Термодинамическое рабочее тело ТРТ

Термодинамическое рабочее тело

 

Непрерывное материальное тело или поле, ограниченное замкнутой контрольной поверхностью термодинамической системы или входящей в ТС подсистемы, называется термодинамическим рабочим телом. Объем термодинамического рабочего тела (ТРТ) может быть равен как объему ТС, так и объему подсистемы, если ТС состоит из нескольких ТРТ. Нередко, давая определение ТРТ, некоторые авторы, стремясь упростить курс термодинамики, не упоминают о контрольной поверхности и не включают в понятие ТРТ поле, поскольку еще не все разновидности поля, например гравитационное, достаточно изучены. В действительности, даже в классической термодинамике широко используются такие понятия, как параметры состояния фотонного газа, или, что то же самое, однородного электромагнитного поля. В неравновесной термодинамике градиенты потенциалов электрического, магнитного или гравитационного полей выступают в роли движущих сил, поэтому материальное поле наравне с материальными телами может выступать в качестве ТРТ. Каждый вид ТРТ может характеризоваться термодинамическими параметрами состояния. В классической и технической термодинамике ТРТ всегда однородно по составу и изотропно, а выступающие в роли ТРТ вещества могут быть чистыми (если состоят из одинаковых частиц), могут представлять собой смеси, например атмосферный воздух, состоящий из примерно 21% кислорода и 79% азота, а также растворы или двухфазные среды. При этом вещества должны быть однородно перемешаны, а осред-ненные физико-химические свойства одинаковы по всему объему ТРТ. В неравновесной термодинамике ТРТ может быть и неоднородным — содержать градиенты термодинамических параметров, иметь поверхности раздела фаз, переменный химический состав. Иначе говоря, в неравновесной термодинамике физико-химические свойства и параметры состояния ТРТ зависят как от координат, так и от времени. Термодинамическое рабочее тело может состоять как из реальных частиц (атомы, молекулы, атомарные или молекулярные положительно или отрицательно заряженные ионы, электроны, кванты электромагнитного излучения и т. д.), так и из виртуальных (фононы, экситоны и т. д.). В биологической термодинамике частицы могут быть более сложными: это клетки, клеточные органеллы и макромолекулы; в социальной термодинамике: это люди и даже хозяйственные единицы. В термодинамических системах ТРТ могут находиться в различных агрегатных (твердых, жидких, газообразных) и фазовых состояниях. Под фазой понимается совокупность частей системы с одинаковыми свойствами и имеющих границу раздела с другими частями системы. Такое определение фазы приемлемо при отсутствии полей. Если же система находится, например, в поле центробежных сил или она достаточно протяженна по высоте в гравитационном поле, то вдоль этих сил свойства системы могут заметно меняться. Фаза может быть чистой (содержит чистое вещество), газовой смесью или конденсированным раствором, находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Как правило, контактирующие газообразные вещества образуют одну газообразную фазу. Однако при достаточно высоких давлениях в газе возможно образование и более чем одной фазы. Агрегатные состояния веществ в случае необходимости принято отмечать подстрочными буквами, например Н20(т); Н20(ж); Н20(г); Аг(г) и т. д., обозначающими твердое (т), жидкое (ж) и газообразное (г) состояния. Для газообразных веществ, если это не вызывает недоразумений, отметку агрегатного состояния обычно опускают. На рис. 1.2 приведен пример термодинамической системы, содержащей различные тела в трех агрегатных и шести фазовых состояниях. Вещества с одинаковой химической формулой, но находящиеся в разных фазах, имеют различные свойства. Чтобы Рис. 1.2 отличить их один от другого, вводится понятие индивидуального вещества — чистого вещества в определенном фазовом состоянии. Например, твердые графит и алмаз, а также пары графита — различные индивидуальные вещества, хотя они и образованы из одного и того же химического элемента углерода (С). Из рассмотренного понятно, что ТРТ — это частный случай наиболее простой термодинамической системы, оно представляет собой однородное материальное (физическое) тело, заполняющее все пространство ТС. Именно с помощью ТРТ происходит превращение теплоты в работу, и наоборот. Например, в компрессоре воздушно-реактивного двигателя (ВРД) ТРТ — это атмосферный воздух, в камере сгорания — химически реагирующая смесь горючего и сжатого воздуха, в турбине — газообразные продукты сгорания. Иначе говоря, по тракту ВРД термодинамические свойства ТРТ существенно изменяются. Виды ТРТ в авиации и ракетно-космической технике весьма разнообразны. Орбитальный корабль «Буран» перед полетом в космос заправляется следующими термодинамическими рабочими телами: воздухом для дыхания экипажа, питьевой и технической водой, жидким кислородом в качестве окислителя для объединенной двигательной установки, газообразным кислородом для топливных элементов, углеводородным горючим для объединенной двигательной установки, газообразным водородом для топливных элементов, жидким гелием для наддува баков объединенной двигательной установки, газообразным гелием для автоматики, газообразным азотом для автоматики и для прецизионных ракетных двигателей, твердыми топливными составами для пиросредств, элегазом (шестифто-ристая сера) для заполнения систем управления и пожаротушения, кремнийорганической жидкостью для гидросистем, жидкими и порошкообразными смесями для пожаротушения, жидкими теплоносителями для систем термостатирования и систем обеспечения теплового режима как самого корабля, так и космонавтов, пусковыми самовоспламеняющимися смесями для запуска двигателей и т. д. Всего различных ТРТ в орбитальном корабле не менее 20 наименований. Даже обычные урина и пот, выделяемые экипажем в космосе, перерабатываются в специальных инженерных системах, а стало быть, также являются рабочими телами, термодинамические свойства которых необходимо тщательно изучать и умело использовать. Многие применяемые в авиации и ракетно-космической технике ТРТ представляют собой гетерогенные смеси. Только небольшая часть из них — двухкомпонентные смеси — приведена в табл. 1.1. Таблица 1.1 Основной \ компонент Добавленный \ компонент \ Газ Жидкость Твердое тело Газ Газовая смесь Смесь жидкость 4- газ Поры с газом, абсорбция Жидкость Туман Эмульсия Поры с жидкостью Твердое тело Аэрозоль Суспензия, пульпа Сплав, смесь Особое место при рассмотрении различных рабочих тел в двигателях для космоса занимает плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и далее, резко усиливается процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начинают распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Свободно заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под воздействием электрического поля, что позволяет внешним электромагнитным полям дополнительно ускорять или тормозить их.