Учебное пособие для студентов направления подготовки



страница1/7
Дата29.10.2016
Размер1,79 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7



А. С. Яржемский

Теплофизика,

Автоматизация,

Экология
Учебное пособие


Владикавказ 2014

Министерство образования и науки рф
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Северо-Кавказский горно-металлургический институт

(государственный технологический университет)»

А. С. Яржемский



Теплофизика,

Автоматизация,

Экология
Учебное пособие

для студентов направления подготовки

150400 «Металлургия» (бакалавриат)

Допущено


редакционно-издательским советом

Северо-Кавказского горно-металлургического института

(государственного технологического университета).

Протокол № 26 от 17.12.2013 г.

Владикавказ 2014

УДК 621.1:681.5+144.577

ББК 31.3

Я72
Рецензент:

Доктор технических наук, профессор СКГМИ (ГТУ)

Хадзарагова Е. А.
Я72 Яржемский А. С.

Теплофизика, автоматизация, экология: Учебное пособие / Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2014. – 150 с.


Учебное пособие предназначено для студентов 1-го курса направления подготовки 150400 – «Металлургия» (бакалавриат) и может быть полезно при изучении дисциплины «Введение в металлургию», в дальнейшем – при выборе профиля подготовки. В пособии рассматриваются основные вопросы теплофизики как научно-технического направления, основы и принципы автоматизации, начала экологических проблем металлургического производства. Рассматриваются вопросы организации учебного процесса и требования, предъявляемые к специалисту с высшим техническим образованием.

УДК 621.1:681.5+144.574

ББК 31.3
Редактор: Иванченко Н. К

Компьютерная верстка: Куликова М. П.

 ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский

горно-металлургический институт

(государственный технологический

университет)», 2014

 Яржемский А. С., 2014

Подписано в печать 4.03.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 8,72. Тираж 45 экз. Заказ № .

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Издательство «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Что ты должен знать и уметь бакалавр
Бакалавр – первая степень, присваемая студенту, изучившему целый ряд гуманитарных и технических наук и защитившему выпускную работу.

Бакалавр проходит подготовку по определенному направлению. В данном случае речь идет о направлении «Металлургия», в которое входят несколько профилей, в том числе «Металлургия цветных металлов» и «Теплофизика, автоматизация и экология». После второго семестра каждый студент может выбрать для себя профиль подготовки и получать уже конкретную подготовку по тому или иному профилю.

Здесь мы будем рассматривать только один профиль – «Теплофизика, автоматизация и экология». Познакомимся с его особенностями, перечнем дисциплин и перспективами дальнейшей трудовой деятельности. Но прежде чем перейти к их рассмотрению, необходимо познакомиться с требованиями, которые предъявляются к специалисту с высшим техническим образованием.

Подготовка бакалавра проходит таким образом, что на основании изучения профильных и специальных дисциплин он может оценить эффективность технологических процессов с точки зрения эффективности используемой энергии и уменьшения ее потерь в окружающую среду. Бакалавр изучает теоретически и на практике способы получения и применения тепловой энергии, методы ее рационального использования. Значительное место в изучении специальных дисциплин принадлежит автоматизации технологических процессов. Здесь рассматриваются приборы и методы контроля, регулирования и управления различными технологическими процессами и агрегатами, возможности применения информационных технологий.

Уровень подготовки и объем знаний, полученный за время обучения, позволяет работать непосредственно на производстве, в научных, конструкторских и проектных организациях.

Бакалавр должен быть подготовлен к активной творческой профессиональной деятельности, уметь оценивать события общественной жизни, место и роль в ней своей профессиональной деятельности, уметь аргументировано отстаивать свою точку зрения. Он должен иметь навыки коллективной и социальной деятельности, работы с людьми, уметь принимать профессиональные решения с учетом их социальных последствий и требований этики.

Бакалавр должен свободно владеть письменным и устным русским языком, знать основы отечественной и мировой культуры, в совершенстве овладеть специальной терминологией общеобразовательных и специальных дисциплин.

Объектом профессиональной деятельности бакалавра в области теплофизики, автоматизации и экологии являются различные промышленные тепловые агрегаты и производства.



Цель деятельности – изучение и разработка экономичных способов получения и использования тепловой энергии, применение для этой цели средств автоматизации и информационных технологий, определение и создание условий для повышения экологичности производства.

Бакалавр должен владеть совокупностью следующих видов деятельности:

- системный анализ технологических агрегатов и производств как объектов теплогенерации и теплопотребления;

- анализ способов получения тепловой энергии и ее использования в производстве;

- определение возможности снижения потерь тепла в атмосферу производственного помещения;

- определение методов защиты производственного персонала от воздействия тепла;

- определение экономичных способов сжигания топлива или использования электрической энергии;

- разработка систем автоматизации для управления тепловыми режимами производственных агрегатов;

- использование компьютерных технологий для расчетов тепловых процессов и управления ими;

- разработка мероприятий по увеличению экологической безопасности производственных помещений и созданию комфортных условий для производственного персонала.

Приведенный перечень показывает, насколько разнообразна работа специалиста по теплофизике, автоматизации и экологии. Невольно возникает вопрос: «А может ли один человек овладеть таким объемом знаний и сколько этому надо учиться?» Ответ прост: может, но учиться этому надо всю жизнь или по крайней мере весь период работы. Ведь университет закладывает фундамент знаний, учит логически мыслить категориями специалиста, работать с книгой и брать оттуда необходимое, критически относиться к прочитанному. А для этого нужны знания, знания и еще раз знания, причем в самых различных областях.

Что же должен уметь специалист, какие задачи он должен решать в процессе своей деятельности? Определим их:



  • Анализ промышленных печей по используемой тепловой энергии;

  • Определение способов получения тепловой энергии и закономерностей теплопередачи;

  • Выбор и обоснование методов оптимального использования тепловой энергии;

  • Предложения по рациональному использованию источников тепловой энергии (топливо или электрическая);

  • Выбор и обоснование методов вторичного использования тепловой энергии;

  • Определение и классификация вредных выбросов отходов производства (технологическая пыль, газы, сточные воды);

  • Выбор и обоснование методов утилизации вредных выбросов;

  • Разработка способов утилизации;

  • Использование средств автоматизации для предотвращения несанкционированных вредных выбросов;

  • Расчет тепловых процессов в промышленном производстве с целью оптимизации потерь;

  • Моделирование тепловых процессов и исследование их с помощью информационных технологий;

  • Расчет тепловых агрегатов для условий рационального использования тепловой энергии и энергосбережения;

  • Выбор и обоснование показателей качества газо- и водоочистных сооружений;

  • Выбор и обоснование выбора очистных аппаратов и установок для конкретного технологического процесса;

  • Определение возможности автоматизации процессов очистки газов и сточных вод;

  • Выбор и обоснование методов и средств контроля и автоматизации технологических процессов, агрегатов, аппаратов и установок для очистки газов и сточных вод;

  • Разработка технико-экономического обоснования принятых решений.

Посмотрим, как же связаны между собой приведенные выше задачи.

Любое металлургическое производство характеризуется целым рядом технологических процессов, каждый из которых имеет свою специфику. Здесь могут быть процессы, которые проходят с использованием высоких температур, значительных давлений и в вакууме, в жидком виде – гидрометаллургические процессы, – в электрическом и магнитном полях и т. д. Характеристики металлургических процессов разнообразны, как разнообразны и агрегаты и установки, в которых они проводятся. Например, производство цинка включает в себя тепловые процессы (обжиг цинкового концентрата) и проходящие в жидкой фазе (выщелачивание и электролиз). Каждый из этих процессов характеризуется целым рядом присущих ему параметров. Эти параметры должны находиться в определенном соотношении для обеспечения нормального течения процесса.

Разберем пример подробнее.

Концентрат обжигают. Что это значит? А вот что: его нагревают до высокой, порядка 950 С, температуры, и он начинает гореть сам. Почему? Ответ прост. Концентрат содержит серу, которая при высокой температуре начинает гореть, т. е. окисляться. Но при такой температуре окисляется и цинк, причем тоже с образованием оксида. Происходит химическая реакция:


2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
Как видно, основой любого технологического процесса в металлургии является химическая реакция, в данном случае окисления. В результате этой реакции образуются два продукта – оксид цинка и диоксид серы. Оксид цинка идет на дальнейшую переработку, а оксид серы, по сути, является отходом основного производства. Когда-то так и было. Ведь диоксид серы – газ, и его через трубу выбрасывали в атмосферу. Потом его стали утилизировать – производить серную кислоту.

Но этим дело не кончается. Печь для обжига цинкового концентрата имеет неплотности, через которые продукты реакции, а именно газ, может поступать в производственное помещение и загрязнять атмосферу цеха. Как избежать этого? Посмотрите на химическую реакцию, приведенную выше. Мы знаем, что для протекания реакции вправо необходимо из реакционного пространства удалять по мере образования продукты реакции. Другими словами, необходимо создать в печи такие условия, чтобы диоксид серы выводился из печи. Для этого в печи обеспечивается так называемый тяговый режим, при котором давление в печи превышает давление в газоходе. Такой режим создается с помощью специальных устройств – дымососов.

Надо иметь в виду, что печь вертикальная, т. е. ее высота значительно больше, чем диаметр. Тяговый режим печи характерен тем, что в самом верху печи давление газов несколько ниже давления непосредственно в реакционной зоне, или, как принято говорить, создается разрежение под сводом печи.

С другой стороны, если создать большое разрежение, то вместе с газом будет уноситься огарок (твердый продукт реакции ZnO) и необожженный концентрат. Следовательно, величину разрежения под сводом печи необходимо все время контролировать и поддерживать в заданных пределах.

Процесс, который мы рассматриваем, является экзотермическим, т. е. реакция идет с выделением тепла. Выделяемого тепла не только достаточно для прохождения реакции, но еще и остается. Лишнее тепло необходимо утилизировать, ибо оно может так «разогреть» печь, что она разрушится. Кроме того, из-за большого излишка тепла может нарушиться ход процесса. А перегрев печи приведет к дополнительному выделению тепла в атмосферу цеха, что отрицательно повлияет на условия работы производственного персонала.

Подобные нарушения происходят крайне редко. Процессом научились управлять, но это уже другой разговор.

Из приведенного примера видно, что в нем присутствуют три составляющие профиля «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей». Судите сами: теплофизика – способ получения и передачи тепла; автоматизация – контроль и управление процессом с помощью автоматических устройств; экология – контроль за атмосферой цеха и создание условий ее улучшения.

Для успешной работы в этом направлении специалист должен хорошо владеть математическим аппаратом, знать законы химических и физических явлений, механику, электротехнику и электронику, целый ряд специальных дисциплин. Главное, что должен уметь специалист – это работать с книгой.


Лекция. Конспект. Книга
Прежде чем стать специалистом, студент должен овладеть определенным объемом знаний, предусмотренным государственным образовательным стандартом специальности. В учебном плане по каждой дисциплине предполагается проведение лекций, практических занятий и лабораторных работ. Эти виды занятий по конкретной дисциплине могут быть как в полном объеме, так и частично. Например, могут быть только лекции, лекции и практические занятия, или все три вида.

Лекции являются основным видом занятий, во время которых студента знакомят с теоретическим материалом изучаемой дисциплины. Естественно, за время, отведенное на чтение лекций, преподаватель не может дать весь объем знаний по данному предмету. Поэтому необходимо самостоятельное изучение предмета с использованием рекомендуемой преподавателем литературы. Часто возникает необходимость в дополнительной литературе по интересующему вопросу. Для этого необходимо уметь пользоваться библиотекой, точнее библиотечным каталогом, позволяющим быстро сориентироваться и найти нужную книгу. Здесь незаменимую помощь всегда окажут работники библиотеки.

Часто возникает необходимость составить конспект прочитанного, который должен отражать основные положения книги и содержать необходимые сведения по интересующему вопросу.

Гораздо сложнее вести конспект лекций. Здесь требуется постоянное внимание слушателя, чтобы следить за логикой изложения материала, умение выделить наиболее существенное и записать его. При этом запись лекции в своей последовательности должна быть логичной, приводимые графики и схемы должны пояснять материал, органически входить в него.

Нет смысла записывать каждое слово – гонка за лектором даст отрицательный результат. Механическая запись не позволит понять логику предмета, не даст возможности разобраться в излагаемом материале. Кроме того, имеется рекомендуемая литература, в которой можно подробно и глубже изучить материал. Поэтому конспект лекции должен содержать основные тезисы (вехи) материала, по которым можно работать с литературой.

Обычно в конспект лекции заносят название темы и ее разделов, основные сведения по теме, графики, схемы с пояснениями или описаниями. Обязательно надо записывать уравнения с пояснениями величин, в них входящих. Это важно, т. к. одной и той же буквой могут обозначаться различные величины.

Как правило, наиболее важные, узловые места темы лектор выделяет тонально или прямо говорит об этом. Поэтому важно следить за тоном лектора, обращать внимание на темп изложения материала. Это позволяет определить и записать главное, без чего невозможно понимание излагаемого материала.

Для более полного понимания и усвоения теоретических положений используются практические и лабораторные занятия. На них студенты знакомятся с основными аспектами применения теоретических положений на практике и опытным путем получают подтверждение теоретических законов. Эти виды занятий очень важны, занимают значительное место в учебном процессе и к ним необходимо относиться самым серьезным образом.

Частью освоения теоретического материала и практического его закрепления являются курсовой проект или курсовая работа. Эта часть, как правило, выполняется после завершения теоретического изучения конкретной дисциплины. При выполнении курсового проекта студент под руководством преподавателя выполняет согласно полученного задания необходимые расчеты и графическую часть. Объем и содержание разделов курсового проекта определяются заданием. Курсовая работа отличается отсутствием графической части. Объем и содержание курсовой работы также определяется заданием. При выполнении курсового проекта или работы студент пользуется методическими разработками и рекомендованной литературой.
Контрольные мероприятия
Весь период обучения разбивается на учебные годы. Учебный год делится на два семестра, каждый из которых заканчивается зачетно-экзаменационной сессией. По действующему положению каждый студент должен сдать все предусмотренные рабочим планом специальности зачеты и экзамены. Эти мероприятия проводятся в специально отведенное время. Зачеты, как правило, сдаются в течение недели, предшествующей первому экзамену. На подготовку к каждому экзамену дается три – четыре дня.

Внутри каждого семестра проводятся текущие контрольные мероприятия – рейтинг-контроли. Таких мероприятий в течение семестра бывает два. Условно каждая изучаемая дисциплина делится на два модуля. Внутри модуля осуществляется текущий контроль, который складывается из посещаемости занятий, выполнения лабораторных работ, типовых расчетов и т. п., и рубежный контроль. Все контрольные мероприятия, в том числе и рубежный контроль, проводятся в письменном виде. По каждой изучаемой дисциплине в течение семестра студент может набрать до 100 баллов, т. е. в каждом рейтинге он может заработать по 50 баллов. Запомните эти цифры!

Что дает студенту рейтинг-контроль? Многое. Во-первых, появляется стимул для систематических занятий. Во-вторых, всегда легче разобраться с частью материала (половина изучаемой дисциплины), чем со всем материалом изучаемой дисциплины. В-третьих, студент, имеющий по итогам всех рейтингов более 50 баллов, получает право на экзаменационную оценку или зачет без сдачи экзамена или зачета, так называемый «автомат». Если студент набрал за семестр 50–64 балла, то он может рассчитывать на заветную для некоторых «троечку». При попадании в интервал 65–84, четверка гарантирована. Ну, а те студенты, которые набрали 85 и более баллов получат свою пятерку – всем бы так!

Но это еще не все. Три балла так мало, на них даже стипендии не заработаешь. То ли дело четыре и пять – вот она, желанная стипендия. Ну, а если все пятерки, то светит повышенная, правда после второго семестра, стипендия. Но все равно приятно. Смотришь, в конце обучения получился «красный» диплом.

Все перечисленные мероприятия направлены на одно: способствовать глубокому усвоению материала по конкретной дисциплине и научить применять практически полученные знания.
Три в одном, или почему они вместе
Теплофизика, автоматизация и экология… Казалось бы, что эти три составляющие не имеют касательства друг к другу. Однако вернемся к рассмотренному выше примеру. Печь: тепло есть, автоматизация необходима для управления, экология должна соблюдаться. Таким образом, нет ничего удивительного, что эти направления составили одно целое. Каждая из составляющих дополняет другую, а в результате оптимизирует процесс.

В недалеком прошлом, примерно до середины прошлого столетия, каждая пущенная домна, каждая металлургическая печь вызывала восторг и гордость строителей, монтажников и, конечно, металлургов. Все металлургические предприятия характеризовались высокими трубами и густыми дымами из них. И тогда мало кто считал, что в трубу вылетают значительные средства, складывающиеся из пыли (мелких частиц ценного компонента), тепла и газа (чаще всего вредного для человека).

Шло время, и люди все чаще стали задумываться над тем, как не только получить тепло, но как сохранить его и использовать с пользой для себя.

Значительная часть металлургических процессов велась почти «на глазок», то есть вести, допустим плавку стали в мартеновской печь мог не каждый сталевар. Нужен был большой опыт. А что делать, если требовалось значительное увеличение выпуска стали, а опытных сталеваров не хватало? Выход один: процесс сталеварения необходимо автоматизировать, т.е. вести его с помощью технических средств автоматизации. Так было во всей металлургии – и в черной, и в цветной.

Дымы над городом… В кино или на снимках смотрится впечатляюще. Работают заводы, дают стране металл. А по воздуху стелется дым и попадает на рядом лежащий город. В то время, когда строились металлургические заводы, рядом вырастали поселки металлургов, которые в большинстве своем переросли в города. Другими словами, практически каждое металлургическое предприятие является градообразующим. А в городах люди, жилые дома, школы, детские сады и другие неметаллургические предприятия. А в них люди, взрослые и дети. И все они подвержены воздействию этих самых дымов, которые несут в себе всевозможные беды. Вот и пришла на помощь экология – то есть борьба за чистоту атмосферы как населенного пункта, так и самого завода.

Надеюсь, что теперь стало понятно, почему эти три направления стоят вместе. Они дополняют друг друга. Совместное их применение дает большую выгоду. В этом вы убедитесь дальше. Пока верьте на слово.

Однако каждая из составляющих имеет свои особенности, которые также необходимо знать, ибо каждая имеет самостоятельное значение в ряду научных и производственных направлений. Ниже мы познакомимся с каждой составляющей данного направления – «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей». В таком порядке и будем знакомиться с каждой составляющей. Итак
Теплофизика. Что это такое?..
По классическому определению «Теплофизика – совокупность дисциплин, представляющих теоретические основы энергетики. Включает термодинамику, тепломассообмен, методы экспериментального и теоретического исследования равновесных и неравновесных свойств веществ и тепловых процессов».

Теплофизика включает в себя, исходя из определения, разделы:

- теплота, виды теплообмена;

- теплопередача;

- основы термодинамики;

- тепломассообмен;

- законы термодинамики и термодинамические параметры систем;

- теплообмен излучением;

- решение обратных задач теплопроводности для элементов конструкций простой геометрической формы;

- тепловые двигатели;

- второй закон термодинамики;

- термодинамика воды и водяного пара;

- теплопроводность через сферическую оболочку.

Как видно, в теплофизике рассматривается достаточно большой ряд дисциплин, каждая из которых представляет собой отдельное самостоятельное направление и в то же время дополняют друг друга. В дальнейшем вы детально изучите каждую из них. Здесь же наша задача – познакомиться с ними, чтобы иметь представление о каждой из них.



Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов ее использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники.

Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое.

При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом – теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств). Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты.



Термодинамика – наука, изучающая внутреннее состояние макроскопических тел в равновесии. По другому определению, термодинамика – наука, занимающаяся изучением законов взаимопреобразования и передачи энергии.

Подчеркнём, что термодинамика – это феноменологическая (описательная) теория макроскопических тел. Термодинамика ничего не знает про атомы и молекулы. Поэтому в рамках термодинамического подхода выражение для энтропии ниоткуда не выводится и сама энтропия никак не истолковывается. Теория, опирающаяся молекулярное строение вещества, называется статистической физикой. Она, действительно, дает более глубокое обоснование термодинамики некоторых систем. Однако термодинамический подход сам по себе есть нечто, совершенно не требующее статистической физики.



Техническая термодинамика рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях. Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики:

- I закон термодинамики – закон превращения и сохранения энергии;

- II закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц.

Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т. п.

Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что находится вне системы называется окружающей средой. Термодинамическая система – это совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией друг с другом и окружающей средой.

Изолированная система – термодинамическая система, не взаимодействующая с окружающей средой.

Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой.

Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел – газ, пар.

Величины, которые характеризуют физическое состояние тела, называются термодинамическими параметрами состояния.

Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т. д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – удельным объемом (V), температурой (Т), давлением (Р).



Параметры состояния – физические величины, однозначно характеризующие состояние термодинамической системы и не зависящие от предыстории системы.

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого.

Давление определяют как абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуум.



Температура пропорциональна кинетической энергии частиц рабочего тела. Чем ниже температура, тем меньше кинетическая энергия.

Рабочее тело — газообразное, жидкое или плазменное вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой-либо энергии при получении механической работы, холода, теплоты.

Состояние термодинамической системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние изолированной термодинамической системы характеризуется постоянством по всему объему, занимаемому системой, таких параметров, как давление (механическое равновесие) и температура (термическое равновесие). В неизолированной системе равновесное состояние однозначно определяется внешними условиями, т. е. давлением и температурой внешней среды. В равновесных термодинамических системах отсутствуют стационарные потоки, например, теплоты и вещества. Всякая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние, которое остается затем неизменным, пока система не будет выведена из него внешним воздействием.

Параметры системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, связаны между собой, причем число независимых параметров состояния системы всегда равно числу ее термодинамических степеней свободы.

Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаны между собой определенным математическим уравнением, которое называется уравнением состояния.



Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, V и Т и все другие физические свойства одинаковы.

Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое называется термодинамическим процессом. Термодинамические процессы бывают равновесные и неравновесные. Если процесс проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы являются неравновесными.

Если при любом термодинамическом процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т. д.

Интенсивные параметры – это параметры, не зависящие от массы системы (давление, температура).

Аддитивные (экстенсивные) параметры – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (объем, энергия, энтропия и т. д.).

Термодинамика опирается на фундаментальные законы, которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях. Первым началом термодинамики для изолированной системы является закон сохранения и превращения энергии; второе начало термодинамики характеризует направление процессов обмена энергией, протекающих в природе; и в качестве третьего начала термодинамики принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.

Прогресс развития отечественной теплоэнергетики, являющейся базой развития всех отраслей народного хозяйства, в том числе металлургии, промышленности строительных материалов и изделий, возможен только на основе широкого развития научной базы теплотехники, теоретическим фундаментом которой служат техническая термодинамика и теория теплообмена.

Наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств, называется теплотехникой. В развитии теплотехники и ее теоретических основ большая заслуга принадлежит русским ученым, инженерам и изобретателям. Научные представления в области теории теплоты были впервые обоснованы в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым, который своими теоретическими исследованиями и экспериментальными работами создал основы молекулярно-кинетической теории вещества и установил взаимосвязь между тепловой и механической энергией как одну из форм проявления открытого им всеобщего закона сохранения и превращения энергии.

Д. И. Менделеев провел фундаментальные работы по общей теории теплоемкостей, впервые научно обосновал проблему подземной газификации топлива и установил существование для каждого вещества критической температуры, выше которой газ не может быть превращен в жидкость, какое бы высокое давление к нему ни было приложено. К. Э. Циолковский, К. В. Кирш, А. А. Радциг, В. И. Гриневецкий и другие русские ученые своими научными трудами и инженерными разработками в конце XIX и начале XX столетия создали основы научного проектирования ряда тепловых агрегатов (котлы, тепловые двигатели, ракеты и др.). Однако энергетика дореволюционной России, находившаяся, как и ряд других отраслей промышленности, в кабальной зависимости от иностранного капитала, отставала по уровню своего развития, и многие предложения и изобретения русских ученых не были реализованы.

Октябрьская социалистическая революция коренным образом изменила условия развития энергетики в нашей стране. Уже в первые годы Советской власти по указанию В. И. Ленина был разработан Государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО), по которому предусматривалось за 10–15 лет построить 30 новых районных электростанций и довести выработку электроэнергии в стране до 8,8 млрд. кВт-ч в год. К 1935 г. план ГОЭЛРО был значительно перевыполнен, в 1961 г. выработка электроэнергии в СССР составила 327 млрд кВт-ч, в 1974 г. – 975, в 1980 г. – 1294 млрд кВт-ч. По энерговооруженности СССР занимал первое место в Европе и второе в мире.

Для установления наиболее рациональных способов использования теплоты, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок, умелого комбинирования этих процессов и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима глубокая разработка теоретических основ теплотехники. Без этого невозможно было бы создавать мощные паро- и газотурбинные установки с высокими начальными параметрами пара и газа, реактивные двигатели, межконтинентальные баллистические ракеты и другие виды сложнейших тепловых установок.

Современная энергетика основана главным образом на трансформации теплоты в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Необходимую для этих целей теплоту получают путем сжигания топлива в топках паровых котлов или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

В металлургии при производстве различных металлов и сплавов теплота в основном используется для технических целей. При этом работа плавильных, сушильных, обжиговых и других тепловых установок также полностью определяется законами теплотехники.
А теперь подробнее…
Термодинамическим процессом (или просто процессом) называют переход системы из одного состояния в другое в результате ее взаимодействия с окружающей средой. Если процесс происходит со скоростью значительно меньшей скорости релаксации (самопроизвольного затухания), то на любом его этапе значения всех интенсивных макропараметров системы будут успевать выравниваться. Полученный процесс представит собой непрерывную последовательность бесконечно близких друг другу равновесных состояний. Такие процессы называют квазистатистическими или равновесными. Равновесные процессы допускают графическое изображение в пространстве и на плоскостях параметров состояния. Равновесный процесс может идти как в направлении возрастания, так и убывания любого из параметров состояния, т. е. как в одном, так и в противоположном направлении. При этом система каждый раз будет проходить через те же состояния, но в обратном порядке. Поэтому равновесные процессы являются обратимыми.

Рассмотрим обратимый процесс с закрытой термомеханической системой. Мы уже знаем, что взаимодействие такой системы с окружающей средой состоит в обмене теплотой и работой. Элементарное количество энергетического воздействия dz*, приходящееся на каждую степень свободы, в механике выражают в виде произведения соответствующей обобщенной силы у на элементарное приращение сопряженной с ней обобщенной координаты х



dz* = ydx. (1)
Под обобщенной силой понимают параметр, который по физическому смыслу является движущей силой рассматриваемого воздействия.

Обобщенная координата – параметр, который изменяется только при воздействии данного вида. Если рассматриваемое воздействие отсутствует, то изменение соответствующей обобщенной координаты равно нулю. Таким образом, изменение обобщенной координаты отражает меру воздействия рассматриваемого вида.

При обмене энергией в форме теплоты (теплообмен) обобщенной силой является абсолютная температура, а обобщенной координатой – физическая величина, называемая энтропией S. Таким образом, для элементарной удельной теплоты имеем выражение
dq = Tds, (2)
где s = S/M – удельная энтропия, Дж/кг ∙ К.

Положительная работа совершается при расширении системы. При сжатии системы работа отрицательна.

Отсутствие каких-либо остаточных изменений в системе и в окружающей среде при возвращении системы в исходное состояние является отличительным свойством обратимого процесса.

Процесс, не обладающий этим свойством, называется необратимым. Если система совершила необратимый процесс, то ее возвращение в исходное состояние требует дополнительных энергозатрат со стороны окружающей среды.

Все реальные процессы вследствие трения, теплообмена при конечной разности температур и ограниченности времени их протекания необратимы. Понятие обратимого процесса возникло вследствие идеализации реальных необратимых процессов.

Фундаментальными процессами, изучаемыми классической равновесной термодинамикой, являются:

- изотермный (Т = const), когда система находится в контакте с источником теплоты с постоянной температурой;

- изоэнтропный (S = const) или адиабатный, при котором система абсолютно не имеет контакта с окружающей средой.



Внутренняя энергия системы включает в себя энергию теплового движения составляющих ее молекул и потенциальную энергию их взаимодействия.

Энтальпия – тепловая функция, введенная Камерлинг-Оннесом по выражению


H = U + pV, (3)
где H – энтальпия, Дж;

U – внутренняя энергия, Дж;

Р – давление, Па;

V – объем, м3.
Энтропия как функция возникла в ходе теоретического поиска наиболее благоприятных условий превращения теплоты в работу в тепловых процессах (в основном в двигателях), т. е. при решении сугубо прикладных задач.
И снова законы…
Любая наука зиждется на определенных законах, которые возникли не сами по себе или не были выдуманы в тиши кабинетов, а стали плодом многолетних поисков большого числа ученых. Не избежала этого и термодинамика.

Основой термодинамики являются три закона, или, как говорят, начала.

Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения и превращения энергии для термодинамических систем. Он устанавливает количественную связь между изменением внутренней энергии системы и внешними воздействиями на нее.

Зако́н сохране́ния эне́ргии – фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

Для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку. Например, в классической механике был сформулирован закон сохранения механической энергии, в термодинамикепервое начало термодинамики, а в электродинамикетеорема Пойнтинга.

Философские предпосылки к открытию закона были заложены ещё античными философами. Ясную, хотя ещё не количественную, формулировку дал в «Началах философии» (1644) Рене Декарт:

«Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно потеряет, и отнять у него лишь столько, насколько оно увеличит своё собственное движение».

Аналогичную точку зрения выразил в XVIII веке М. В. Ломоносов. В письме к Эйлеру он формулирует свой «всеобщий естественный закон» (5 июля 1748 года), повторяя его в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760):



«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Одним из первых экспериментов, подтверждавших закон сохранения энергии, был эксперимент Жозефа Луи Гей-Люссака, проведённый в 1807 году. Пытаясь доказать, что теплоёмкость газа зависит от объёма, он изучал расширение газа в пустоту и обнаружил, что при этом его температура не изменяется. Однако объяснить этот факт ему не удалось.

В начале XIX века рядом экспериментов было показано, что электрический ток может оказывать химическое, тепловое, магнитное и электродинамическое действия. Такое многообразие подвигло М. Фарадея выразить мнение, заключающееся в том, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, то есть могут превращаться друг в друга. Эта точка зрения, по своей сути, предвосхищает закон сохранения энергии.

Первые работы по установлению количественной связи между совершённой работой и выделившейся теплотой были проведены Сади Карно. В 1824 году им была опубликована небольшая брошюра «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (фр. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а développer cette puissance), которая вначале не получила большой известности и была случайно обнаружена Клапейроном через 10 лет после издания. Клапейрон придал изложению Карно современную аналитическую и графическую форму и переопубликовал работу под тем же названием в журнале «Journal de l'Ecole Polytechnique». Позднее она была также перепечатана в «Анналах Поггендорфа». После ранней смерти Карно от холеры остались дневники, которые были опубликованы его братом. В них, в частности, Карно пишет:



«Тепло не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: при исчезновении теплоты всегда возникает движущая сила».



Доподлинно неизвестно, какие именно размышления привели Карно к этому выводу, но по своей сути они являются аналогичными современным представлениям о том, что совершённая над телом работа переходит в его внутреннюю энергию, то есть теплоту. Также в дневниках Карно пишет:

«По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».

Количественное доказательство закона было дано Джеймсом Джоулем в ряде классических опытов. Он помещал в сосуд с водой соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита. Джоуль измерял количество теплоты, выделявшееся в результате трения в катушке, в случаях замкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита. Сравнивая эти величины он пришёл к выводу, что выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату силы тока и создаётся механическими силами. Далее Джоуль усовершенствовал установку, заменив вращение катушки рукой на вращение, производимое падающим грузом. Это позволило связать величину выделяемого тепла с изменением энергии груза:

«Количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут».

Эти результаты были изложены на физико-математической секции Британской ассоциации в его работе 1843 года «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла».



В работах 1847–1850 годов Джоуль даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них.



Первым осознал и сформулировал всеобщность закона сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер. При исследовании законов функционирования человека у него возник вопрос, не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу. Если количество теплоты не изменялось бы, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путём перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменяется, то, следовательно, работа и тепло должны быть как-то связаны между собой и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме:

«Движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам».

Ему же принадлежит обобщение закона сохранения энергии на астрономические тела. Майер утверждает, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должно сопровождаться химическими превращениями или механической работой на Солнце:

«Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе».

Свои мысли Майер изложил в работе 1841 года «О количественном и качественном определении сил», которую послал сначала в ведущий на тот момент журнал «Annalen der Physik und Chemie», где она была отклонена главным редактором журнала Иоганном Поггендорфом, после чего статья была опубликована в «Annalen der Chemie und Pharmacie», где оставалась незамеченной до 1862 года, когда её обнаружил Клаузиус.



Рассуждения Майера и опыты Джоуля доказали эквивалентность механической работы и теплоты, показав, что количество выделяемой теплоты равно совершённой работе и наоборот, однако, формулировку в точных терминах закону сохранения энергии первым дал Герман Гельмгольц. В отличие от своих предшественников, Гельмгольц связывал закон сохранения энергии с невозможностью существования вечных двигателей. В своих рассуждениях он шёл от механистической концепции устройства материи, представляя её как совокупность большого количество материальных точек, взаимодействующих между собой посредством центральных сил. Исходя из такой модели, Гельмгольц свёл все виды сил (позднее получивших название видов энергии) к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (потенциальной энергии). Закон сохранения этих сил был им сформулирован в следующем виде:

«Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и, наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна».In allen Fällen der Bewegung freier materieller Puncte unter dem Einfluss ihrer anziehenden und abstossenden Kräfte, deren Intensitäten nur von der Entfernung abhängig sind, ist der Verlust an Quantität der Spannkraft stets gleich dem Gewinn an lebendiger Kraft, und der Gewinn der ersteren dem Verlust der letzteren. Es ist also stets die Summe der vorhandenen lebendigen und Spannkräfte constant.

В этой цитате под живой силой Гельмгольц понимает кинетическую энергию материальных точек, а под силой напряжения — потенциальную.

Открытие закона сохранения энергии оказало влияние не только на развитие физических наук, но и на философию XIX века. С именем Роберта Майера связано возникновение так называемого естественно-научного энергетизма – мировоззрения, сводящего всё существующее и происходящее к энергии, её движению и взаимопревращению. В частности, материя и дух в этом представлении являются формами проявления энергии.

Главным представителем этого направления энергетизма является немецкий химик Вильгельм Оствальд, высшим императивом философии которого стал лозунг «Не растрачивай понапрасну никакую энергию, используй её!».

Итак, мы познакомились с первым законом (началом) термодинамики, и вы теперь представляете, что такое энергия и как она возникает. Но прежде чем идти дальше, познакомимся со схемой получения и использования энергии.

Вряд ли к этой схеме требуются особые комментарии. Энергия, полученная от источника, тратится как на полезную работу, так и теряется. Дальнейшим развитием этого является второй закон (начало) термодинамики.


Рисунок 1 – Схема получения и расхода энергии.
Второе начало термодинамики – физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:


  • Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

  • Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Если исходить из первого закона термодинамики, то можно допустить протекание любого процесса, который не противоречит закону сохранения энергии. В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, так и наоборот. При этом, согласно первому закону термодинамики, накладывается только одно условие: чтобы количество теплоты, отданной одним телом, равнялось количеству теплоты, принятой другим телом.

Между тем, из опыта известно, что теплота всегда самопроизвольно передается только от более нагретых тел к менее нагретым. Самопроизвольный или естественный процесс теплообмена обладает свойством направленности в сторону тел с более низкой температурой. Причём он прекращается при достижении равенства температур участвующих в теплообмене тел. Однако возможен и обратный, не самопроизвольный (или противоестественный) процесс передачи теплоты от менее нагретых тел к более нагретым (например, в холодильных установках), но для осуществления его требуется подвод энергии извне как бы для компенсации протекания процесса.

Констатация этой особенности теплоты, проявляющейся в процессе ее передачи, является одной из сторон сущности второго закона термодинамики, который Р. Клаузиус (1850 г.) сформулировал так: теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому, т. е. некомпенсированный переход теплоты от тела с меньшей температурой невозможен.

Еще одна особенность теплоты наиболее ярко раскрывается при рассмотрении процесса преобразования ее в работу. Опыт показывает, что работа может быть полностью превращена в теплоту (например, посредством трения) без каких-либо дополнительных условий или компенсации. Обратное же превращение теплоты в работу требует дополнительного самопроизвольного процесса или компенсации.

Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов. Так же, как и первый закон термодинамики, он был выведен на основании экспериментальных данных.

Опыт показывает, что превращение теплоты в полезную работу в тепловых двигателях может происходить только при переходе теплоты от нагретого тела к холодному, то есть при наличии разности температур между теплоотдатчиком (нагревателем) и теплоприемником (холодильником). При этом вся теплота не может быть превращена в работу.

Устройство, которое без компенсации полностью превращало бы в работу теплоту какого-либо источника, называется вечным двигателем второго рода.

Таким образом, второй закон термодинамики утверждает, что создание вечного двигателя второго рода невозможно.

Открытие второго закона термодинамики связано с анализом работы тепловых машин. Впервые сущность этого закона изложил в 1824 г. французский инженер С. Карно в работе «Размышление о движущей силе огня и машин, способных развивать эти силы». С. Карно впервые указал на возможность превращения теплоты в полезную работу в двигателях лишь при наличии двух источников теплоты: одного с более высокой температурой (нагреватель с температурой T2) и другого с меньшей температурой (холодильник с температурой T1).

Позднее Р. Клаузиус и В. Томсон (Кельвин) дали наиболее общие формулировки второго закона термодинамики, из которых следует, что:

1. Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым.

2. Не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может перейти в работу, а только часть ее. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник.

Существует два классических определения второго закона термодинамики:



  • Кельвина и Планка

Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты).


Рисунок 2 – Второй закон и тепловой двигатель.


  • Клаузиуса

Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара).

Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает.

Второй закон связан с понятием энтропии (S).

Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии – стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое изменение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако энтропия вселенной при этом не уменьшается.

Для того, чтобы энергию можно было использовать, в системе должны быть области с высоким и низким уровнями энергии. Полезная работа производится в результате передачи энергии от области с высоким уровнем энергии к области с низким уровнем энергии.

Состоялось знакомство со вторым началом термодинамики. Узнали, что мерой энергии системы является энтропия.

Однако первый и второй законы термодинамики не позволяют определить значение S0 энтропии системы при абсолютном нуле температуры (T = 0 °К). В связи с этим оказывается невозможным теоретический расчет абсолютных значений энтропии, изохорно-изотермного и изобарно-изотермного потенциалов системы, а также константы равновесия.

На основании обобщения экспериментальных исследований свойств различных веществ при сверхнизких температурах был установлен закон, устранивший указанную трудность и получивший название принципа Нернста или третьего закона термодинамики.

В формулировке Нернста он гласит: в любом изотермическом процессе, проведенном при абсолютном нуле температуры, изменение энтропии системы равно нулю, независимо от изменения любых других параметров состояния (например, объема, давления, напряженности внешнего силового поля и т. д.). Иными словами, при абсолютном нуле температуры изотермический процесс является также и изоэнтропийным.

Из третьего закона термодинамики следует, что для всех тел при T = 0 °К обращаются в нуль теплоемкости Сp и СV и термодинамический коэффициент расширяемости a. Из него также вытекает вывод о невозможности осуществления такого процесса, в результате которого тело охладилось бы до температуры T = 0°К (принцип недостижимости абсолютного нуля температуры).

Принцип Нернста был развит Планком, предположившим, что S0 = 0: при абсолютном нуле температуры энтропия системы равна нулю. Физическое истолкование принципа Нернста в формулировке Планка дается в статистической физике.

Как мы видим, законы термодинамики являются не столько теоретическими, сколько следствием обобщения большого экспериментального материала, сделанного многими выдающимися учеными. Познакомимся с их краткими биографиями и сферами их деятельности.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница