4.1.1 Термодинамическая система

Объекты хладотранспорта (холодильные машины, грузовые камеры, теплообменные аппараты, рефрижераторный подвижной состав и т. д.) могут быть при самом общем подходе представлены макроскопическими системами, состоящими из большого числа элементарных частиц: молекул и атомов. В таких системах происходят превращения вещества и энергии, сопровождающиеся тепловыми эффектами. Закономерности последних изучают термодинамика и теория теплопереноса, составляющие научный фундамент теплоэнергетики. Термодинамика и теплоперенос относятся к феноменологическим наукам, поскольку они изучают явления опытным путём, рассматривают их в целом, не вникая в молекулярную природу своих объектов – термодинамических систем.

Термодинамической системой можно считать любую совокупность материальных тел, взаимодействующих потоками энергии и вещества друг с другом и с телами внешней среды. Выделение термодинамической системы из некоторой области материального мира вполне произвольно и подчиняется решению конкретной задачи. Границей такой системы служат реальные или воображаемые поверхности, через которые осуществляется обмен потоками энергии и вещества. Присутствие обеих субстанций во внешних взаимодействиях характеризует систему как открытую. Если через границу проникает лишь энергия, то система считается изолированной. Идеальная теплоизолированная система носит название адиабатной. Отсутствие какого-либо граничного взаимодействия свойственно закрытой системе. Различные объекты хладотранспорта с определённым приближением могут быть отнесены к тем или другим из перечисленных систем: открытой, закрытой или изолированной.

Рассмотрим простейшую термодинамическую систему: рабочее тело холодильной машины (хладагент), осуществляющее в ней взаимные превращения теплоты и работы. В качестве хладагента может выступать, например, хладон в парообразном или жидком состоянии либо в виде парожидкостной смеси. Хладагент обменивается теплотой с холодоносителем – воздухом помещения рефрижераторного вагона. Ещё один пример простейшей системы: топливовоздушная смесь в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Каждая система, в том числе и простейшая, обладает большим (бесконечным!) набором свойств, которые характеризуют различные стороны её сущности, а в совокупности – состояние рассматриваемой системы. Свойствами являются, например, давление, температура, удельный объём, плотность и др.

Давление р – макроскопическая характеристика, отражающая молекулярную природу жидкости или газа. Давление численно равно силе воздействия молекул на некоторую поверхность, отнесённую к величине этой поверхности. Значение давления пропорционально числу молекул, их массе и скорости перемещения. Единица измерения давления  – паскаль (Па), 1 Па = 1 н/м², где н (ньютон) – единица силы.

Температура t – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела, °С. Она, как и давление, проявляет микроскопическую природу вещества, выводя её на наглядный макроскопический уровень. Температура выступает как мера интенсивности теплового движения молекул. Термодинамическая (абсолютная) температура Т, К, отсчитывается по шкале Кельвина:

Т = t + 273,15.

Удельный объём v – это объём единицы массы вещества, м³/кг. Обратную удельному объёму величину называют плотностью: , кг/м³.

Удельный объём, давление и температуру называют термическими свойствами вещества.

Между основными параметрами состояния рассматриваемой термодинамической системы (р, v, T) существует вполне определённая связь, называемая уравнением состояния:

f(р, v, T) = 0. (4.1)

В случае идеального газа это уравнение имеет вид

pv = RT,

называемый уравнением Клапейрона. В нём R – газовая постоянная, R = = 8134/µ; µ – киломоль вещества, т. е. молекулярная масса в килограммах.

Уравнение состояния в неопределённой форме (4.1) может быть разрешено относительно любого из параметров состояния, например:

T = f₁(p, v).

Из этого примера видно, что состояние простейшей термодинамической системы может быть определено всего двумя параметрами, т. е. задано точкой на плоскости. Такую двухкоординатную плоскость называют диаграммой состояний.

Уравнение состояния реальных газов, учитывающее силы межмолекулярного взаимодействия, носит название уравнения Ван-дер-Ваальса:

,

где a и b – численные коэффициенты, отражающие природу конкретного вещества.

Наряду с элементарными термодинамическими параметрами могут быть установлены сложные (комплексные) параметры, называемые функциями состояния; они также выступают характеристиками состояния термодинамической системы. Важнейшей из функций состояния является внутренняя энергия U, определяемая как сумма кинетической, потенциальной и внутриядерной энергий частиц, а также энергии электронных оболочек атома. В задачах хладотранспорта оказывается достаточным учесть изменение лишь первых двух составляющих и принять U = K + П.

Здесь кинетическая энергия частиц К является функцией температуры Т, а потенциальная П – занимаемого газом объёма V.

Величину , Дж/кг, называют удельной внутренней энергией. Как функция состояния, величина u может быть выражена через любую пару простейших (основных, независимых) термодинамических параметров:

; ; .

Если термодинамические параметры одинаковы во всех точках системы и неизменны во времени, то такое её состояние называется равновесным. Реальная система обычно неравновесная, т. е. в ней всегда существуют градиенты (пространственные или временные) величин p, v, T и других. Их наличие является следствием взаимодействия системы с объектами внешней среды.

Изменение состояния (хотя бы одного из параметров) термодинамической системы во времени называется термодинамическим процессом. Система, выведенная из состояния равновесия, может под действием градиентов параметров самопроизвольно вернуться к равновесию. Такой процесс получил название релаксация. Его продолжительность характеризуют временем релаксации. По сравнению со временем релаксации термодинамический процесс может быть медленным (и тогда он рассматривается как практически равновесный) или быстрым (неравновесным).

Равновесный процесс обычно представляется как непрерывный ряд последовательно проходимых состояний равновесия; в каждом из них справедливо уравнение состояния системы. В неравновесном процессе соотношения классической термодинамики несправедливы; здесь необходимо применять закономерности неравновесной термодинамики.