРОСТРИКЦИЯ , ПЬЕЗОЭФФЕКТ ............ 90 4 5.13. Э ФФЕКТ Д ЖОУЛЯ – Т ОМСОНА О БРАТИМОЕ И НЕОБРАТИМОЕ АДИАБАТНОЕ ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ГАЗА ................................................................... 91 5.13.1. Необратимое расширение газа ............................................ 92 5.13.2. Обратимое адиабатное расширение.................................... 96 5.14. Т ЕРМОДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ......................................................... 97 5.14.1. Закон Кирхгофа ..................................................................... 98 5.14.2. Существование светового давления ................................... 99 5.14.3. Закон Стефана ‒ Больцмана ............................................... 100 5.14.4. Термодинамические функции излучения ......................... 101 6. ТРЕТИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ....................................... 103 6.1. З АДАЧА О ХИМИЧЕСКОМ СРОДСТВЕ С ОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕМЫ Н ЕРНСТА П ОСТУЛАТ П ЛАНКА ............................................................................................... 103 6.2. С ЛЕДСТВИЯ ТЕОРЕМЫ Н ЕРНСТА ........................................................ 106 6.2.1. Поведение термических коэффициентов при стремлении абсолютной температуры к нулю .............................................................. 106 6.2.2. Поведение теплоемкостей c V и c p при стремлении абсолютной температуры к нулю. Вычисление энтропии. Вырождение идеального газа ............................................................................................ 107 6.2.3. Недостижимость абсолютного нуля температуры ............ 108 6.3. С ВЕРХНИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ , ИХ ПОЛУЧЕНИЕ П РИНЦИП НЕДОСТИЖИМОСТИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ...................................... 109 6.4. О ТРИЦАТЕЛЬНЫЕ АБСОЛЮТНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ................................ 112 6.5. Т ЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ...................................................................................................... 114 7. УСЛОВИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ..................................................................................................... 116 7.1. К ЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ .......................... 116 7.2. У СЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ............................ 117 7.3. У СЛОВИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ .............................. 119 7.3.1. Равновесие изолированной системы .................................. 119 7.3.2. Равновесие системы в термостате с постоянным объемом. Принцип максимальной работы ................................................................ 120 7.3.3. Система в термостате с постоянным внешним давлением ................................................................................................ 122 7.3.4. Равновесие в системе с постоянной энтропией и давлением, с постоянной энтропией и объемом .......................................................... 123 7.3.5. Равновесие в системе с переменным числом частиц при постоянном объеме, температуре и химических потенциалах ............... 124 5 7.4. М ЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ........................................................ 125 7.5. У СЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАВНОВЕСИЯ , ВЫРАЖЕННЫЕ ЧЕРЕЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ НЕРАВЕНСТВА ................................................................... 125 7.6. Р АВНОВЕСИЕ В ГОМОГЕННОЙ СИСТЕМЕ ............................................ 127 7.6.1. Условия химического равновесия ....................................... 127 7.6.2. Закон действующих масс ..................................................... 129 7.7. Р АВНОВЕСИЕ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ .......................................... 131 7.7.1. Правило фаз Гиббса .............................................................. 132 7.7.2. Равновесие однокомпонентных систем .............................. 133 7.7.3. Основное уравнение теории равновесия бинарных систем ................................................................................................ 137 7.8. П РАВИЛА К ОНОВАЛОВА ..................................................................... 138 7.9. Д АВЛЕНИЕ ПАРА ИДЕАЛЬНЫХ ЖИДКИХ РАСТВОРОВ .......................... 141 7.9.1. Понятие идеального раствора и его свойства .................... 141 7.9.2. Закон Рауля ............................................................................ 142 7.10. З АКОН Г ЕНРИ ................................................................................. 143 7.11. О СМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ ........................................................... 144 8. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ......................................................... 146 8.1. О БЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ......................... 146 8.2. Ф АЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПЕРВОГО РОДА ................................................. 148 8.2.1. Общие закономерности фазовых переходов 1-го рода ..... 148 8.2.2. Изменение химического потенциала при фазовых переходах первого рода ................................................................................................ 149 8.2.3. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса ................................... 151 8.2.4. Линия плавления. Теплота и энтропия плавления ............ 152 8.2.5. Линия парообразования. Теплота и энтропия парообразования .......................................................................................... 153 8.2.6. Тройная точка ........................................................................ 154 8.3. Т ЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ НОВОЙ ФАЗЫ ............... 155 8.3.1. Диаграмма состояния системы жидкость – пар в координатах p–V. Понятие бинодали и спинодали .................................. 155 8.3.2. Условия термодинамического равновесия капли жидкости со своим насыщенным паром..................................................................... 157 8.3.3. Условие возникновения капельки жидкости в паре .......... 158 8.4. Ф АЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВТОРОГО РОДА ........................................... 160 8.4.1. Общие закономерности фазовых переходов второго рода 160 8.4.2. Уравнение Эренфеста ........................................................... 161 8.4.3. Сверхпроводимость. Формула Рутгерса ............................. 163 8.5. Р АВНОВЕСИЕ В КРИТИЧЕСКОЙ ТОЧКЕ ................................................ 165 6 8.6. З АКОН СООТВЕТСТВЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ........................................... 167 9. ЦИКЛЫ ТЕПЛОСИЛОВЫХ И ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК ......................................................................................................... 170 9.1. Т ЕРМИЧЕСКИЙ КПД ЦИКЛА , ХОЛОДИЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ , КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА .............................................................. 170 9.2. М ЕТОДЫ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛОВ .................................. 173 9.3. Т ЕПЛОСИЛОВЫЕ ПАРОВЫЕ ЦИКЛЫ .................................................... 176 9.3.1. Цикл Карно ............................................................................ 176 9.3.2. Цикл Ренкина ........................................................................ 179 9.3.3. Зависимость величины термического КПД цикла Ренкина от значений параметров водяного пара ..................................................... 184 9.3.4. Цикл с промежуточным перегревом пара .......................... 185 9.3.5. Анализ цикла Ренкина с учетом необратимых потерь ..... 188 9.4. Т ЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ ЦИКЛЫ .......................................................... 190 9.5. Ц ИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ............................................... 193 9.5.1. Цикл Брайтона....................................................................... 193 9.5.2. Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении .................................................................................. 195 9.5.3. Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении с адиабатным сжатием в компрессоре ................ 195 9.5.4. Сравнение эффективности циклов газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении для случаев изотермического и адиабатного сжатия .................................................... 196 9.5.5. Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении с регенерацией тепла ............................................ 197 9.5.6. Газотурбинная установка, работающая по замкнутому циклу ................................................................................................ 198 9.6. Б ИНАРНЫЕ ЦИКЛЫ ............................................................................... 199 9.7. Ц ИКЛЫ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК ..................................................... 202 9.8. Ц ИКЛ МГД- УСТАНОВОК ...................................................................... 204 9.9. Ц ИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК ..................................................... 212 9.9.1. Цикл воздушной холодильной установки .................................... 215 9.9.2. Цикл парокомпрессионной холодильной установки .......... 218 9.9.3. Пароэжекторная холодильная установка .............................. 220 9.9.4. Абсорбционная холодильная установка ............................... 222 9.9.5. Цикл термоэлектрической холодильной установки ............ 224 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................... 226 7 ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина введена в рабочие планы специальностей кафедры технической физики со дня ее основания в 1949 г. В 1972 г. доцентом Г.П. Николаевым подготовлен вариант лекций с использованием многих монографий, учебников и литературных источников, явившийся основой для данного учебного пособия. В 1982 г. к постоянному чтению лекций приступил доцент А.Э. Лойко, дополнивший разделы курса. Авторами учебного пособия издан обширный методический материал: пособия к практическим занятиям; создан мультимедийный учебно- методичекий комплекс «ТЕРМОДИНАМИКА»; подготовлены и внедрены в учебный процесс контролирующе-обучающие и контролирующие компьютерные программы. Наличие изданного учебного пособия у каждого студента позволяет существенно интенсифицировать учебный процесс, улучшить обратную связь студент – педагог, внедрить новые более совершенные методы обучения. 8 |