Основные термодинамические параметры, понятия и законы, используемые в проектировании РКТ

Основные физические величины, участвующие в расчетах силовых и тепловых воздействий на ЛА, изучаются в термодинамике в качестве макропараметров - это давление, температура, плотность, теплоемкость, теплопроводность, вязкость. Понятие теплообмена и трения также дается в рамках термодинамических курсов.

К основным безразмерным критериям подобия течения при проектировании ЛА относятся число Маха М, число Рейнольдса Re, число Прандтля Pr, число Стантона St, число Нуссельта Nu, число Кнудсена Kn. Их определение, толкование физического смысла и взаимосвязь в виде аналогии Рейнольдса представлены подробно в Методических указаниях по курсу «Перспективные методики расчета средств выведения» [2].

1.1.1 Введение в термодинамику[3]

В классической механике рассматривается движение тела в поле действия потенциальных и гироскопических сил. При этом тело (объект) называется материальной точкой, под которой подразумевается центр масс объекта и которая является точкой приложения всех сил. В механике энергия складывается из кинетической энергии макроскопического движения и потенциальной энергии макроскопических тел во внешних полях и доказывается, что полная энергия изолированной системы тел сохраняется, то есть ее количество остается неизменным. Однако закон сохранения энергии работает не всегда. Известно, что при наличии диссипативных сил или сил трения механическая энергия замкнутой системы уменьшается. С другой стороны опыты показали, что работа диссипативных сил всегда сопровождается выделением тепла. Оказалось, что принцип сохранения энергии остается справедливым и при наличии диссипативных сил, если только расширить понятие энергии введением новой ее формы, а именно внутренней энергии.

С атомистической точки зрения нарушения механического закона сохранения энергии объясняются тем, что макроскопическая механика учитывает не все движения и силовые взаимодействия и рассматривает очень упрощенную модель материальных тел. Из ее поля зрения выпадают внутренние движения молекул и атомов, а также силы взаимодействия между ними.

Всякое тело с атомистической точки зрения является консервативной системой колоссального числа частиц - атомов и молекул. Для такой системы механический закон сохранения энергии справедлив при условии, что к энергии макроскопического движения добавляется энергия беспорядочного движения атомов и молекул. Это движение и есть теплота или внутренняя энергия.

Так в одном кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях содержится 2.7·10¹⁹молекул. При тепловом движении молекулы сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в который заключена система. В результате возникает вполне беспорядочное движение, в котором с равной вероятностью представлены все направления скоростей, а сами скорости меняются в широких пределах от очень маленьких до очень больших значений. Средняя скорость движения молекул воздуха при нормальной температуре составляет почки 500 м/с, возрастая с повышением температуры и плотности. Длина свободного пробега молекул (расстояние, которое молекула пробегает между столкновениями) составляет 10^-5см. Термодинамика рассматривает макроскопические (то есть многомолекулярные) физические системы. К первым и важнейшим понятиям феноменологической термодинамики относятся понятия температуры и термодинамического равновесия.

Понятие температуры означает степень нагретости тел, и пришло через ощущения рук. Однако, восприятие нагретости зависит от теплопроводности тела: металл кажется более холодным, чем дерево. Единицей измерения температуры является градус шкалы Кельвина. Тройная точка воды соответствует 273,16 К. Температура космического пространства 4К.

Классическая физика полагала, что при абсолютном нуле температуры атомно-молекулярное движение прекращается. В действительности это не так. Предположение о полном покое атомов и молекул противоречит принципу неопределенности Гайзенберга. При абсолютном нуле остается еще весьма интенсивное движение частиц, из которых состоит тело. Ему соответствует минимальная энергия, которая от тела не может быть отнята (если остаются постоянными объем и прочие внешние параметры, определяющие состояние тела). Но это движение не является тепловым. Соответствующая ему энергия называется нулевой энергией.

Если два тела, температуры которых сильно отличаются по оценке наших органов чувств, привести в соприкосновение друг с другом, то опыт показывает, что одно тело будет нагреваться, а другое остывать, пока не прекратятся в системе всяческие макроскопические изменения, и они не примут одинаковую температуру. Теперь два тела находятся в термодинамическом равновесии и имеют одинаковые температуры. В тех случаях, когда вблизи соприкасающихся тел никаких других тел не имеется, можно считать, что соприкасающиеся тела образуют замкнутую систему тел, которая не обменивается энергией с окружающими телами. Можно мысленно заключить систему в адиабатическую оболочку, тогда к телам, находящимся внутри адиабатической оболочки не поступает никакая энергия извне и сами они не передают энергию за пределы этой оболочки.

Общее начало термодинамики можно сформулировать следующим образом : каково бы ни было начальное состояние тел изолированной системы, в ней, в конце концов, установится термодинамическое равновесие, в котором прекратятся в системе всяческие макроскопические изменения.

Дата добавления: 2014-01-07