Технічна термодинаміка

Тепловий рух — безладний (хаотичний) рух мікрочастинок (молекул, атомів тощо), з яких складаються всі тіла.

Передача енергії в результаті обміну хаотичним, ненаправленим рухом мікрочастинок називається теплообміном, а кількість переданої при цьому енергії — кількістю теплоти, теплотою процесу або просто теплотою.

Вивчаючи поведінку речовин (об'єктів), що беруть участь у процесах з обміном енергією, термодинаміка виділяє їх із сукупності навколишніх тіл. Звідси випливає таке важливе поняття як термодинамічна система.

Термодинамічною системою називається сукупність макроскопічних тіл, що обмінюються енергією між собою і навколишнім середовищем (всіма іншими тілами, які не ввійшли в термодинамічну систему). Вона має межі, що відокремлюють її від навколишнього середовища, і можуть бути як реальними (газ у резервуарі, межа розділу фаз), так і чисто умовними у вигляді контрольної поверхні.

Головним тілом термодинамічної системи з точки зору технічної термодинаміки є робоче тіло — газоподібна або рідка речовина, за допомогою якої відбувається перетворення будь-якої енергії для одержання механічної роботи (у двигунах), холоду (в холодильних машинах), теплоти (у теплових насосах).

Термодинамічна система, між будь-якими частинами якої відсутні поверхні розділу, називається гомогенною. Якщо ж вона складається з окремих частин, розмежованих поверхнями розділу, — гетерогенною, однорідна частина якої називається фазою.

Термодинамічна система може енергетично взаємодіяти з навколишнім середовищем і з іншими системами, а також обмінюватися з ними речовиною.

Залежно від умов взаємодії з іншими системами розрізняють:

• відкриту систему — за наявності обміну енергією та речовиною з іншими системами;
• закриту систему — за відсутності обміну речовиною з іншими системами;
• адіабатну систему — за відсутності обміну теплотою з іншими системами;
• ізольовану систему — за відсутності обміну енергією й речовиною з іншими системами.

Розрізняють рівноважний і нерівноважний стани термодинамічної системи. Рівноважним термодинамічним станом називають стан тіла чи системи, що не змінюється в часі без зовнішнього енергетичного впливу. При цьому зникають усякі макроскопічні зміни (дифузія, теплообмін, хімічні реакції), хоча тепловий (мікроскопічний) рух молекул не припиняється. Стан термодинамічної системи, при якому у всіх її частинах температура однакова, називають ізотермічним рівноважним станом.

Ізольована термодинамічна система незалежно від свого початкового стану із часом завжди приходить у стан рівноваги, з якого ніколи не може вийти самовільно.

Стан термодинамічної системи, при якому значення параметрів у всіх її частинах лишаються незмінними в часі називається стаціонарним. Якщо значення параметрів змінюються в часі, то стан термодинамічної системи називається нестаціонарним.

Параметри стану термодинамічної системи — фізичні величини, що однозначно характеризують стан термодинамічної системи і не залежні від її передісторії.

Основні термодинамічні параметри стану системи, що характеризують макроскопічний стан тіл: тиск (p), температура T і питомий об'єм (v).

Будь-яка зміна параметрів стану є причиною (умовою) виникнення (наявності) термодинамічних процесів.

Термодинамічний процес — послідовна зміна станів робочого тіла, що відбувається в результаті його енергетичної взаємодії з навколишнім середовищем, яка характеризується обов'язковою зміною хоча б одного термодинамічного параметра стану.

Розрізняють рівноважний процес, якщо в системі в кожен момент часу встигає установитися рівноважний стан (тобто процес, який протікає вкрай повільно), і процес нерівноважний, якщо він протікає з кінцевою швидкістю і викликає появу кінцевих різниць тисків, температур, густини і т. д.

Основні термодинамічні параметри стану p, v і T системи, що перебуває в термодинамічній рівновазі, пов'язані між собою, причому число незалежних параметрів стану системи завжди дорівнює числу її термодинамічних ступенів свободи:

${\displaystyle p=f_{1}(v,T);v=f_{2}(p,T);T=f_{3}(p,v).}$

Якщо зовнішні умови, у яких перебуває термодинамічна система змінюються, то змінюється і стан системи.

Таким чином, рівноважний стан термодинамічної системи повністю визначається значеннями двох незалежних змінних. У цьому випадку термодинамічна система називається простою системою або простим тілом. До простих тіл відносяться гази, пари, рідини і багато твердих тіл, що перебувають у термодинамічній рівновазі. При вивченні термодинамічних процесів основний інтерес для технічної термодинаміки викликають так звані замкнуті (колові) процеси, у яких система після проходження низки послідовних станів, повертається до початкового. Такий процес називають термодинамічним циклом.