Техни́ческая термодина́мика — раздел теплотехники и одновременно раздел термодинамики, занимающийся приложениями законов термодинамики в теплоэнергетике, теплотехнике и хладотехнике. Исторически термодинамика начала формироваться именно как техническая термодинамика — учение о превращении теплоты в работу. На этой стадии были сформулированы основные законы классической термодинамики и получены их математические выражения. В дальнейшем область термодинамических исследований расширяется и охватывает различные области физики, химии, биологии, космологии и т. д. В настоящее время термодинамику можно определить как общую феноменологическую науку об энергии, исследующую разнообразные явления природы с позиции основных законов (начал) термодинамики. Специальные приложения термодинамики носят соответствующие названия физической, химической, технической, релятивистской и т. п. термодинамики.

Классическая термодинамика — пример аксиоматической науки. Принятый в ней дедуктивный метод исследований заключается в строгом математическом развитии некоторых исходных положений — физических постулатов, являющихся обобщением многовекового опыта познания природы. Термодинамика — помимо своих постулатов — не использует никаких гипотез, то есть предположений, требующих последующей опытной проверки. В частности, термодинамика не использует никаких гипотез и теорий строения вещества. Гипотезы о дискретном строении вещества используются в молекулярно-кинетической теории и статистической физике. В термодинамике такого рода представления могут быть использованы лишь в качестве иллюстративных средств. Отказ от использования гипотез в термодинамике ограничивает возможности её развития, однако, ценой этого ограничения достигается уверенность в надёжности расчётных соотношений термодинамики, эквивалентная уверенности в надёжности её исходных постулатов.

В технической термодинамике рассматривают: технические приложения основных принципов термодинамики к процессам преобразования теплоты в работу или, наоборот, работы в теплоту в тепловых машинах — двигателях, турбинах, компрессорах, холодильниках и т. д.; рассматриваются теоретические основы работы тепловых машин и оценки эффективности их рабочих процессов. методы прямого преобразования теплоты в электрическую энергию; процессы теплообмена (теплопроводности, лучистого переноса и др.); теплотехнические свойства веществ.

Историческая справка

Главной задачей, которая стояла перед учёными и инженерами в XIX и начале XX века было создание теории работы тепловых машин, которая позволила бы поставить на научную основу расчёт и проектирование поршневых паровых машин, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания, холодильных машин и т. д.

Основу термодинамики как новой науки заложил Сади Карно в опубликованном в 1824 г. трактате «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В своей работе Карно придерживался господствующей в то время теплородной теории, согласно которой теплота представляла собой некоторую субстанцию (флюид) под названием теплород, способный впитываться телами в зависимости от их массы и температурных условий, и его количество во всех процессах остаётся неизменным. Получение работы в тепловой машине, согласно теплородной теории, объяснялось падением теплорода с более высокого температурного уровня на более низкий, аналогично принципу работы водяных турбин. Основным содержанием работы Карно являлось исследование условий наивыгоднейшей работы тепловых двигателей при наличии двух источников постоянных температур и . В рассуждениях, содержащих решение этой задачи, Карно развивает идею о круговых процессах (циклах), разрабатывает схему цикла, носящего его имя, вводит понятие об обратимых процессах и в конечном счёте приходит к такому выводу: «Движущая сила тепла не зависит от агентов (рабочих тел), взятых для её развития; её количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счёте, производится перенос теплорода». При доказательстве этого утверждения Карно использовал два взаимно исключающих принципа: теорию теплорода и гидравлическую аналогию, противоречащие закону сохранения энергии, и принципу исключённого Perpetuum mobile I рода для механических явлений, который находится в полном соответствии с законом сохранения энергии и является его частным выражением. С современной точки зрения конечный вывод Карно о независимости коэффициента полезного действия тепловых двигателей от природы рабочего вещества и об определяющей роли температур внешних источников в процессах обратимых тепловых двигателей не может считаться обоснованным, однако, вывод этот верен.

В середине XIX века, вскоре после опубликования работы Карно представления о теплороде были окончательно оставлены. Сокрушительный удар по теплородной теории был нанесён ещё в конце XVIII века опытами Румфорда и Дэви, но большинство физиков в течение полувека не желало отказаться от теории теплорода. Несмотря на всю свою наивность, эта теория так просто и наглядно объясняла многие явления, что даже будучи полностью ниспровергнутой, продолжала очень долго владеть умами учёных. Нагревание тел при трении теплородная теория объясняла перенесением теплорода из окружающей среды с более низким температурным уровнем к телам с более высоким температурным уровнем за счёт затрачиваемой работы. Румфорд в 1798 г., наблюдая за процессом сверления пушечных стволов, заметил, что во время совершения этой работы, которой сопутствует трение, непрерывно выделяется огромное количество тепла, и при этом никакого охлаждения окружающей среды (воздуха) не происходит. В 1799 г. Г. Дэви провёл опыт по трению между охлаждёнными ниже температуры плавления двумя кусками льда в безвоздушном пространстве, защищённом от солнечного и теплового излучения. При этом наблюдалось плавление льда, требующее больших затрат тепла. Таким образом было доказано, что выделение тепла при трении происходит не за счёт заимствования его из окружающей среды, как ошибочно объясняла теплородная теория, а за счёт затраченной работы. По-видимому, около 1830 г. Сади Карно отказался от теплородной теории и впервые отчётливо сформулировал принцип эквивалентности тепла и работы, а также приблизительно установил величину теплового эквивалента работы. Однако, записки Карно остались незамеченными и были опубликованы только через сорок лет после его смерти.

B период 1842—1850 гг. целый ряд исследователей почти одновременно устанавливает величину теплового эквивалента работы: Фон Майер, Юлиус Роберт в 1842 г. — по разности теплоёмкостей газов при постоянном давлении и постоянном объёме, на основе воззрений «о сохранении силы» (энергии); Джоуль в 1841—1843 гг. и Э. Ленц в 1844 — по тепловыделению в цепи электрического тока; Кольдинг и Джоуль в период 1843—1850 гг. — по тепловыделению при трении и т. п.

Установление принципа эквивалентности теплоты и работы было последним звеном на пути математического оформления первого начала термодинамики как общего закона сохранения энергии. Современная формулировка первого начала термодинамики для обратимых процессов и последующие построения принципиальных положений классической термодинамики, до второго начала термодинамики включительно, выполнены Рудольфом Клаузиусом (1850—1865) и Уильям Томсоном (лордом Кельвином (1851—1857). Усилиями этих учёных было произведено согласование выводов Карно, сделанных на базе теплородной теории, (теоремы Карно)с первым началом термодинамики. Кроме этого, P. Клаузиус получил новые результаты, составившие содержание второго начала термодинамики. Важнейшим моментом в построении первого начала, последовавшим вслед за открытием принципа эквивалентности, является введение понятия внутренней энергии тел (В. Томсон, 1851 г). Внутренняя энергия тел вначале рассматривалась как сумма внутреннего тепла и внутренней работы тела (Р.Клаузиус, «Механическая теория тепла», гл. I), однако, подобное определение в настоящее время не может быть принято, так как, очевидно, что ни тепло, ни работа в теле не содержатся. Тепло и работа, полученные телом извне, обращаются на повышение его внутренней энергии и, наоборот, за счет уменьшения внутренней энергии тела от него могут быть получены тепло и работа в рамках одной и той же суммы, но в различных соотношениях.

Основным содержанием термодинамики XIX века было исследование термодинамических циклов с точки зрения их коэффициента полезного действия и поиска путей его повышения, изучение свойств паров и газов, разработка термодинамических диаграмм для теплотехнических расчётов. В XX веке важной задачей стала разработка теории течения и истечения паров и газов в связи с той ролью, которую начали приобретать паровые и газовые турбины. Здесь выдающуюся роль сыграли труды Х. Лоренца и Л. Прандтля. Это направление развития науки представляло собой техническую термодинамику. Существенный вклад в развитие технической термодинамики внесли У. Ренкин, В. Джон, Р. Молье, и Л. Рамзин.

На грани XIX и XX веков началась ревизия построений классической термодинамики, которая относится главным образом к проблеме второго начала термодинамики Н. Н. Шиллер, 1900; К. Каратеодори, 1909; Т. Афанасьева-Эренфест, 1925; М. Планк). Она продолжилась в трудах К.Путилова, М. А. Леонтовича, А. А. Гухмана и Н. И. Белоконя. XX век характеризуется активным проникновением термодинамики в другие науки. Возникают новые направления в термодинамике, такие как физическая или общая термодинамика, химическая термодинамика, биологическая термодинамика (теория клетки), термодинамика электрических и магнитных процессов, релятивистская, квантовая, космическая термодинамики и т. д.

Параллельно классической (феноменологической) термодинамике развивалась статистическая физика|, которая сформировалась в конце XIX столетия на основании молекулярно-кинетической теории газов. Общим у этих двух наук является предмет изучения, но методы изучения совершенно различны. Если классическая термодинамика построена, в основном, на первом и втором, а также третьем началах термодинамики, то статистическая физика исходит из теорий строения вещества. «Законы классической или квантовой механики здесь распространяются на частицы, (атомы, молекулы), и путём статистических методов устанавливаются взаимосвязи между свойствами отдельных частиц и макрофизическими свойствами систем, состоящих из очень большого числа частиц».

Основные понятия термодинамики и термодинамические величины Термодинамика использует понятия и обозначения, принятые в классической физике (механике), такие как масса, сила, объём, плотность, удельный объём и давление. Давление сплошных масс жидкостей, паров и газов, измеренное приборами барометрического типа называется [абсолютное давление|абсолютным давлением], а приборами манометрического типа ─ избыточным. В уравнения термодинамики входят только абсолютные давления. На практике для получения абсолютного давления к манометрическому давлению прибавляют барометрическое давление окружающей среды. Обычно для этой цели используют нормальное атмосферное давление. Понятия, заимствованные из физики, дополняются понятиями, свойственными термодинамике. К ним относятся: термодинамическая система, термодинамическое равновесие, термодинамические процессы, температура, теплота, термодинамическая работа, внутренняя энергия и т. д.

Термодинамическая система

Термодинамическая система ─ исследуемый термодинамикой объект ─ представляет собой материальное содержимое выделенной области пространства (части Вселенной), отделённой реальной или условной оболочкой от внешней (окружающей) среды. В зависимости от возможности обмена веществом с внешней средой различают открытые и закрытые термодинамические системы. Системы, которые не могут обмениваться с внешней средой ни веществом, ни энергией, включающей излучение, называются изолированными.