Техническая термодинамика ( и теплопередача)

В.С. Соловьев

Термодинамикма и теплопередача

(конспект лекций для специальности ТНГ, ГМ)

СПГГИ (ТУ) каф. ГТМ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА (и теплопередача)

1.1. Что такое термодинамика?

Весьма затруднительно однозначно и исчерпывающе определить границы любой науки и строго выделить ее среди других наук. Это в полной мере относится к термодинамике, которая с одной стороны, возникла и развивалась для удовлетворения технических нужд, а с другой - основывается на фундаментальных физических законах.

Термодинамика возникла из исследований тепловых явлений, но в ходе своего развития уже давно вышла за рамки учения о тепле. Скорее всего, термодинамику можно определить как общее учение об энергии.

Энергия это единая мера различных форм движения. Энергия - скалярная величина. Известным формам движения соответствуют следующие виды энергии: механическая, внутренняя, электромагнитная, химическая, ядерная и др.

Возможны два качественно различных способа передачи движения и соответствующей этому движению энергии от одного макроскопического тела к другому:

· путем совершения работы;

· путем теплообмена.

Под процессом совершения работы понимается взаимодействие какого-либо тела с другими телами, в результате которого изменяется механическое движение тела или его положение в пространстве. Например, процессы соударения тел и их торможение вследствие явления трения. Под процессом теплообмена понимается любой процесс обмена энергией между телами, в результате которого изменяется температура взаимодействующих тел.

Термодинамика как общее учение об энергии является фундаментальной общеинженерной наукой и является основой энергетики. Но процессы преобразования и передачи энергии весьма важны и в других областях техники. Так для физиков и химиков большое значение имеют общие положения термодинамики о свойствах веществ в их различных агрегатных состояниях и о превращениях веществ в химических реакциях. Здесь термодинамика как основа физической химии устанавливает общие соотношения между макроскопическими свойствами (характеристиками, параметрами состояния) чистых веществ и смесей в их равновесных состояниях. Поэтому термодинамику можно определить и как общее учение о равновесных состояниях физических систем.

Характерным для обоих аспектов термодинамики (учений об энергии, т.е. формах движения, и о равновесии, т.е. равновесных состояниях физических систем) - является общность положений, не связанных с какими-либо представлениями о внутреннем строении взаимодействующих тел и характере движения составляющих их частиц. То есть, термодинамика оперирует макроскопическими характеристиками объектов и основывается на нескольких экспериментально установленных положениях - законах (началах) термодинамики. Такая термодинамика называется классической или феноменологической и отличается от статистической термодинамики. Статистическая термодинамика основывается на кинетической теории газа, развитию которой способствовали труды Больцмана и Гиббса. Больцман Людвиг (1844-1906) был профессором в Граце, Мюнхене, Вене, Лейпциге. Он теоретически обосновал, исходя из теории света Максвелла и положений термодинамики, закон излучения, полученный опытным путем Стефаном. Используя статистический метод, Больцман установил основополагающую связь между энтропией и «термодинамической вероятностью» состояния.

Гиббс Джозайн Виллард (1839-1903) провел всю свою жизнь, за исключением трех студенческих лет (Париж, Берлин и Гейдельберг), в Нью-Хейвене (штат Коннектикут, США) в университете, где учился и с 1871 г. был профессором математической физики. Он жил замкнуто в доме своей сестры и остался неженатым. Его основные термодинамические исследования изложены в работе «О равновесии гетерогенных веществ» (1876), которая вначале оставалась незамеченной, так как была опубликована в малораспространенном журнале. Гиббс написал также значительный труд по статистической механике, который стал основополагающим для современной квантовой статистики.