Теоретические основы теплотехники - рус. Сведения по теплотехнике Основы теплотехники кратко

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОHБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕHHАЯ МАШИHОСТРОИТЕЛЬHАЯ АКАДЕМИЯ Л.В ДЕМЕНТИЙ, А.П. АВДЕЕНКО КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ» Краматорск 000 0

2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОHБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕHHАЯ МАШИHОСТРОИТЕЛЬHАЯ АКАДЕМИЯ Л.В ДЕМЕНТИЙ, А.П. АВДЕЕНКО КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ» Рекомендовано Министерством образования и науки Украины в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений Краматорск 000

3 УДК Краткий курс лекций по дисциплине "Теоретические основы теплотехники": Учеб. пособие / Л.В.Дементий, А.П.Авдеенко. Краматорск: ДГМА, с. Краткий лекционный курс содержит теоретический материал по следующим разделам: «Основы технической термодинамики», «Теплопередача» и «Прикладная термодинамика». В пособии после каждого раздела приведены вопросы для самоконтроля. Пособие может быть использовано при изучении курса «Теоретические основы теплотехники» студентами дневного и заочного отделений машиностроительных специальностей. ISBN Л.В. Дементий, А.П. Авдеенко

4 Вступление «Теоретические основы теплотехники» являются общетехнической дисциплиной, изучающей методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств. Курс «Теоретические основы теплотехники» состоит из 3 основных разделов:) Основы технической термодинамики;) Теплопередача; 3) Прикладная термодинамика. Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. В зависимости от задач исследования выделяют общую, химическую, техническую термодинамику, термодинамику биологических систем и т.д. Техническая термодинамика - рассматривает процессы взаимного превращения теплоты и работы. Она устанавливает связь 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. Техническая термодинамика и теория теплообмена являются теоретическим фундаментом прикладной теплотехники. 3

5 Основы технической термодинамики. Свойства рабочих тел.. Рабочее тело и его параметры Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами. Все, что не входит в систему, называется окружающей средой. Термодинамические системы могут быть: открытые (обмен с окружающей средой и веществом и энергией); закрытые (обмен энергией); изолированные (без обмена с окружающей средой). Предметом технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых машинах. Эти преобразования осуществляются с помощью рабочего тела. Рабочим телом могут быть твердые тела, жидкости и газы. Наиболее часто используются газы, т. к. они значительно изменяют свой объем под действием температуры. Физическое состояние тела определяется некоторыми величинами, которые характеризуют данное состояние и называются термодинамическими параметрами. Основными термодинамическими параметрами для газов являются: давление, температура, удельный объем. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, в котором 4

6 заключен газ, и представляет собой отношение нормальной составляющей силы к поверхности, на которую действует сила: Р = N /F, где N - сила, Н; F - площадь поверхности, м. Единицы измерения давления - паскали: Па= Н / м. Поскольку эта величина мала (ат = 98066,5 Па) удобнее использовать более крупные величины: кпа = 0 3 Па; МПа = 0 6 Па; ГПа = 0 9 Па. На практике часто используют внесистемные единицы: кгс / м = мм.вод.ст. = Па 0 Па; мм. рт. ст. = 33.3 Па; бар = 0 5 Па; атм = 760 мм.рт.ст. = 035 Па. Различают давление: атмосферное, избыточное, разряжение (вакуум). Барометрами измеряют атмосферное давление - давление окружающей среды. Манометрами измеряют давление, превышающее атмосферное, которое называют избыточным. Вакуум (разряжение) - давление в данном объеме, меньше атмосферного, его измеряют вакуумметрами. Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление, т.е. давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления. Это связано с тем, что атмосферное давление постоянно изменяется, следовательно, изменяется величина вакуума или избыточного давления. При определении абсолютного давления различают два случая: давление в сосуде больше атмосферного - Рабс = Ратм + Ризб; давление в сосуде меньше атмосферного - 5

7 Рабс = Ратм Рв. Температура с качественной стороны характеризует степень нагретости тела, с количественной стороны температура является мерой интенсивности теплового движения молекул. В термодинамике используют абсолютную температуру. В системе СИ единицей измерения абсолютной температуры (Т) является кельвин (К). Абсолютная температура всегда положительна. При температуре абсолютного нуля прекращается тепловое движение молекул. Это предельная минимальная температура и является началом для отсчета абсолютных температур. Для измерения температуры используют различные свойства тел: расширение тел от нагревания (жидкостные термометры), изменение объема при P=const или изменение давления при V=const (в газовых термометрах), изменение электрического сопротивления проводника при нагревании (термометры сопротивления), изменение электродвижущей силы в цепи термопары при изменении температуры спая, законы излучения твердых тел (в оптических пирометрах). В настоящее время кроме шкалы Кельвина используется шкала Цельсия, в которой точкой отсчета является тройная точка воды (точка, где жидкая, парообразная и твердая фазы находятся в устойчивом равновесии), температура в кельвинах (Т) равна 73,5 К, а в градусах Цельсия (t) 0.0 о С. Следовательно, между температурами имеется следующее соотношение: Т = t Градус абсолютной шкалы Кельвина численно равен градусу шкалы Цельсия, поэтому dt = dt. Известны также шкалы 6

8 Фаренгейта (Ф), Реамюра (R), Ренкина (Rа). Соотношения между ними: t o Ф=.8 t o C+3; t o R=0.8 t o C; t o Ra=.8 t o C Удельный объем (v) объем единицы массы вещества, м 3 / кг, v = V / m, где V полный объем вещества, м 3 ; m - масса вещества, кг. Плотность вещества величина, обратная удельному объему, масса единицы объема вещества, кг / м 3, ρ = / v = m / V. Таким образом, мы рассмотрели три основных параметра: давление, температуру и удельный объем... Уравнение состояния идеального газа В технической термодинамике широко применяют понятие об идеальном газе. Под идеальным газом понимают газ, у которого отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а молекулы не имеют объема, т.е. представляют собой материальные точки. Реально такого газа нет, но введение понятия «идеальный газ» позволило составить простые математические зависимости между величинами, характеризующими состояние тела, и на основе законов для идеальных газов создать стройную теорию термодинамических процессов. Все реальные газы при высоких температурах и малых давлениях почти полностью подходят под понятие идеальный газ и практически по свойствам не отличаются от него. Состояние 7

9 идеального газа это предельное состояние реального газа, когда давление стремится к нулю. Параметры идеального газа связаны между собой уравнением Клапейрона: P v = R T. (.) Для произвольной массы газа уравнение имеет следующий вид: P V = m R T, (.) где V полный объем, м 3 ; R газовая постоянная, Дж / (кг К). Рассмотрим физическую суть газовой постоянной. Для этого выразим ее из уравнения Клапейрона (.): R = P v / T (.3) или с учетом единиц измерения Н м / (кг К). Таким образом, газовая постоянная численно равна работе, которую выполняет кг газа, если повысить его температуру на о С. Газовая постоянная не зависит от параметров газа, а зависит от его химического состава и структуры. Значения для различных газов приведены в справочниках. Рассмотрим уравнение Клапейрона для кмоля газа: P v = R T, (.4) где v - объем кмоля, м 3 / кмоль; - масса кмоля (мольная масса), масса, выраженная в килограммах, численно равная атомной массе. Уравнение (.4) носит название уравнения Менделеева- Клапейрона. Для определения мольного объема вспомним закон Авогадро: при одинаковых температуре и давлении в равных объемах газа 8

10 содержится одно и то же количество молекул или моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем: v =.4 л/моль =.4 м 3 /кмоль. (.5) Выразим из уравнения (.4) произведение R и определим его значение при нормальных условиях: R = 035 *.4 / 73 = 834 Дж/(кмоль К). При подстановке полученной величины в уравнение (.4) получим вторую формулировку уравнения Менделеева-Клапейрона: P v = 834 T. (.6) Величину R = 834 Дж/(кмоль К) называют универсальной газовой постоянной. Это величина, постоянная для всех газов при нормальных физических условиях, она не зависит от химического состава газа, но в отличие от газовой постоянной зависит от параметров газа...3 Смеси идеальных газов На производстве редко используют отдельные газы, чаще используют смеси газов. Смеси идеальных газов характеризуются тем, что в них каждый газ ведет себя независимо от других газов. Это подтверждается законом Дальтона каждый газ в смеси газов осуществляет парциальное давление. Парциальное давление отдельного газа газовой смеси это такое давление, которое имел бы этот газ находясь один в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси: Р = Р + Р + + Р i, (.7) т.е. общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений этих газов. 9

11 Для характеристики смеси газов используют массовые и объемные доли. Массовая доля отношение массы данного газа (m i) к общей массе смеси (m): g i = m i / m. Объемная доля отношение объема отдельно взятого газа, входящего в состав смеси, (v i) к общему объему смеси (v): r i = v i / v. Нетрудно заметить, что g i =, r i =. Зависимости между массовыми и объемными долями, полученные на основе закона Авогадро (.5) и уравнения Менделеева-Клапейрона (.4), имеют следующий вид: g i = r i R см / R i ; r i = g i R i / R см. Парциальное давление каждого газа, составляющего смесь, можно определить, зная объемную долю газа (r i): P i = r i P. Установлено, что смеси идеальных газов полностью подчиняются законам идеальных газов. Их состояние характеризуется уравнением Клапейрона (.): P V см = m R см T, (.8) где R см газовая постоянная смеси идеальных газов, Дж/ (кг К). Для определения значения R см запишем уравнение Клапейрона для і го газа: P i v i = m i R i T. (.9) Выразим массу каждого газа через массовую долю газа g i и общую массу m и подставим в уравнение (.9): m i = m g i ; P i v i = m g i R i T. Для смеси газов получим: 0

12 P i V см = m T (g i R i) или P V см = m Т (g i R i). (.0) При сравнении уравнений (.8) и (.0) получим выражение для определения газовой постоянной смеси: R см = (g i R i). Газовая постоянная смеси равна алгебраической сумме произведений массовых долей газов, составляющих смесь, на их газовые постоянные. Газовую постоянную смеси можно определить и через универсальную газовую постоянную: R см = 834 /μ см; R см = 834 (g i / і), где μ см молекулярная масса смеси газов, кг / кмоль; μ і - молекулярная масса отдельного газа, кг / кмоль. Молекулярная масса смеси газов равна алгебраической сумме произведений объемных долей отдельных газов (r i), входящих в смесь, на их молекулярные массы (r i): см = (r i i)...4 Теплоемкость идеального газа Теплоемкость это количество тепла, необходимое для нагрева тела на один градус. Удельная теплоемкость количество тепла, необходимое для нагревания единицы количества вещества на один градус. В зависимости от единиц измерения количества вещества различают: массовую теплоемкость С, Дж / (кг К); объемную теплоемкость С, Дж / (м 3 К); мольную теплоемкость - С, Дж / (кмоль К).

13 Между различными видами теплоемкостей существует следующая зависимость: С = С /.4 ; С = С / ; С = С /. Различают среднюю (С) и истинную (С) теплоемкость: С = q - / (t t), С = lim (q / t) = dq / dt = dq / dt, где q - теплота, подводимая к газу в процессе нагревания от температуры t до температуры t. Истинная теплоемкость первая производная от количества теплоты, подводимой в процессе нагрева к телу, по его температуре. Теплоемкость газа не постоянна. Она зависит от температуры и давления. Влияние давления на теплоемкость газов незначительное, поэтому обычно учитывают только влияние температуры. Зависимости средней теплоемкости от температуры: если тело нагревается от 0 до некоторой температуры t - С = a + b t / ; если тело нагревается от температуры t до температуры t - С = a + b (t + t), где a, b, коэффициенты, зависящие от природы газа, определяются экспериментально и приводятся в справочных таблицах. Количество теплоты, необходимое на нагрев тела, можно определить следующим образом: Q = m С (t - t). Теплоемкость зависит от способа подвода теплоты к газу. Чаще всего используют способа: при V = const (изохорный процесс) - C v ;

14 при P = const (изобарный процесс) - С р. Теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме связаны между собой следующими соотношениями: С р = C v + R ; С р / C v = к, (.) где R - газовая постоянная, Дж /(кг К); к - показатель адиабаты, зависит от количества атомов в молекуле газа: для одноатомных газов - к =.66; для двухатомных газов - к =.4; для трех- и многоатомных - к =.33. Анализ уравнений (.) показывает, что во время нагревания газа при P=const затрачивается тепла больше, чем при V=const. Значение теплоемкости приближенно можно рассчитать следующим образом: C V = R / (К -) ; C P = К R / (К). Массовую С см и объемную С см теплоемость газовых смесей определяют по формулам: C см = Σ (C i g i) ; C см = Σ (C i r i), где C i массовая теплоемкость отдельного газа, Дж / (кг К); g i массовые доли газов, составляющих смесь; C i объемная теплоемкость отдельного газа, Дж / (м 3 К); r i объемные доли газов, составляющих смесь...5 Вопросы для самоконтроля Охарактеризуйте основные параметры рабочего тела. Какие виды давлений Вы знаете и какой из них используется в качестве термодинамического параметра? 3 С какой целью введено понятие «идеальный газ»? 3

15 4 Что характеризует уравнение Клапейрона? В чем заключается физическая суть газовой постоянной? 5 Газовая постоянная и универсальная газовая постоянная, отличие и связь между ними. 6 Охарактеризуйте особенности смесей идеальных газов и их основные характеристики. 7 В чем причина такого многообразия видов теплоемкостей?. Первый закон термодинамики.. Классификация термодинамических процессов Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое под воздействием окружающей среды называют термодинамическим процессом. Он может быть равновесным и неравновесным. Равновесный процесс процесс, проходящий через равновесные состояния, т.е. когда параметры газа одинаковы во всех точках объема. Равновесные процессы протекают настолько медленно, что в любой момент времени между рабочим телом и окружающей средой устанавливается равновесие. Основное условие равновесности - бесконечно медленное протекание процесса при бесконечно малой разности температуры и давления между окружающей средой и рабочим телом. Реальные процессы неравновесные. Неравновесность реальных процессов определяется, прежде всего, тем, что под влиянием внешних условий они протекают с конечными скоростями 4

16 и в рабочем теле не успевает устанавливаться равновесное состояние. Равновесные процессы для любого момента времени имеют фиксированные значения основных параметров, поэтому изображаются графически, с помощью диаграмм, например PVдиаграмм. Обратимые процессы процессы, протекающие через одни и те же равновесные состояния как в прямом, так и в обратном направлении. В термодинамике обратимым называют такой процесс, при совершении которого в прямом и обратном направлениях не происходит остаточных изменений ни в самой системе, ни в окружающей среде. Основные условия обратимости процессов: условие внешней обратимости - температурное и механическое равновесие, т.е. равенство температур и давлений рабочего тела и окружающей среды; условие внутренней обратимости - отсутствие трения, диффузии и других односторонне направленных процессов. Круговой процесс (цикл) ряд последовательных изменений равновесных состояний рабочего тела, в результате которых оно возвращается в исходное состояние. В природе и технике в чистом виде круговых процессов или циклов не существует, но абстрактное понятие о них позволяют решать многие задачи в теории тепловых двигателей... Работа расширения газа 5

17 Работа является количественной мерой передачи энергии одного тела другому путем механического (расширение, сжатие) или теплового (охлаждение, нагрев) воздействия. В технической термодинамике большое значение имеет работа, совершаемая системой при изменении объема. Чтобы получить представление об этой работе, выделим на воображаемой оболочке газа, определяющей границу термодинамической системы, элементарную площадку df. Подведем к газу тепло. Газ начнет расширяться и выполнять работу против внешних сил. Эта работа определяется как произведение силы (dn = P df) на величину перемещения dn: dl = Рdf dn или dl = P dv. Изобразим это на pv-диаграмме (рис..). P P P V dv V V Рисунок. PV-диаграмма На PV -диаграмме работа, которую совершил газ, определяется как площадь, находящаяся ниже линии процесса (линия -) и ограниченная ординатами удельного объема v и v. 6

18 v l p*dv v В общем случае, когда масса газа не равна кг, полная работа (L), совершаемая системой, определяется по формуле L = l m. Работу, совершаемую системой над окружающей средой, (расширение) принято считать положительной (полезной), а работу, совершаемую окружающей средой над системой, (сжатие) - отрицательной. Единицами измерения полной работы в системе СИ является джоуль (Дж), удельной работы Дж / кг. Работа всегда связана с перемещением тел в пространстве, поэтому она характеризует упорядоченную форму передачи энергии от одного тела к другому и является мерой переданной энергии. Поскольку величина работы пропорциональна увеличению объема, то в качестве рабочих тел, предназначенных для преобразования тепловой энергии в механическую, целесообразно выбирать такие, которые допускают значительные увеличения объема. Этим качеством обладают газы и пары жидкостей...3 Внутренняя энергия газа Внутренняя энергия системы включает в себя: кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц; потенциальную энергию взаимодействия частиц; энергию электронных оболочек атомов; 7

19 внутриядерную энергию. В большинстве теплоэнергетических процессов две последние составляющие остаются неизменными. Поэтому в дальнейшем под внутренней энергией мы будем понимать энергию хаотического движения молекул и атомов, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами. Кинетическая энергия молекул является однозначной функцией температуры, значение потенциальной энергии зависит от среднего расстояния между молекулами, следовательно, от занимаемого газом объема. Внутренняя энергия зависит только от основных параметров газа, поэтому является 4-м параметром состояния газа. Внутренняя энергия идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, не зависит от объема газа или давления, а определяется только его температурой. Обозначим полную внутреннюю энергию газа U (джоуль), а удельную, отнесенную к кг газа, - u (джоуль на килограмм). В термодинамике определяют не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение. Поэтому условно за нулевую точку отсчета произвольно взята температура Т = 73 К. U = U U, где U внутренняя энергия в начальном состоянии, Дж; U внутренняя энергия в конечном состоянии, Дж. Для бесконечно малого изменения состояния: du =C v dt. Изменение полной внутренней энергии для конечного интервала изменения температуры можно определить по формулам: u = С v (T T); U = m С v (T T). В этих формулах С v теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме, Дж / (кг К). 8

20 ..4 Аналитическое выражение -го закона термодинамики. Энтальпия Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Этот закон является фундаментальным законом природы, который получен на основе обобщения огромного количества экспериментальных данных и применим ко всем явлениям природы. Он утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую, причем убыль энергии одного вида дает эквивалентное количество энергии другого вида. Рассмотрим некоторое рабочее тело (газ) с объемом V и массой m, имеющее температуру Т и давление Р. Газу сообщается извне определенное количество тепла Q. В результате подвода теплоты газ будет нагреваться и расширяться. С энергетической точки зрения повышение температуры тела свидетельствует о увеличении внутренней энергии. Поскольку рабочее тело окружено средой, которая оказывает на него давление, то при своем расширении оно производит полезную работу против его внешнего давления. Так как никаких других изменений в системе не происходит, то по закону сохранения энергии можно записать: dq = du + dl (.) или, если масса равна кг, - dq = du + dl = du + p dv, (.3) т.е. теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение полезной работы. Полученное уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики. Рассмотрим уравнение (.3): работу запишем как произведение давления на изменение объема (dl=pdv) и, используя 9

21 математический прием (прибавление и вычитание одной и той же величины vdp), проведем математические преобразования: dq=du+pdv+vdp-vdp=du+d(pv)-vdp=d(u+pv)-vdp. Обозначим величину u+pv буквой h (энтальпия) и получим: dq = dh v dp. (.4) Энтальпия представляет собой полную энергию термодинамической системы, равную сумме внутренней энергии системы и потенциальной энергии, которая обусловлена тем, что газ находится под давлением. Единицы измерения полной энтальпии (Н) - джоуль, удельной энтальпии (h) джоуль на килограмм. Рассмотрим элементарное изменение энтальпии: dh = du + d(pv). Подставим в это уравнение du=c v dt и рv=rt: dh = C v dt + R dt = dt (Cv + R) = Cp dt или для конечного процесса при произвольной массе газа: H = m С p (T - T). (.5) Энтальпия это теплота, подводимая к телу в процессе нагрева его при постоянном давлении. Энтальпия является функцией основных параметров (u,p,v) и принята за 5-й основной параметр состояния рабочего тела...5 Первый закон термодинамики для потока газа Рассмотрим схематичную работу теплового двигателя. Поток газа массой кг с параметрами - давление р, удельный объем v и скорость - через входной патрубок поступает в тепловой 0

22 двигатель, где к нему подводится теплота извне q н. После совершения полезной работы газы выходят через выхлопной патрубок с параметрами p,v и скоростью. Запишем -й закон термодинамики в общем виде: q = u + l. (.6) Проанализируем каждый член уравнения (.6). Теплота q состоит из частей: теплоты, подводимой к потоку извне, q н и теплоты, возникающей за счет трения подвижных частей о неподвижные, q тр. Изменение внутренней энергии u определяется разностью внутренней энергии газа в конечном и начальном состоянии. Работа расширения газа состоит из 5 составных частей: - работа по вталкиванию порций газа во входном патрубке - работа выполняется за счет внешнего источника энергии, считается отрицательной, эта работа вталкивания равна р v ; - работа, которую выполняет газ после агрегата по выталкиванию предыдущей порции газа из патрубка - эта работа положительная и равна р v ; - часть работы расходуется на трение l тр; - полезная (техническая) работа, которая выполняется в агрегате l т; - работа, которая расходуется на увеличение кинетической энергии потока газа. Подставим полученную информацию в уравнение (.6) : q н +q тр = u -u - p v + p v + l тр + l т + (ω ω) /. В данном выражении q тр = l тр (согласно закону сохранения энергии), u + p v = h и u + p v = h, тогда q н = h - h + l т + (ω ω) /. (.7)

23 Уравнение (.7) является математическим выражением -го законa термодинамики для потока газа. В дифференциальном виде уравнение имеет вид dq н = dh + dl т + d. (.8) Количество теплоты, подводимое к потоку газа извне, расходуется на увеличение энтальпии потока газа, увеличение кинетической энергии и на выполнение технической работы...6 Энтропия газов Клаузиусом для более полного исследования термодинамических процессов был введен 6-й параметр состояния - энтропия. Величина dq=du+pdv не является полным дифференциалом. Действительно, чтобы проинтегрировать правую часть, нужно знать зависимость давления от объема, т.е. процесс, который совершает газ. В математике есть прием превращения в полный дифференциал путем умножения (или деления) на интегрирующий множитель (или делитель). Для элементарного количества теплоты dq интегрирующим делителем является абсолютная температура Т. Рассмотрим это на примере идеального газа. Подставим в уравнение (.3) выражения для внутренней энергии,а давление выразим через параметры газа: dq = C v dt + R T dv / v. (.9) Для превращения в полный дифференциал разделим обе части уравнения (.9) на абсолютную температуру Т: dq / T = C v dt / T + R dv / v. (.0)

24 Величина dq /T при равновесном изменении состояния газа есть полный дифференциал некоторой функции состояния и называется энтропией (ds). Единицы измерения полной энтропии (S) джоуль на кельвин, удельной энтропии (s) джоуль на килограмм-кельвин. Энтропия функция состояния термодинамической системы, которая характеризует хаотичность (неупорядоченность) системы. Энтропию часто называют приведенной теплотой, т.к. она показывает отношение теплоты до абсолютной температуры газа. После интегрирования уравнения (.0) получим: T S S Cv ln R ln T v. (.) Используя уравнение Клапейрона, можно легко получить выражения изменения энтропии через другие параметры рабочего тела: S P S C ln ln P C v v v v ; (.) T S S Cv ln R ln T v. (.3) Энтропия есть функция состояния рабочего тела, поэтому уравнениями (.) (.3) можно пользоваться вне зависимости от пути перехода рабочего тела между состояниями. Понятие энтропии позволяет ввести удобную для термодинамических расчетов TS-диаграмму, на которой состояние системы изображается точкой, а равновесный процесс линией (рис..). Из определения энтропии можно записать: dq=tds. (.4) v 3

25 Из уравнения (.) видно, что тепло и энтропия изменяются в одном и том же направлении, т.к. абсолютная температура всегда положительна: при нагревании тела (dq>0) его энтропия возрастает (ds>0), при охлаждении тела (dq<0) его энтропия убывает (ds<0). Т, К Т Т S ds S S, Дж/(кг К) Рисунок. TS-диаграмма Выделим на TS-диаграмме элементарное изменение энтропии ds. Произведение TdS характеризует площадь прямоугольника и равно элементарной теплоте. Проинтегрируем уравнение (.4). Геометрический смысл интеграла - это сумма элементарных площадей dst, т.е. получим площадь, ограниченную линиями S =const, S =const и линией процесса - (см. рис..): q S S TdS Таким образом, на TS-диаграмме площадь, ограниченная линий процесса, крайними ординатами и осью абсцисс, эквивалентна теплоте процесса.. 4

26 ..7 Термодинамические процессы идеальных газов -й закон термодинамики устанавливает связь между теплотой, изменением внутренней энергии и механической работой. При этом количество теплоты, подводимое к рабочему телу, зависит от способа подвода теплоты или характера термодинамического процесса. Выделяют следующие методы подвода теплоты к рабочему телу: изохорный - V = const; изобарный - P = const; изотермический - T = const; адиабатный - q = const; политропный - С = const. При исследовании термодинамических процессов необходимо: Построить процесс на PV- и TS-диаграммах. Определить начальные и конечные параметры рабочего тела. 3 Вывести уравнение процесса, устанавливающее связь между начальными и конечными параметрами рабочего тела в данном процессе. 4 Определить изменение внутренней энергии, энтропии и величину работы изменения объема газа. Рассмотрим по данной схеме основные термодинамические процессы. Изохорный процесс Изохорным называют процесс, протекающий при неизменном объеме рабочего тела, V=const, dv=0. 5

27 Связь между конечными и начальными параметрами выражается законом Шарля: при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре: Р / Р = Т / Т. (.5) Работа расширения в изохорном процессе равна нулю, так как изменение объема равно нулю. Следовательно, согласно -му закону термодинамики можно записать: dq = du = C v dt, (.6) или для конечного изменения температуры и произвольной массы газа: U = m С v (T - T). (.7) Все тепло, которое подводится к газу в изохорном процессе, расходуется на увеличение внутренней энергии газа, т.е. газ нагревается. Изменение энтропии в изохорном процессе можно определить следующим образом: S S = C v ln (Р /Р) = C v ln (T /T). (.8) Зависимость энтропии от температуры имеет логарифмический характер. Изобарный процесс Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении, p=const, dp=0. Связь между конечными и начальными параметрами выражается законом Гей Люссака: в изобарном процессе объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре: V / V = T / T. (.9) Работа, которую выполняет газ при расширении, в данном случае определяется следующим образом: L = p (V - V). (.30) 6

28 Количество теплоты, затраченное на расширение газа при постоянном давлении, равно изменению энтальпии газа: q = h = С p (T - T). (.3) Изменение энтропии можно определить, зная изменение температур или объемов рабочего тела: S S = C р ln (v /v) = C p ln (T /T). (.3) Т V=const P=const Рисунок.3 ТS - диаграмма изобарного и изохорного процессов Сравним на TS -диаграмме два процесса (рис..3) изохорный (линия -) и изобарный (линия -). Из рис..3 видно, что при нагревании газа до одной и той же температуры при постоянном давлении требуется затратить больше тепла, чем при постоянном объеме. Изотермический процесс Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре, Т=const, dt=0. Связь между конечными и начальными параметрами выражается законом Бойля-Мариотта: при изотермическом сжатии давление газа возрастает, а при расширении падает: Р / Р = V /V или РV = const. (.33) Изменение внутренней энергии равно нулю, т.к. Т= const. 7

29 В изотермическом процессе все тепло, подводимое к газу, расходуется на выполнение полезной работы. Работа изотермического процесса определяется: l = p v ln (v / v) = R T ln (v / v). (.34) Изменение энтропии можно определить по формуле S S = R ln (v /v) = R ln (P /P). (.35) Адиабатный процесс Адиабатным называют процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой, q=const, dq=0. Для осуществления такого процесса следует либо теплоизолировать газ, либо провести процесс настолько быстро, чтобы изменение температуры газа, обусловленное теплообменом, было пренебрежительно мало по сравнению с изменением температуры, вызванным расширением или сжатием газа. Уравнение адиабаты имеет следующий вид: р v к = const или p v к = p v к, (.36) где к - показатель адиабаты, зависящий от природы газа. Сравним изотермический и адиабатный процессы на PVдиаграмме (рис..4). Графиком изотермического процесса в pvкоординатах, как показывает уравнение (.33), является равнобокая гипербола, для которой оси служат асимптотами. Поскольку к >, то линия адиабаты (-3) идет круче линии изотермы (-). Р 3 8 V

30 Рисунок.4 РV-диаграмма изотермического и адиабатного процессов Для определения связи между основными параметрами адиабатного процесса решим совместно уравнение Клапейрона и уравнение адиабаты для состояний. В результате получим: T T V V K P P K K. Работа расширения при адиабатном процессе согласно -му закону термодинамики совершается за счет уменьшения внутренней энергии: q = u + l = 0 ; l = - u = C v (T - T). (.37) Работу расширения в адиабатном процессе можно вычислить и по другой формуле: l = R (T T) / (к-) = (p v p v) / (к -). (.38) Энтропия рабочего тела в адиабатном процессе не изменяется, т.к. dq=0. Следовательно, на TS-диаграмме адиабатный процесс изображается вертикальной линией. Политропные процессы Имеется группа процессов, которые протекают при постоянной теплоемкости. Условились эти процессы называть политропными. Они описываются уравнением вида р v n = const, где n показатель политропы, может принимать любое численное значение в пределах от - до +, но для данного процесса эта величина постоянная. 9

31 Учитывая внешнее сходство уравнений политропы и адиабаты, можно связь между основными параметрами представить в следующем виде: T T V V n P P n n. формуле Работа расширения в политропном процессе определяется по l = R (T T) / (n-) = (p v p v) / (n -). (.39) Количество подведенного (или отведенного) тепла можно определить с помощью -го закона термодинамики: q = C v (n - к) (T T) / (n -) = C n (T T), где C n - теплоемкость идеального газа в политропном процессе. Изменение энтропии в политропном процессе: S S = С n ln (T / T). Политропный процесс имеет обобщающие значения, т.к. охватывает всю совокупность основных термодинамических процессов. Рассмотрим это на диаграммах рис..5. P n=± T n=0 n= n=к n= n=0 n=± n=к V S 30

32 Рисунок.5 Частные случаи политропного процесса Из рис..5 видно: для изобарного процесса - n=0, С n = C p ; для изотермического процесса - n=, С n = ; для адиабатного процесса - n = к, C n = 0; для изохорного процесса - n = ±, C n =C v. Процессы, находящиеся правее изохоры, характеризуются положительной работой, процессы, расположенные левее изохоры отрицательной работой. Процессы, расположенные правее и выше адиабаты, идут с подводом теплоты к рабочему телу, процессы, лежащие левее и ниже адиабаты, протекают с отводом теплоты. Для процессов, расположенных над изотермой,характерно увеличение внутренней энергии; процессы, расположенные под изотермой, сопровождаются уменьшением внутренней энергии...8 Вопросы для самоконтроля Охарактеризуйте равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые термодинамические процессы. Каким образом можно определить работу расширения? 3 Какими свойствами обладает PV-диаграмма? 4 Что характеризует внутренняя энергия рабочего тела и как ее можно рассчитать? 5 В чем заключается сущность -го закона термодинамики? 6 В чем заключается особенность -го закона термодинамики применительно к потоку газа? 7 Что характеризует энтропия рабочего тела и каким образом ее можно определить? Свойства TS-диаграммы. 3

33 8 Какие этапы включает в себя исследование термодинамических процессов идеальных газов? 9 Дать характеристику изохорных процессов. 0 Какова особенность изобарных процессов? Сравните эти процессы на TS-диаграмме. Охарактеризуйте изотермические процессы. Какова особенность адиабатных процессов? Сравните изотермический и адиабатный процесс на p-v-диаграмме. 3 Покажите на диаграммах обобщающее значение политропного процесса..3 Реальные газы.3. Свойства реальных газов Реальные газы отличаются от идеальных тем, что молекулы этих газов имеют конечные собственные объемы и связаны между собой силами взаимодействия, имеющими электромагнитную и квантовую природу. Отличие свойств реальных газов от идеальных исключило возможность применения к ним в чистом виде законов идеального газа. При практических расчетах различных свойств реальных газов находит широкое применение отношение (.40), которое получило название коэффициента сжимаемости (с): с = рv / R T. (.40) Коэффициент сжимаемости характеризует отклонение свойств реального газа от свойств идеального. Для идеальных газов при любых условиях с=, для реальных газов значение коэффициента сжимаемости в зависимости от давления и температуры может быть больше или меньше и только при очень малых давлениях и высоких температурах оно практически равно единице. 3

34 Одной из первых попыток аналитически описать свойства реальных газов является уравнение Ван-дер-Ваальса (873 г.). Им было введено две поправки в уравнение Клапейрона: a P (v b) v 33 RT, где a и b - постоянные для данного газа. Слагаемое а / v в первом множителе учитывает влияние сил взаимодействия молекул; во втором множителе b учитывает влияние объема молекул. Легко видеть, что применительно к идеальному газу это уравнение принимает вид уравнения состояния Клапейрона. Практически пользоваться уравнением Ван-дер- Ваальса нельзя, т.к. оно дает результаты, недостаточно точные для нужд современной техники. Наиболее точным является в настоящее время уравнение состояния реальных газов, разработанное М.П.Вукаловичем и Н.И.Новиковым (939 г.) При выводе своего уравнения авторы учитывали влияние ассоциации и диссоциации молекул под влиянием межмолекулярных сил взаимодействия: a (P)(v b) RT 3 m v где a,b - постояные уравнения Ван-дер-Ваальса, приведенные в справочных таблицах; c,m - коэффициенты, зависящие от природы газа, определяются экспериментально и приводятся в справочных таблицах. Однако для практических целей пользоваться этим, как и другими уравнениями состояния реального газа, неудобно вследствие сложности их и необходимости выполнения трудоемких вычислений. Обычно пользуются готовыми данными, например для vt C,

35 водяного пара существуют таблицы водяного пара и энтальпийноэнтропийные диаграммы водяного пара. Во многих отраслях народного хозяйства в качестве рабочих тел используются пары различных веществ (воды, аммиака, углекислого газа, фреонов и др.) и атмосферный воздух. Наиболее часто используемые - это водяной пар и атмосферный воздух..3. Водяной пар Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием. Испарением называют парообразование, которое происходит всегда при любой температуре со свободной поверхности жидкости или твердого тела. Сущность процесса испарения: отдельные молекулы, имеющие большие скорости, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры. Процесс кипения заключается в том, что если к жидкости подводить теплоту, то при некоторой температуре, зависящей от физических свойств рабочего тела и давления, наступает процесс парообразования как на свободной поверхности жидкости, так и внутри. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Процесс конденсации, так же как и процесс парообразования, протекает при постоянной температуре, если при этом давление не меняется. Если воду поместить в закрытый сосуд, то молекулы, испаряющиеся со свободной поверхности, будут заполнять пространство над жидкостью. Одновременно часть молекул будет 34

36 снова возвращаться в жидкость. В некоторый момент количество молекул, вылетающих из жидкости, будет равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость. В этот момент в пространстве над жидкостью будет находиться максимально возможное количество молекул. Пар в этом состоянии имеет максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным водяным паром, т.е. паром, соприкасающимся с жидкостью и находящимся в термическом с ней равновесии. С изменением температуры жидкости равновесие нарушается, вызывая соответствующее изменение плотности и давления насыщенного пара. Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные высокодисперсные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара определяется только одним параметром - давлением, или удельным объемом, или температурой. Насыщенный пар, в котором содержатся взвешенные высокодисперсные частицы жидкой фазы, равномерно распределенные по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром. Отношение массы сухого насыщенного пара к суммарной массе влажного насыщенного пара называется степенью сухости пара или паросодержанием (х): для кипящей жидкости - х = 0; для сухого насыщенного пара - х = ; для влажного насыщенного пара - 0 < x <. Массовая доля кипящей жидкости во влажном паре, равная (- х), называется степенью влажности пара. Состояние влажного пара определяется двумя параметрами: температурой (или давлением) и степенью сухости пара. Если сухому насыщенному пару сообщить некоторое количество теплоты при постоянном давлении, то температура его будет возрастать. Такой пар называют перегретым, он при данном 35

37 давлении имеет более высокую температуру и удельный объем, чем сухой насыщенный пар. Теперь, вспомнив основные понятия, можно приступить к рассмотрению PV диаграммы процесса парообразования. Фазовая PV- диаграмма системы, состоящей из жидкости и пара, представляет собой график зависимости удельных объемов воды и пара от давления (рис..6). Р, Па Е К P N S A A B D В v 0 А v v v Рисунок.6 PV-диаграмма водяного пара Пусть вода при 0 о С и некотором давлении Р занимает удельный объем v 0 (отрезок NS). Вся кривая АЕ выражает зависимость удельного объема воды от давления при температуре 0 0 С. Кривая АЕ практически параллельна оси ординат, т.к. вода - вещество практически несжимаемое. Если при P=const сообщать воде теплоту, то ее температура и удельный объем будут расти. При некоторой температуре t н вода закипает, а ее удельный объем v` в точке A достигнет при данном давлении максимального значения. Кривая АК - зависимость удельного объема кипящей воды от давления, ее называют пограничной кривой жидкости (нижняя 36

38 пограничная кривая). Характеристикой кривой АК является степень сухости х=0. При дальнейшем подводе теплоты при P=const начнется процесс парообразования. При этом количество воды уменьшается, а количество пара растет. В момент окончания парообразования в точке В пар будет сухим насыщенным. Если процесс парообразования протекает при P=const, то температура его не изменяется и процесс А В является одновременно изобарным и изотермическим. Кривая КВ выражает зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления, называется пограничной кривой газа (верхняя пограничная кривая). Характеристикой кривой КВ является степень сухости х=. Точка А соответствует состоянию кипящей жидкости в тройной точке (t 0 =0.0 о C), а изобара АВ соответствует состояниям равновесия всех трех фаз, она практически сливается с осью абсцисс (Р 0 =0.006 бар). Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту при P=const, то его температура и объем будут расти, а пар из сухого насыщенного перейдет в перегретый (точка D). На диаграмме можно выделить следующие характерные зоны: между осью ординат и изотермой ЕА - "вода + лед"; между ЕА и нижней пограничной кривой АК - "жидкость"; между нижней и верхней пограничными кривыми АК и КВ - "вода + пар"; вправо и вверх от КВ - "перегретый пар". Точку А (вода находится одновременно в жидком, твердом и газообразном состояниях) называют тройной точкой воды, ее параметры: Р 0 = бар, Т = 0.0 о C, V 0 = 0.00 м 3 / кг. 37

39 Верхняя и нижняя пограничные кривые сходятся в одной точке К, которую называют критической точкой. Критическая точка является конечной точкой фазового перехода «жидкость пар», начинающегося в тройной точке воды. Выше этой точки существование вещества в двухфазном состоянии невозможно. Параметры критической точки для воды: T к = 374. о С; v к = м 3 /кг; p к =.5 МПа. Для практических расчетов теплоэнергетических процессов, в которых используется водяной пар, требуются термодинамические параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара. Эти данные берут из таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара, которые получены расчетами по уравнению Вукаловича- Новикова. В этих таблицах величины со штрихом относятся к воде, нагретой до температуры кипения, а величины с двумя штрихами - к сухому насыщенному пару. За нулевое состояние, от которого отсчитываются величины энтальпии и энтропии, условно принято состояние воды в тройной точке. Количество теплоты, затраченное на парообразование кг воды при температуре кипения до сухого насыщенного пара, называется удельной теплотой парообразования и обозначается - r, кдж/кг. Состояние кипящей воды и сухого насыщенного пара определяется только одним параметром, поэтому по известному давлению или температуре по таблице можно определить все эти значения. Удельная внутренняя энергия определяется из общей формулы для энтальпии: u = h p v. 38

40 Термодинамические величины влажного насыщенного пара определяются по правилу аддитивности: v x = x v + (x) v = v + x (v v); h x = h + x (h h) = h + r x; s x = s + x (s s) = s + r x/ T н; u x = h x p v x. Теперь рассмотрим TS-диаграмму процесса парообразования при заданном давлении Р (рис.7). Т, К Д В М С 73 А Т н S S x S S S, кдж/кг Рисунок.7 TS-диаграмма водяного пара при постоянном давлении На диаграмме линия АВ характеризует изменение энтропии воды в изобарном процессе; точка В - кипящая вода, параметры S` и T н - при данном давлении. Количество теплоты, затраченное на нагрев воды до температуры кипения, эквивалентно площади под кривой АВ, с некоторым допущением она равна удельной энтальпии кипящей воды h. 39

41 Линия ВС характеризует процесс парообразования (P=const, T=const).Количество теплоты, подведенное при парообразовании и равное r, определяется площадью под кривой ВС: r = T н (S S). Точка С характеризует конец парообразования - состояние сухого насыщенного пара. Если в конце испарения получаем влажный пар (например, точка М) со степенью сухости х, то количество теплоты определяется площадью под линией ВМ: (Sx S) T н = r x. Степень сухости можно найти из соотношения x = ВМ / ВС = (Sx S) / (S S). Линия СД характеризует нагрев сухого насыщенного пара, т.е. получение перегретого пара. Теплота, которая при этом затрачивается, равна площади под кривой СД. В общем, для любого давления TS-диаграмма водяного пара имеет следующий вид (рис..8). Т К Р х=0 Р Р 3 А В х=0. х=0.9 х=.0 40 S

42 Рисунок.8 ТS-диаграмма водяного пара На диаграмме точка А соответствует тройной точке воды (S 0 =0, T 0 =73,6 К); линия АК характеризует нижнюю пограничную кривую, соответствует кипящей воде; линия КВ-верхняя пограничная кривая, соответствует сухому насыщенному пару. Левее линии АК находится область жидкостей, между линиями АК и КВ - двухфазная область влажного насыщенного пара, вправо и вверх от линии КВ - область перегретого пара, точка К-критическая точка. Линия АВ - нулевая изотерма-изобара, ниже которой вода находится в виде льда и пара. На диаграмму наносят изобары, изохоры и линии постоянной степени сухости. На TS-диаграмме площадь под кривой процесса эквивалентна количеству теплоты, подведенной или отведенной от рабочего тела. Достаточно широко применяется диаграмма при теоретических исследованиях. Энтальпийно-энтропийная диаграмма водяного пара Эта диаграмма впервые предложена Молье. Достоинством диаграммы является то, что техническая работа и количество теплоты изображаются отрезками линий, а не площадями, как в TSдиаграмме. Диаграмма строится путем переноса числовых данных таблиц водяного пара в TS-координаты (рис..9). За начало координат принято состояние воды в тройной точке (s 0 =0; h 0 =0). Откладывая на диаграмме для различных состояний значения энтальпии и энтропии для воды при температуре кипения и сухого насыщенного пара, получают нижнюю и верхнюю пограничные кривые. Линии изобар-изотерм в области влажного пара представляют собой веер прямых наклонных линий, тангенс угла наклона которых 4

43 равен абсолютной температуре данного состояния. Крайняя изобара критического давления идет наиболее круто. Отсюда следует, что точка К лежит не на вершине, как в TS-диаграмме, а на левом склоне пограничной кривой. h, кдж/кг Р Р Т Р 3 Т Р 4 К Т 3 Т 4 В A S, кдж/ (кг К) Рисунок.9 hs-диаграмма водяного пара В области перегретого пара изобары и изотермы расходятся, изобары имеют логарифмическую зависимость, а изотермы постепенно переходят в горизонтальные прямые. На диаграмме наносят также линии постоянного объема, идущие круче изобар (пунктирные линии, на рис..9 не показаны). Рассмотрим, сколько необходимо знать параметров системы, чтобы однозначно определить ее положение на диаграмме: в области влажного пара - параметра: х и Р(Т) ; кипящая вода (линия АК) - параметр: Р(Т) ; сухой насыщенный пар (линия КВ) - параметр: Р(Т); перегретый пар - параметра: Р и Т. 4

44 Обычно всю диаграмму не выполняют, а строят только ее верхнюю часть, наиболее употребимую в практике расчетов. Это дает возможность изображать ее в более крупном масштабе. Для анализа работы паросиловых установок существенное значение имеют изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Расчеты этих процессов можно выполнить либо с помощью таблиц воды и водяного пара, либо с помощью hsдиаграммы. Первый способ более точен, но второй более прост и нагляден. Общий метод расчета по диаграмме заключается в следующем. По известным параметрам наносится начальное состояние рабочего тела, затем проводится линия процесса и определяются его параметры в конечном состоянии. Далее вычисляется изменение внутренней энергии, определяется количество теплоты и работы в данном процессе..3.3 Атмосферный воздух. h-d-диаграмма влажного воздуха В качестве рабочего тела широко используют влажный воздух. Влажный воздух - это смесь сухого воздуха и водяного пара. Он имеет одну особенность, в отличие от других газовых смесей: при одних и тех же температуре и давлении воздух может содержать разное количество водяного пара. Основные характеристики влажного воздуха: Абсолютная влажность - количество водяного пара в м 3 влажного воздуха, численно равное плотности пара (ρ п) при его парциальном давлении (Р п). Согласно закону Дальтона общее 43

45 давление влажного воздуха состоит из парциального давления водяного пара (Рп) и парциального давления сухого воздуха (Р в). Относительная влажность (φ) - отношение действительной абсолютной влажности ρ п к максимально возможной абсолютной влажности ρ п max при той же температуре: φ = ρ п / ρ п max. Для сухого воздуха φ =0, для насыщенного (смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара) φ =. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом. Температура, до которой нужно охладить ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал насыщенным, называется температурой точки росы. При охлаждении ниже данной температуры происходит конденсация водяного пара. Поэтому температуру точки росы часто используют как меру содержания в воздухе воды в парообразном состоянии. Ее определяют с помощью гигрометра. Влагосодержание воздуха - отношение массы водяного пара (m п), содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха (m B): d = m п / m B. Единицы измерения влагосодержания кг / кг или г / кг. Влагосодержание, в г / кг, можно рассчитать по уравнению d = 0.6 Р n / (P - P n), где Р п - парциальное давление пара, Па; Р - общее давление, Па. Из уравнения видно, что с увеличением парциального давления пара влагосодержание увеличивается. Максимальное влагосодержание зависит от температуры и давления влажного воздуха. 44

ТЕПЛОФИЗИКА План лекции: 1. Термодинамика (основные положения и определения) 2. Внутренние параметры состояния (давление, температура, плотность). Уравнение состояния идеального газа 4. Понятие о термодинамическом

ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Политропные процессы. Работа и теплота политропного процесса 3. Исследование политропных процессов 4. Определение показателя политропы 5. Характеристики политропных процессов

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Техническая термодинамика (основные положения и определения) 2. Внутренние параметры состояния (давление, температура, плотность). Понятие о термодинамическом

Сегодня среда, 9 июля 04 г. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Лекция 4 Содержание лекции: *Обратимые и необратимые процессы *Число степеней свободы молекулы *Закон Больцмана *Первое начало термодинамики

Лекция 6. Водяной пар и паровые процессы Водяной пар один из наиболее распространенных в теплотехнике газов. Он встречается в различных состояниях. В одних случаях, как это имеет место в процессах горения,

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Опыты Эндрюса. Критические параметры состояния 2. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении. Влажный воздух Лекция 14 1. ОПЫТЫ ЭНДРЮСА. КРИТИЧЕСКИЕ

Практическое занятие 4 Термодинамические процессы 5 марта 2016 Процессы идеальных газов: 1) Изохорный, происходящий при постоянном объеме газа (V=const); 2) Изобарный, происходящий при постоянном давлении

3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 Параметры состояния тела 5. Удельный объем и плотность 5.2 Давление 5.3 Температура 6 2 Идеальный газ, уравнение состояния идеального газа 7 3 Газовые смеси 9 3. Понятие о газовой

1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Основные положения и определения Два подхода к изучению вещества Вещество состоит из огромного числа микрочастиц - атомов и молекул Такие системы называют макросистемами

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ТЕРМОДИНАМИКА Распределение Максвелла Начала термодинамики Цикл Карно Распределение Максвелла В газе, находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Анализ уравнения первого закона термодинамики. Политропные процессы 3. Работа и теплота политропного процесса 4. Исследование политропных процессов 5. Определение

Теоретическая справка к лекции 3 Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) Газы принимают форму сосуда и полностью заполняют объѐм, ограниченный непроницаемыми для газа стенками Стремясь расшириться,

Основы термодинамики и молекулярной физики 1 Первое начало термодинамики. Теплоемкость как функция термодинамического процесса. 3Уравнение Майера. 4 Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. 5 Обратимые

Лекция 4 Основные положения молекулярнокинетической теории строения вещества. Термодинамические системы. Энтропия. Все вещества состоят из атомов и молекул. Атом наименьшая структурная единица химического

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Взаимодействие системы с окружающей средой. Уравнение первого закона термодинамики. Основные термодинамические процессы 3. Основные положения второго закона 4. Термодинамические

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Уравнение состояния реальных газов и паров. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении. Парогазовые смеси. Влажный воздух 4. Цикл воздушной холодильной

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Лекция 7 ТЕПЛОЕМКОСТЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Термины и понятия Возбудить Вымерзать Вращательная степень свободы Вращательный квант Высокая температура Дискретный ряд значений Классическая теория теплоемкости

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие......................................... 5 1. Основы технической термодинамики................... 6 1.1. Основные понятия и определения.................... 6 1.1.1. Параметры состояния

ТЕРМОДИНАМИКА Лекция План лекции:. Основные положения и определения термодинамики (термодинамическая система, термодинамический процесс, параметры состояния) 2. Внутренние параметры состояния (давление,

63 Лекция Основы термодинамики гл 9 5-54 План лекции Основные понятия термодинамики Число степеней свободы молекулы Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы 3 Внутренняя энергия

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Лекция 12 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА Термины и понятия Абсолютная температура газа Вакуум Длина свободного пробега Законы идеального газа Идеальный газ Изобара Изобарический

Температура 1. Термометрическое вещество и термометрическая величина (свойство). 2. Температура и давление 3. Постоянная Больцмана. Температура 2 m0 < v кв > p = n Из уравнения 3 2 следует, что давление

Условие задачи Решение 2.Молекулярная физика и термодинамика 7. Распределение Максвелла и Больцмана. Формула Больцмана характеризует распределение частиц, находящихся в состоянии хаотического теплового

Лекция 4. Термодинамические свойства и процессы реальных газов. Водяной пар и влажный воздух. 1. Уравнение состояния реальных газов. Газовые смеси. Реальные газы отличаются от идеальных тем, что их молекулы

ВОДЯНОЙ ПАР Основные понятия Газообразные тела (с примесью одноименной жидкости в виде взвешенных мелкодисперсных частиц или без нее) принято называть парами. Все пары являются реальными газами и подчиняются

Лекция 11 Кинетическая теория идеальных газов. Давление и температура. Опытные законы идеального газа. Молекулярно - кинетическая теория раздел физики, изучающий свойства вещества на основе представлений

Вариант 1. 1. Можно ли использовать статистические методы при изучении поведения микроскопических тел? Почему? 2. Может ли единичная молекула находиться в состоянии термодинамического равновесия? 3. Если

Газовые законы. Уравнение Клапейрона Менделеева (Лекция 1а, 2015-2016 учебный год) Температура и способы ее измерения Из повседневного опыта каждый знает, что бывают тела горячие и холодные. Опыты и наблюдения

6 Молекулярная физика и термодинамика Основные формулы и определения Скорость каждой молекулы идеального газа представляет собой случайную величину. Функция плотности распределения вероятности случайной

Лекция 4 Кинетическая теория идеальных газов. Давление и температура. Опытные законы идеального газа. Основное уравнение молекулярнокинетической теории газов. Адиабатический процесс. Термодинамика Термодинамика

Московский государственный университет им.м.в.ломоносова Химический факультет Успенская И.А. Конспект лекций по физической химии (для студентов биоинженерии и биоинформатики) www.chem.msu.ru/teaching/uspenskaja/

ВАРИАНТ 1 1. Два сосуда емкостью 0,2 и 0,1 л разделены подвижным поршнем, не проводящим тепло. Начальная температура газа в сосудах 300 К, давление 1,01 10 5 Па. Меньший сосуд охладили до 273 К, а больший

Лекция 10 Изопроцессы. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Работа и теплота в изопроцессах. Нурушева Марина Борисовна старший преподаватель кафедры физики 03 НИЯУ МИФИ Уравнение Менделеева

9. Примеры применения второго начала термодинамики Пример. огда газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большим запасом внутренней энергии: в момент проскакивания электрической искры или

Глава 6 Основы термодинамики 9 Число степеней свободы молекулы Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул Внутренняя энергия U это энергия хаотического движения микрочастиц системы

ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Взаимодействие системы с окружающей средой 2. Уравнение первого закона термодинамики 3. Анализ уравнения первого закона термодинамики 4. Термодинамические процессы (равновесие

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Введение. Основные положения термодинамики (термодинамическая система, термодинамический процесс). Параметры состояния (давление, температура, плотность) 4. Уравнение

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Термодинамика это наука, изучающая условия превращения различных видов энергии в тепловую и обратно, а также количественные соотношения, наблюдаемые при этом

5.4. Термодинамические процессы воды и водяного пара При анализе процессов изменения состояния воды и водяного пара следует иметь в виду, что все отмеченные здесь особенности характерны для расчета процессов

Профессор Сабылинский АВ Лабораторная работа - ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ОБЪЁМЕ МЕТОДОМ КЛЕМАНА-ДЕЗОРМА Студент: группа: Допуск Выполнение Защита Цель работы:

ФИЗИКО--ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Кафедра «Общая и теоретическая физика» Потемкина С.Н. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 7 ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА Тольятти 7 Содержание. Цель работы...3. Приборы

Практическое занятие 5 Термодинамические процессы Процессы идеальных газов: 1) Изохорный, происходящий при постоянном объеме газа (V=const); 2) Изобарный, происходящий при постоянном давлении (p=const);

Лекция 2 Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Политропные процессы Внутренняя энергия. Как известно, в механике различают кинетическую энергию движения тела как целого, потенциальную энергию тел

Лабораторная работа Определение отношения теплоемкостей газа Цель работы: Найти величину отношения C P /C V для воздуха. Оборудование: Закрытый стеклянный баллон с двумя трубками и краном; манометр; ручной

Education Quality Assurance Centre Институт Группа ФИО MODULE: ФИЗИКА (ТЕРМОДИНАМИКА_МОДУЛЬ 2) Ответ Вопрос Базовый билет Нас 1 2 Броуновское движение это движение 1) молекул жидкости 3) мельчайших частиц

Итоговый тест, Машиноведение (Теплотехника) 1. Идеальный газ отдал количество теплоты 300 Дж и при этом внутренняя энергия газа уменьшилась на 100 Дж. Работа, совершенная газом, равна 1) 400 Дж 2) 200

Физико-технический факультет Теория: Молекулярная физика. Термодинамика Шимко Елена Анатольевна к.п.н., доцент кафедры общей и экспериментальной физики АлтГУ, председатель краевой предметной комиссии по

Основы термодинамики и молекулярной физики Термодинамический цикл. Цикл Карно. 3 Второй закон термодинамики. 4 Неравенство Клаузиуса. 5 Энтропия системы. Тепловая машина Циклически действующее устройство,

Общая физика (молекулярная физика и термодинамика) Глава 3. Элементы термодинамики к.ф.-м.н., доцент Андрей Юрьевич Антонов направление 27.03.03 «Системный анализ и управление» 1. Основные законы термодинамики

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Условия устойчивости и равновесия в изолированной однородной системе. Условия фазового равновесия 3. Фазовые переходы Лекция. УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И РАВНОВЕСИЯ В

РАБОТА 2 ИЗУЧЕНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ ВОЗДУХА Цель работы: проверить выполнение закона Бойля-Мариотта при изотермических процессах. Введение Термодинамика имеет дело с термодинамической

Лекция 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Основные понятия Термодинамика является феноменологической теорией макроскопических систем, поэтому вcе её основные понятия берутся непосредственно из эксперимента. Термодинамическая

1 Лабораторная работа 601 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ВОЗДУХА Теоретическое введение Теплоемкостью тела называется величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания данного тела

Банк заданий. Изменение агрегатных состояний вещества. Газовые законы. Тепловые машины. 2.1. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха. К каждому из заданий даны 4 варианта ответа, из

1. Основные понятия и определения

1.1. Введение

Теплотехника - наука, которая изучает:

Методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты;

Принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Различают энергетическое и технологическое использование теплоты.

При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в электрических машинах - генераторах - создается электрическая энергия. Теплоту при этом получают на котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом использовании с помощью теплоты изменяют свойства тел (расплавление, затвердевание, изменение структуры и свойств).

Теоретическая основа теплотехники - термодинамика (ТД) - рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты и работы. ТД 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 опирается на два основных закона (начала) термодинамики .

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

Один из теоретических разделов теплотехники - технические основы теории теплообмена . В этом разделе исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты.

1.2. Термодинамическая система

Объект исследования ТД - термодинамическая система , которой могут быть группа тел, тело или часть тела. Находящееся вне системы называется её окружающей средой.

ТД система - это совокупность макроскопических тел, способных обмениваться энергией и веществом друг с другом и окружающей средой. Например, ТД система - это газ, находящийся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда - цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Закрытая система - ТД система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом, в отличие от открытой системы , которая обменивается с другими телами и энергией и веществом.

Изолированная система - система, не взаимодействующая с окружающей средой(не обменивающаяся с окружающей средой ничем).

Адиабатная (теплоизолированная) система - система с адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой.

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

Гомогенная система - однородная по составу и физическому строению система, 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 - газа, пара.

ведущий инженер кафедры ТГП физического факультета

физико-технического института.

Раздел I. Техническая термодинамика.

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1. Введение1.2. Термодинамическая система.1.3. Параметры состояния.1.4. Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Тема 2. Первый закон термодинамики.

2.1. Теплота и работа.2.2. Внутренняя энергия.2.3. Первый закон термодинамики.2.4. Теплоемкость газа.2.5. Универсальное уравнение состояния идеального газа.2.6. Смесь идеальных газов.

Тема 3. Второй закон термодинамики.

3.1. Основные положения второго закона термодинамики.3.2. Энтропия.3.3. Цикл и теоремы Карно.

Тема 4. Термодинамические процессы.

4.1. Метод исследования т/д процессов.4.2. Изопроцессы идеального газа.4.3. Политропный процесс.

Тема 5. Термодинамика потока.

5.1. Первый закон термодинамики для потока.5.2. Критическое давление и скорость. Сопло Лаваля.5.3.Дросселирование.

Тема 6. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух.

6.1. Свойства реальных газов.6.2. Уравнения состояния реального газа.6.3. Понятия о водяном паре.6.4. Характеристика влажного воздуха.

Тема 7. Термодинамические циклы.

7.1. Циклы паротурбинных установок (ПТУ).7.2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).7.3. Циклы газотурбинных установок (ГТУ).Тестовый контроль по разделу

Раздел II. Основы теории теплообмена.

Тема 8. Основные понятия и определения. Тема 9.Теплопроводность.

9.1. Температурное поле. Уравнение теплопроводности.9.2. Стационарная теплопроводность через плоскую стенку.9.3. Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.9.4. Стационарная теплопроводность через шаровую стенку.

Тема 10. Конвективный теплообмен.

10.1. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен. 10.2.Закон Ньютона-Рихмана.10.3. Краткие сведения из теории подобия.10.4. Критериальные уравнения конвективного теплообмена.10.5. Расчетные формулы конвективного теплообмена.

Тема 11. Тепловое излучение.

11.1. Общие сведения о тепловом излучении.11.2. Основные законы теплового излучения

Тема 12.Теплопередача.

12.1. Теплопередача через плоскую стенку.12.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку.12.3. Типы теплообменных аппаратов.12.4. Расчет теплообменных аппаратов. Тестовый контроль по разделу

Раздел III. Теплоэнергетические установки.

Тема 13. Энергетическое топливо.

13.1. Состав топлива.13.2. Характеристика топлива.13.3. Моторные топлива для поршневых ДВС.

Тема 14. Котельные установки.

14.1. Котельный агрегат и его элементы.14.2. Вспомогательное оборудование котельной установки.14.3. Тепловой баланс котельного агрегата.

Тема 15. Топочные устройства.

15.1. Топочные устройства. 15.2. Сжигание топлива.15.3. Теплотехнические показатели работы топок.

Тема 16.Горение топлива.

16.1. Физический процесс горения топлива.16.2. Определение теоретического и действительного расхода воздуха на горение топлива.16.3. Количество продуктов сгорания топлива.

Тема 17. Компрессорные установки.

17.1. Объемный компрессор.17.2. Лопаточный компрессор.

Тема 18. Вопросы экологии при использовании теплоты.

18.1. Токсичные газы продуктов сгорания.18.2. Воздействия токсичных газов.18.3. Последствия "парникового" эффекта.Литература

Раздел I. Техническая термодинамика

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1 Введение

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 его 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 итехнологическое . 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). Количество производимых и потребляемых энергоресурсов огромно. По данным Минтопэнерго РФ и фирмы "Shell" динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Вид энергоресурсов
Вид энергоресурсов
Нефть, Мт, в мире

Газ, Гм 3 , в мире

Уголь, Мт, в мире

Э/энергия,ТДж, в мире

Итого, Мтут * , в мире

* тут – тонна условного топлива. Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты. Данный курс является общетехнической дисциплиной при подготовке специалистов технической специальности.

Методическая разработка

по дисциплине «Основы гидравлики, теплотехники

и аэродинамики»

«Курс лекций по разделу «Основы теплотехники»»

составил преподаватель

ОГБПОУ РСК

Маркова Н.В.

Рязань, 2016

Аннотация

Методическое пособие представляет собой конспект лекционного материала по разделу «Основы теплотехники» дисциплины «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики». Рекомендуется для студентов среднего профессионального образования при проведении практических занятий и самостоятельного изучения материала (самоподготовки), а также преподавателям в ходе проведения учебных занятий.

Пособие построено в виде лекций с формулами и рисунками, также в конце каждой лекции обозначен рекомендуемый перечень вопросов для самопроверки знаний.

Введение…………………………………………………………………….4

Лекция 1 «Рабочее тело. Основные параметры состояния рабочего тела»…………………………………………………………..5

Лекция 2 «Газовые смеси»……………………………………………..8

Лекция 3 «Работа и теплота»…………………………………………11

Лекция 4 «Теплоемкость, виды»……………………………………..12

Лекция 5 «1-ый закон термодинамики. Энтальпия»………………..14

Лекция 6 «Основные термодинамические процессы»……………...15

Лекция 7 «Физическая сущность 2-го закона термодинамики»……………………………………………………….21

Лекция 8 «Преобразование тепловой энергии в механическую работу»………………………………………………..22

Лекция 9 «Цикл Карно»……………………………………………….24

Заключение………………………………………………………………..27

Введение

Методическое пособие «Курс лекций по предмету «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики»: раздел «Основы теплотехники»» включает в себя разработки лекций, т.е. теоретического материала и вопросы для самопроверки в конце каждой лекции.

Это методическое пособие может быть полезно для студентов дневного отделения и заочного отделений, изучающих дисциплину «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики, а также для студентов выпускного курса при подготовке к итоговому экзамену.

Необходимо помочь студентам лучше усвоить материал, поэтому повышение наглядности существенно усилит эффект восприятия. Такова одна из основных целей этого методического пособия.

1. Лекция 1 «Рабочее тело. Основные параметры состояния рабочего тела»

Термодинамика – наука об энергии и ее свойствах. Она изучает законы превращения энергии в различных, сопровождающихся тепловыми эффектами, процессах.

Термодинамику делят на 3 области: физическая, химическая, техническая.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения теплоты и механической работы. Эта дисциплина служит основой тех инженерных дисциплин, в которых рассматривается теория работы тепловых машин и теплоэнергетических установок.

Термодинамика изучает макроструктурные свойства тел, которые состоят из большого числа частиц.

Термодинамика занимается изучением различных термодинамических систем и их взаимодействием с окружающей средой.

Под окружающей средой понимают всеобъемлющую совокупность тел любой физико-химической природы, заполняющих выбранное пространство.

Термодинамической системой называют совокупность тел, выделенных из окружающей среды в качестве объекта исследования, которые могут находиться в тепловом и механическом взаимодействии как друг с другом, так и с окружающей средой.

Термодинамическую систему, которая не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, но в которой возможны взаимодействия между частями самой системы называют изолированной.

Система, состоящая из частей, находящихся в различных агрегатных состояниях или фазах называется гетерогенной.

Система, состоящая из одной фазы, т.е. имеющая во всех частях одинаковые свойства, называется гомогенной.

Системы или тела, посредством которых выполняются взаимные превращения тепла и механической работы называются рабочими телами.

Принципиально в качестве рабочего тела могут использоваться различные вещества в различных агрегатных состояниях. Однако наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольшими коэффициентами объемного расширения по сравнению с телами, находящимися в других агрегатных состояниях.

В технической термодинамике в качестве рабочего тела принимают идеальный газ.

В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение закономерностей идеального газа на все рассматриваемые газы.

Термодинамическим процессом называется совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система.

Если в результате выполнения нескольких процессов система возвращается в свое первоначальное состояние, то совокупность таких процессов называется круговым процессом или циклом.

Термодинамические системы характеризуются физическими величинами, которые изменяются с изменением состояния самой системы. Эти величины называются параметрами состояния. Основными параметрами являются температура T, абсолютное давление p и удельный объем  .

Температура характеризует степень нагретости тел и определяет направление перехода тепла. Так, если из 2 взаимодействующих тел 1-ое имеет более высокую температуру, чем 2-ое, то тепло будет переходить от 1-ого тела ко 2-ому.

С точки зрения кинетической теории газов температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения элементарных частиц вещества:

k – постоянная Больцмана

– средняя скорость поступательного движения молекул

Из уравнения следует, что при Т = 0 поступательное движение молекул должно прекратиться. Такая температура называется абсолютным нулем.

Термодинамическим параметром состояния является абсолютная температура Т, отсчитываемая от абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Для практических целей используется шкала Цельсия

T = t + 273,15

Давление численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности и направленной по нормали к ней.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории газов давление является результатом ударов молекул об ограничивающие тело поверхности и численно равно:

 - коэффициент сжимаемости, зависящий от размеров молекул и действующих между ними сил.

n – количество молекул, приходящихся на единицу объема газа

Удельный объем – объем единицы вещества (массы или веса).

, [  ] = м 3 /кг

Что изучает термодинамика?

Дайте определение термодинамической системы.

Какое число независимых параметров определяет состояние рабочего тела? Объясните почему.

Приведите пример гомогенной термодинамической системы. Объясните почему.

Приведите пример гетерогенной термодинамической системы. Объясните почему.

Если температура задана в градусах Цельсия, то каким образом перейти от нее к температуре по шкале Кельвина?

2. Лекция 2 «Газовые смеси»

В теплотехнике часто приходится иметь дело не с однородными газами, а с газовыми смесями.

Газовой смесью называется механическая смесь, в которой входящие в ее состав газы сохраняют свою химическую индивидуальность (не вступают между собой в химические реакции). Составляющие смесь газы носят название компонентов.

Основные предпосылки рассмотрения газовых смесей:

Каждый компонент смеси распространяется по всему занимаемому ею объему и подчиняется уравнению состояния:

m i , R i – масса и газовая постоянная i компонента

Под парциальным давлением понимается давление каждого из компонентов при условии заполнения им всего занимаемого смесью объема V см при температуре, равной температуре смеси T см .

Смесь газов оказывает на стенки сосуда давление, равное сумме парциальных давлений (закон Дальтона).

Уравнения состояния и все его виды справедливы и для газовых смесей, если в расчет вводится газовая постоянная смеси R см .

Одной из важных характеристик смеси является ее состав, который определяется количеством каждого из газов, входящих в смесь, и может быть выражен посредством массовых, объемных и мольных долей отдельных компонентов, составляющих смесь.

Задание состава смеси массовыми (весовыми) долями

Массовой (весовой) долей компонента, входящего в смесь называется отношение массы (веса) этого компонента к массе (весу) всей смеси.

Если обозначить массу (вес) i компонента газа m i , массу (вес) смеси m см , то массовая (весовая) доля этого газа будет:

Сумма массовых долей компонентов:

Задание состава смеси объемными долями

Объемной долей компонента, входящего в смесь газов называется отношение парциального (приведенного) объема компонента к объему всей смеси.

V i – парциальный объем i – того компонента.

Под парциальным объемом компонента понимается объем, который он занимал бы при температуре и давлении смеси.

Сумма объемных долей всех компонентов, составляющих смесь равна 1.

Задание состава смеси мольными долями

Мольной долей компонента в смеси называется отношение количества молей рассматриваемого компонента M i к общему количеству молей смеси M см .

Параметры газовых смесей

Средняя молекулярная масса смеси

Под средней молекулярной массой смеси газов μ см понимается молекулярная масса некоторого условного газа, состоящего из одинаковых молекул и имеющих ту же массу и число молекул, что и газовая смесь.

Уравнение определяет молекулярную массу смеси при задании ее состава массовыми (весовыми) долями.

Газовая постоянная смеси

Парциальное давление компонентов смеси

Удельный объем и плотность смеси

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Дайте определение термину «газовая смесь».

Приведите примеры газовых смесей из дисциплины «Природные и искусственные газы».

В чем заключается закон Дальтона?

Перечислите способы задания компонентов газовой смеси. Чему равна сумма всех компонентов?

3. Лекция 3 «Работа и теплота»

При взаимодействии между различными телами работа может передаваться от одного тела к другому в форме работы или теплоты.

Передача энергии телу путем совершения над ним работы всегда связана с изменением внешних условий, например, с изменением формы тела или его перемещением. Работу, совершенную самим телом считают положительной, работу над телом считают отрицательной.

Удельной работой называется работа, приходящаяся на единицу веса или массы вещества.

[а] = H/м

Передача энергии в форме теплоты не связана с изменением положения или формы тел и заключается в непосредственной передаче тепла от более нагретого тела к менее нагретому в результате теплового контакта или излучения. Такая форма обмена энергией называется теплообменом.

Количество тепла, полученного телом в результате теплообмена считают положительным, а отданного – отрицательным.

Удельным количеством тепла называется количество тепла, приходящееся на единицу веса или массы вещества.

[q] = H/м

Таким образом, теплообмен и работа – формы обмена энергией, а количество тепла и количество работы – меры энергии, передаваемой в тепловой и механической формах.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Чем отличается работа от удельной работы?

Дайте определение термину «теплота».

Объясните термин «теплообмен», используя понятие теплоты.

4. Лекция 4 «Теплоемкость, виды»

Теплоемкостью тела называется количество тепла, необходимого для нагревания тела на 1 градус.

В теплотехнических расчетах используют понятие удельной теплоемкости, которую часто называют просто теплоемкостью.

Под удельной теплоемкостью понимается количество тепла, которое нужно затратить, чтобы повысить температуру единицы количества вещества на 1 градус.

В зависимости от принятой единицы измерения количества вещества различают массовую, объемную, мольную теплоемкость.

Массовая обозначается c и измеряется Дж/кг  град

Объемная обозначается c’ и измеряется Дж/м 3  град

Мольная обозначается  c и измеряется Дж/кмоль  град

Связь между рассмотренными теплоемкостями выражается следующими зависимостями:

 - молекулярная масса газа, кг/моль

22,4 – объем, занимаемый 1 кмолем при нормальных условиях, м3/кмоль

 - плотность газа при нормальных условиях, кг/м 3

Теплоемкость зависит от природы и физического состояния тел. Для данного вещества теплоемкость изменяется в зависимости от температуры.

Теплоемкость газовой смеси определяется ее составом. Предположим состав смеси задан массовыми долями g 1 , g 2 , …., при этом с 1 , с 2 ... – массовые теплоемкости отдельных компонентов, входящих в смесь.

Массовая теплоемкость смеси из n – компонентов определяется как

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Что означает термин «теплоемкость»?

Какие виды теплоемкости Вы знаете?

От каких параметров или факторов может зависеть теплоемкость тела?

Какой вид теплоемкости применяют в теплотехнических расчетах?

Назовите зависимости, связывающие между собой различные виды теплоемкости.

5. Лекция 5 «Первый закон термодинамики. Энтальпия»

Энергия является единой как общая мера движения материи.

В соответствии с различными формами движения материи принято говорить о различных формах энергии, например, тепловой, электрической, механической и т.п. Подразделяется энергия на различные виды для того, чтобы указать способ, форму передачи определенного количества вещества от одного тела к другому.

В технической термодинамике рассматривается частный случай закона сохранения и превращения энергии, устанавливающий эквивалентность между теплотой и механической работой и называемый первым законом термодинамики.

Согласно этому закону, независимо от процесса, количество тепла, полностью превращенное в механическую работу, всегда дает строго эквивалентное количество теплоты и наоборот.

Q = A

Если система неподвижна, то аналитическое выражение 1-ого закона термодинамики имеет следующий вид:

Q = Δ U + A

Из этого уравнения следует, что подводимое к системе тепло расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы против действующих на нее внешних сил.

Внутренняя энергия системы U включает энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц вещества, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

Одна из основных особенностей внутренней энергии заключается в том, что она не зависит от процесса, предшествующего данному состоянию рабочего тела, а определяется лишь состоянием рабочего тела.

Энтальпия

Чтобы ввести тело объемом V во внешнюю среду, имеющую давление p c , необходимо произвести работу по вытеснению такого же объема среды. Количество произведенной при этом работы p c · V передается внешней среде и превращается в ее потенциальную энергию.

Следовательно, если неподвижное тело находится во внешней среде с давлением p c , то с любым состоянием тела будет связана некоторая энергия, равная сумме внутренней энергии тела U и потенциальной энергии среды p c · V . Эта потенциальная энергия называется энтальпией.

I = U + p c · V

Энтальпия характеризует полную энергию расширенной термодинамической системы, включающей и тело, и окружающую среду.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Как определяется внутренняя энергия рабочего тела?

Что представляет собой термин «энтальпия» и с какими параметрами тела он связан?

В чем заключается первый закон термодинамики?

Какие виды энергии Вы знаете?

6. Лекция 6 «Основные термодинамические процессы»

Внешним признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния. Различают равновесные и неравновесные процессы.

Под равновесным процессом понимают непрерывную последовательность равновесных состояний, через которые проходит рабочее тело.

Осуществление равновесного процесса возможно при следующих условиях:

давление и температура рабочего тела и окружающей среды равны между собой.

изменение параметров состояния тела происходит на бесконечно малые величины при бесконечно медленном протекании процесса.

изменение параметров состояния происходит одновременно в бесконечно большом числе мест, охватывая все точки рабочего тела.

Равновесный процесс возможен только при взаимодействии рабочего тела с окружающей средой, разобщение рабочего тела с окружающей средой мгновенно обрывает этот процесс.

Только равновесные процессы могут быть изображены графически на диаграммах состояния. В частности, такой диаграммой является графическое изображение равновесного состояния в виде рабочего тела в виде точки и равновесного процесса в виде линии в системе координат p-v.

Равновесные процессы обладают свойством обратимости, т.е. могут осуществляться как в прямом, так и в обратном направлении, поэтому их называют обратимыми. В прямом направлении рабочее тело проходит через равновесные состояния A, C, K, M…B и в обратном состояния через те же состояния B,…, M, K, C, A

При проведении равновесного процесса в прямом и обратном направлениях ни в рабочем теле, ни в окружающей среде не останется никаких изменений.

Примером равновесного процесса может быть процесс медленного сжатия в цилиндре. Газ под действием груза m, расположенного на поршне, находится в равновесном состоянии при давлении p 1 . Если положить на поршень груз, несоизмеримо малый с грузом m (например, песчинку), то внешнее давление возрастет на незначительную величину и поршень очень медленно переместится на бесконечно малую величину. При этом внешнее давление p практически останется равным внутреннему p 1 , и рабочее тело в таком «микропроцессе» будет находиться в равновесном состоянии.

Реальные процессы изменения состояния обычно протекают в условиях взаимодействия рабочего тела и окружающей среды при значительных скоростях и больших разностях между параметрами рабочего тела и окружающей среды. Такие процессы называются неравновесными.

Неравновесные процессы, протекающие только в одном направлении называют необратимыми.

В технической термодинамике условно считают, что параметры состояния имеют одинаковые значения для всех частей рабочего тела, это позволяет использовать уравнения и закономерности для равновесных состояний.

Основными термодинамическими процессами изменения состояния рабочего тела являются следующие: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный.

При исследовании этих процессов решают следующие основные задачи:

находят уравнения процесса, устанавливающие закономерности изменения состоянии рабочего тела и позволяющие получать соотношения между различными параметрами газа в виде индивидуальных зависимостей

выявляют особенности преобразования подведенного к рабочему телу тепла, распределение его между изменением внутренней энергии и совершаемой рабочим телом внешней работой.

Изохорный процесс

Термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме

(изос – равный, хора – пространство)

Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к нему подводится тепло от источника тепла или от него отводится тепло к холодильнику.

Словие v = const - уравнение процесса в системе координат P-V, также справедливо

2 ’

Изобарный процесс

Термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении

(изос – равный, барос – тяжесть)

p = const - уравнение процесса или - объем рабочего тела изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры.

Се тепло идет на изменение энтальпии

При расширении газа тепло подводится (1-2), работа процесса выражается площадью + А, при сжатии газа (1-2’) тепло отводится, работа процесса выражается площадью –А.

Изотермический процесс

Термодинамический процесс, протекающий при постоянной температуре

(изос – равный, терме – тепло, жар)

p  V = const - уравнение процесса или

Се тепло сообщаемое рабочему телу идет на совершение внешней работы.

1 – 2 А > 0 работа расширения газа

1- 2’ A < 0 работа сжатия газа

Адиабатный процесс

Термодинамический процесс, осуществляется без теплообмена рабочего тела с окружающей средой

p  Vk = const - уравнение адиабаты Пуассона,

внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии рабочего тела. Адиабата – неравнобокая гипербола.

Политропный процесс

Термодинамический процесс, в котором могут изменяться все основные параметры газа и осуществляется теплообмен между рабочим телом и окружающей средой. Реальные процессы в тепловых машинах, как правило, являются политропными.

p  Vn = const - уравнение политропного процесса

Внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии рабочего тела.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Что такое теплота и сущность процесса?

Объясните отличие равновесных и неравновесных процессов друг от друга.

Приведите пример неравновесного процесса.

Сравните обратимый и необратимый процесс и объясните, какие изменения в ходе этих процессов происходят с рабочим телом.

Кратко охарактеризуйте каждый из термодинамических процессов (изотермический, изобарный, изохорный). Что означает приставка «изо-» для обозначения этих процессов?

6. Опишите, что за процесс изображен на рисунке:

7. Лекция 7 «Физическая сущность 2 закона термодинамики»

1 закон термодинамики устанавливает количественное соотношение между различными видами энергии при их взаимном превращении.

Однако он не дает ответа на вопрос о возможном направлении таких превращений и условиях, при которых преобразование энергии может быть реализовано.

Так наблюдениями установлено, что не все процессы, связанные с передачей и преобразованием различных видов энергии равновозможны. Так, например, распространение энергии от горячих тел к холодным протекает самопроизвольно, но обратные процессы в природе никогда не наблюдаются. Для того, чтобы охладить тело ниже температуры окружающей среды надо затратить энергию.

Особое значение для практики имеет необратимость взаимного преобразования тепла и механической работы. Опыт показывает, что преобразование механической энергии в тепловую всегда происходит полностью и самопроизвольно без каких-либо условий или процессов.

Так, работа трения или удара целиком преобразуется в тепловую энергию и нагревает систему, в которой эти процессы происходят. Однако обратное преобразование тепловой энергии, рассеянной в окружающей среде, в механическую работу самопроизвольно происходить не может.

Наблюдаемые характерные особенности тепловой энергии привели к установлению 2 закона или 2 начала термодинамики.

Существуют ряд эмпирических формулировок этого закона, каждая из которых описывает определенные внешние проявления рассмотренных особенностей теплоты и констатирует необратимость самопроизвольных термодинамических процессов.

Закон термодинамики в формулировке Клаузиса :

Тепло не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более теплому.

Молекулярно-кинетическая теория Больцмана устанавливает, что переход из неравновесного состояния (увеличение давления, температуры и т.п.) в состояние термодинамического равновесия представляет собой процесс, который может осуществляться настолько большим числом способов, что протекает самопроизвольно.

Самопроизвольный выход системы из равновесного состояния имеет ничтожно малое число способов реализации, поэтому считается почти невозможным.

Универсальная формулировка 2 начала термодинамики (Л.Больцман) устанавливает, что в непосредственно окружающей нас природе все явления идут от состояний меньшей вероятности к состояниям большей вероятности.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Сколько формулировок второго начала термодинамики Вы знаете?

Какая из формулировок утверждает, что охлажденное тело не может самостоятельно отдать тепло более нагретому телу?

Почему потребовалось формулировать второй закон термодинамики, а не ограничились существование первого закона?

8. Лекция 8 «Преобразование тепловой энергии в механическую работу»

В реальных тепловых двигателях после каждого цикла обычно происходит смена рабочего тела. Однако возможны и замкнутые циклы, совершаемые с одним и тем же рабочим телом за счет изменения параметров его состояния. С точки зрения термодинамики эти схемы совершенно эквивалентны, поэтому весь дальнейший анализ будем проводить применительно к замкнутым циклам.

При уменьшении объема рабочего тела будет происходить его сжатие с изменением параметров состояния. Чем больше повышаются давление и температура газа, тем выше проходит кривая сжатия и тем больше затрата работы на его осуществление.

При необходимости получения полезной механической работы имеют смысл только такие циклы, в которых работа сжатия А сж меньше работы расширения А р . Эти циклы называются прямыми и лежат в основе работы тепловых двигателей. Полезная работа прямого цикла равна разности работы расширения А р и сжатия А сж . А = А р - А сж

В обратных циклах А р < А сж , поэтому работа обратного цикла отрицательна, и он используется в холодильных установках.

Таким образом, в непрерывно действующем тепловом двигателе необходимо периодическое повторение прямых циклов, в которых процесс сжатия должен характеризоваться минимальной затратой энергии.

Непременным условием преобразования тепловой энергии в механическую является прямая или косвенная затрата части тепла, подведенного в цикле, на возвращение рабочего тела в состояние минимального объема.

С учетом этого условия была предложена еще одна формулировка 2 закона термодинамики : Невозможно создать периодически действующую машину, которая бы производила механическую работу только за счет охлаждения источника теплоты, не отдавая части тепла холодильнику.

Основным показателем эффективности циклов тепловых двигателей является их термический или термодинамический коэффициент полезного действия η . Он определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую в прямом цикле и представляет отношение величины тепловой энергии (Q), преобразованной в механическую работу, ко всему подведенному теплу (q 1 ).

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Что означает термин «термодинамический цикл?

Как объяснить отличие прямого и обратного цикла?

Назовите основной показатель эффективности работы теплового двигателя.

Объясните термины «работа расширения» и «работа сжатия», в чем они различаются?

9. Лекция 9 «Цикл Карно»

2 закон термодинамики показывает, что обязательным условием преобразования теплоты в механическую работу является компенсирующий процесс передачи тепловой энергии холодильнику.

Важно рассмотреть вопрос о предельном КПД тепловых двигателей, идеализируя термодинамические процессы.

Французский ученый С.Карно предложил цикл, который состоит только из обратимых процессов, совершаемых с идеальным рабочим телом. При этом он использовал такие термодинамические процессы, которые наилучшим образом удовлетворяют назначению в цикле.

Подвод и отвод теплоты в цикле выполняется изотермически, т.к. только в этом случае обеспечивается их обратимость.

Процессы сжатия и расширения протекают адиабатно, т.е. наиболее экономичным образом без внешних тепловых потерь.

Двигатель, работающий по циклу Карно, можно представить в виде поршневой машины, цилиндр которой заполнен идеальным газом. Газ периодически приводится в соприкосновение с горячим источником, имеющим температуру Т 1 или с холодильником, имеющим температуру Т 2 . Пусть газ первоначально находится при температуре Т 1 и имеет давление p 1 . При нагревании рабочего тела от горячего источника происходит изотермическое расширение 1-2 с подводом теплоты q 1 . После этого горячий источник удаляется и газ самопроизвольно расширяется без внешнего теплообмена, т.е. по адиабате 2-3 до температуры Т 2 . При осуществлении процесса расширения двигатель производит механическую работу.

По окончании расширения цилиндр приводится в соприкосновение с холодильником, имеющим температуру Т 2 , и за счет механической энергии, запасенной в аккумуляторе, осуществляется изотермическое сжатие 3-4 с отводом теплоты q 2 . Затем рабочее тело возвращается в исходное состояние путем адиабатного сжатия 4-1.

В результате осуществления цикла Карно рабочее тело совершает полезную работу А, эквивалентную площади, заключенной внутри контура 1-2-3-4.

Выводы:

Термический КПД обратимого цикла, осуществляемого между 2 источника тепла, не зависит от свойств рабочего тела, при помощи которого он реализуется.

Термический КПД обратимого цикла Карно практически не может быть равен 1 и его величина зависит от интервала температур

Т 1 и Т 2 , в котором осуществляется цикл. Чем выше температура горячего источника и чем ниже температура холодильника, тем больше полезная работа цикла.

Цикл Карно, составленный из наиболее целесообразных термодинамических обратимых процессов, обладает максимальным КПД из всех возможных циклов, осуществляемых в том же интервале температур.

Практически цикл Карно осуществить трудно и даже нецелесообразно по причине малой удельной работы и необходимости значительно увеличить габариты двигателя.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

1. Объясните, какими причинами было обусловлена формулировка цикла Карно?

2. Из каких термодинамических процессов состоит цикл Карно? Охарактеризуйте каждый из них.

3. Какое значение для цикла Карно имеют адиабатные процессы?

4. Сформулируйте универсальную формулировку второго начала термодинамики.

Заключение

Со своей стороны хочется пожелать студентам успешного освоения и усвоения рассматриваемого материала и надеюсь, что данный конспект лекций будет помощью при изучении раздела «Основы теплотехники».

Приведенные в конце каждой лекции вопросы для самоподготовки помогут проверить качество изученного материала и обратить внимание на определенные вопросы, а материал с формулами и рисунками послужит хорошей теоретической базой для проведения занятий и выполнения домашних заданий.

С уважением, Маркова Н.В.

Брюханов О.Н. Основы гидравлики и теплотехники: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования / Брюханов О.Н., Мелик-Аракелян А.Т., Коробко В.И - М.: ИЦ Академия, 2008. - 240 c.

Брюханов О.Н. Основы Гидравлики, теплотехники и аэродинамики: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования / Брюханов О.Н., Мелик-Аракелян А.Т., Коробко В.И. - М.: Инфра-М, 2014, 253 с.

Прибытков И.А. Теоретические основы теплотехники: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования/ Прибытков И.А., Левицкий И.А. - М.: Академия, 2004

Гдалев А.В. Теплотехника: Учебное пособие / Гдалев А.В. - Саратов: Научная книга, 2012.- 287 c.

Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М «Теплотехника» - М.: Высшая школа, 2000. – 671 с.

Ртищева А.С. Теоретические основы гидравлики и теплотехники: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 171 с.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

ДОЦЕНТ ГОРОЖАНКИН С. А.

ПРОФЕССОР ДЕГТЯРЕВ В. И.

Т Е О Р Е Т И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы Т Е П Л О Т Е Х Н И К И

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

(ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО")

О Д О Б Р Е Н О:

Кафедрой "Автомобили и автомобильное хозяйство"

Протокол № от 27.04.2001г.

Советом механического факультета Протокол №3 от 10.03.2001г.

М А К Е Е В К А 2001 г.

строительства и архитектуры, - 2001. - 110 с.: 76 илл.

Конспект лекций предназначен для студентов, изучающих курс "Теоретические основы теплотехники"

Конспект лекций посвящен изложению теоретических основ теплотехники в краткой и доходчивой форме с учетом изучения материала студентами специальности автомобили и автомобильное хозяйство. Курс, кроме обеспечения современной энергетической подготовки инженеров-автомобилистов, имеет и свою особую методику обобщенного раскрытия материала, позволяющую сосредоточить главное внимание на выявлении более широких закономерностей и новых возможностей развития энергетики.

Изложены теоретические основы технической термодинамики, теории тепломассообмена, особое внимание уделено термодинамическим циклам тепловых машин. Приводятся общие сведения о теплоснабжении и использовании вторичных энергоресурсов, имеющих целью максимально экономное расходование энергетических ресурсов

Изучение этого курса необходимо для глубокого понимания физической сущности термодинамических процессов тепловых двигателей, ясного представления о закономерностях энергопревращений в двигателях внутреннего сгорания.

Для студентов специальности 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО".



	Введение. Уравнение состояния. Теплоемкость.
	Первый закон термодинамики
	Термодинамические процессы идеальных газов
	Второй закон термодинамики
	Водяной пар
	Влажный воздух
	Общая характеристика компрессоров
	Двигатели внешнего сгорания
	Циклы газотурбинных установок
		Циклы двигателей внутреннего сгорания
		Основы теплообмена
		Конвективный теплообмен
		Теплообмен при фазовых превращениях
		Теплообмен излучением
		Теплопередача
		Теплообменные аппараты
		Топливо и процессы горения

1. ВВЕДЕНИЕ. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ

1.1 Теплотехника, ее предмет и метод

Теплотехника - наука, изучающая теорию и средства превращения энергии природных источников в тепловую механическую и электрическую энергии, а также использования тепла для практических целей.

Теоретические основы теплотехники включают термодинамику и теорию тепломассообмена.

Основным методом теплотехники является термодинамический метод. Сущность его состоит в том, что на основе изучения энергоэнтропийных балансов в макроскопических системах устанавливают условие максимальной эффективности тепловых машин и установок. Затем определяют пути приближения к этим условиям.

1.2. Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии в макроскопических физических системах.

Техническая термодинамика - раздел термодинамики, рассматривающий закономерности превращения тепловой энергии в другие виды.

Название "термодинамика" впервые применил Сари Карно (1824 г.) в работе "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".

"Терме" - тепло, жар, огонь. "Динамикос" - сила, движение.

"Термодинамика" - движущая сила огня - дословный перевод с греческого. В основу термодинамики положены два основных закона (начала),

установленных опытным путем.

- закон характеризует количественную сторону процессов превращения энергии.

- закон характеризует, устанавливает качественную сторону (направленность) процессов в физических системах.

1.3. Термодинамическая система. Термодинамический процесс.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией между собой и с окружающей средой.

Термодинамический процесс - совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое.

1.4. Обратимые и необратимые процессы.

Равновесное состояние тела - такое, при котором во всех точках объема параметры состояния одинаковы.

Равновесный процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое через равновесные состояния тела в любой момент времени.

Неравновесный процесс - процесс, включающий неравновесные состояния. Обратимый процесс - процесс, который протекает в прямом и обратном

направлении через одни и те же равновесные состояния.

Условия обратимости:

1. Отсутствие химических реакций.

2. Отсутствие внутреннего и внешнего трения.

3. Бесконечно медленное изменение состояния рабочего тела. Необратимый процесс - процесс, который самопроизвольно протекает

только в одном направлении.

1.5. Рабочее тело. Термодинамические параметры состояния

Взаимное преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых машинах осуществляются при помощи рабочего тела.

В качестве рабочего тела обычно используют пар или газ, т.к. они обладают значительно большим коэффициентом объемного расширения по сравнению с жидкостями и твердыми телами.

Для однозначного определения состояния вещества вводятся физические характеристики состояния вещества - параметры состояния.

Параметры состояния могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества, экстенсивные - зависят. Пример - объем и температура.

Экстенсивные параметры, отнесенные к единице количества вещества, приобретают смысл интенсивных. Их называют удельными.

Термодинамические параметры состояния - интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел.

Обычно состояние однородного тела может быть однозначно определено тремя параметрами - давлением, температурой и удельным объемом.

При наличии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние определяется неоднозначно.

1.6. Давление.

Давление - сила, действующая на единицу поверхности тела по нормали к этой поверхности.

1 Па величина сравнительно небольшая. Поэтому вводят кратные величины

1 кПа = 103 Па = 103

1 МПа = 106 Па = 103 кПа 1 бар = 105 Па = 102 кПа Внесистемные единицы

1 мм Нg 133.3 Пa.

1 мм вод. ст. 9.81 Па.

Виды давления 1. Абсолютное, т.е. полное давление, отсчитываемое от абсолютного

р абс

2. Атмосферное (барометрическое) - абсолютное давление атмосферы Земли

в данной точке

рабс = В.

3. Избыточное давление - разность между абсолютным и атмосферным. Параметром состояния не является.

pизб = pабс – B.

Избыточное давление иногда называют манометрическим (т.к. измеряется манометрами).

4. Вакууметрическое давление - разность между атмосферным и абсолютным.

pвак = B - pабс .

1.7. Температура

Температура характеризует тепловое состояние тела - степень "нагретости"

Температура - осредненная величина кинетической энергии хаотического движения молекул.

Температура, при которой полностью прекращается движение молекул,

принята за начало отсчета. Температура тройной точки воды принята равной 273,

16 К (0, 010 С).

[T]=K - единица измерения абсолютной температуры. Температуру часто измеряют по шкале Цельсия.

[t]=C - единицы измерения температуры в обеих шкалах численно равны. Температура по шкале Цельсия термодинамическим параметром состояния

не является.



За рубежом иногда пользуются шкалами температур Фаренгейта, Реомюра и

1.8. Удельный объем.
Удельный объем - объем единицы массы газа.

Плотность - величина обратная удельному объему.

1 m; кг.

1.9. Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона

Идеальный газ - модель газа, в которой молекулы не имеют объема и не взаимодействуют друг с другом.

Совместное рассмотрение законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака позволило Клапейрону в 1834 г. вывести уравнение состояния идеального газа

pv=RT - уравнение для 1 кг. газа (уравнение Клапейрона) R - газовая постоянная

			H м3

			м2 кг К кг К кг К

Бойль Роберт (1627-1691). Англия. Физика, химия. Совместно с Мариоттом не работал.

Мариотт Эдм (1620-1684). Франция. Механика жидкости и газа. Оптика. Гей-Люссак Жозеф-Луи (1778-1850). Франция. Физика, химия.

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799-1864). Франция. Вывел уравнение Клапейрона-Клаузиуса для водяного пара. Первым обратил внимание на работы С.Карко, в которых был установлен II закон термодинамики.

pV=mRT - уравнение для газа массой m.

pV = RT - уравнение для 1 киломоля(уравнение Менделеева). V - объем киломоля газа

R 8315 - формула для вычисления газовой постоянной.

1.10. Особенности реальных газов. Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса

Уравнение состояния идеального газа можно применять в расчетах для реактивных газов при низких давлениях и высоких температурах. При нормальных условиях оно применимо для:

H2 , He, O2 , N2 .

Углекислый газ (СО2 ) и некоторые другие дают отклонение до 2-3%. Уравнение состояния реальных газов, учитывающие размер молекул, силы

взаимодействия между ними, образование комплексов молекул (ассоциаций) и пр. имеют сложный вид.

В практике обычно используются таблицы и номограммы, построенные на основе этих уравнений.

В общей форме в 1937-46 г. в СССР (Н.Н.Богомолов) и США (Дж.Мейер) были выведены уравнения состояния реальных газов.

Наиболее простым, качественно правильно отображающим поведение реальных газов, является уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.).

(p a )(v b) RT, v 2

где b - поправка на объем молекул газа;

Поправка на давление газа, учитывающая силы взаимодействия

Уравнение Ван-дер-Ваальса позволяет качественно анализировать поведение газов вблизи границ фазовых переходов.

1.11. Смеси идеальных газов. Законы Дальтона и Амага

Парциальное давление - давление отдельного компонента смеси газов.

p см p i - закон Дальтона

Абсолютное давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.

V см V i - закон Амагá

Полный объем смеси газов равен сумме приведенных к давлению и температуре смеси объемов компонентов (парциальных объемов).

Законы Дальтона и Амагá позволяют получить уравнение состояния смеси

p смV см=m смR смT см ,

где R см см .

Кажущаяся молярная масса смеси определяется из уравнения

см i r i , где ri - объемные доли компонентов

Пример: Полагая, что в воздухе 80% N2 и 20% О2

возд = 0,8 28 + 0,2 32 = 28,8 кг/моль Газовая постоянная смеси может быть установлена из уравнения

R см g iR i	Где gi - массовые доли компонентов смеси.
Соотношение между массовыми и объемными долями определяется
выражением
		Где ri - объемные доли компонентов смеси.

Следует отметить, что всегда

gi 1; ri 1.

1.12. Теплоемкость газов и газовых смесей. Истинная, средняя и удельная теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры

Теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева тела на 1 К.

Удельная теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева единицы количества вещества на 1К.

Обычно различают следующие удельные теплоемкости: 1. Массовая - c

[c] = Дж

кг К

2. Объемная - с"

Истинная теплоемкость определяется следующим аналитическим выражением

c dq . dt

Средняя теплоемкость в интервале температур t1 - t2 определяется из соотношения

q C m t2 - t1 .

В общем случае теплоемкость является функцией температуры, причем обычно она возрастает с ростом температуры.

На рис.1.1 показана линейная зависимость удельной теплоемкости от температуры, на рис.1.2 - степенная.

Если зависимость теплоемкости от температуры имеет сложный нелинейный характер (как это показано на рис.1.3), то средняя теплоемкость в интервале температур t1 -t2 определяется из выражения:

t2 1 до t2 определяется выражением:

Эта формула применяема к массовой, объемной и мольной теплоемкостям. Нагрев газов или паров может осуществляться при различных условиях.

Среди них можно выделить: 1. Нагрев при постоянном объеме;

2. Нагрев при постоянном давлении.

В первом случае теплоемкость процесса называют изохорной, во втором - изобарной.

Изобарная и изохорная теплоемкости связаны уравнениями: Сp - Сv = R- Майера

С Р K - Пуассона

С V

К - коэффициент Пуассона.


Для одноатомных
- "" - двухатомных			(7/5) Теоретические
		трехатомных	значения
	многооатомных

Обычно принимают К=1,29.

Теплоемкость газовых смесей вычисляется на основе уравнения теплового баланса, из которого следует:

1. Для массовой теплоемкости смеси: C см C ii g i .

2. Для объемной теплоемкости смеси: C см / C / i r i .

Мощные привороты в домашних условиях, чтобы приворожить любимого парня Как навсегда приворожить любимого мужчину без последствия

Заработок в интернете на кулинарных рецептах блюд

Баклажаны с фаршем — самые вкусные блюда, приготовленные по интересным рецептам Баклажаны кружочками с фаршем жареные

Луи Пастер биография, изобретения - scireg — LiveJournal