405. Шпаргалка по Теплотехнике

Файлы: 1 файл

Термодинамика изучает закономерности преобразования энергии в различных процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами, а также св-ва тел, кот. участвуют в этих преобразованиях. Техническая термодинамика изучает процессы взаимного преобразования теплоты и работы, св-ва рабочих тел, при помощи кот. происходит это преобразование. В общем случае термодинамика изучает термодинамические системы.

Термодинамическая система — совокупность тел, могущих энергетически взаимодействовать м/у собой и окр. средой и обмениваться с ней ве-вом. Всё что находится вне термодинамической системы, наз. окружающей средой.

Выделение системы условной замкнутой контрольной поверхностью КП , ограничивающей систему от окружающей среды, произвольное. Оно определяется только задачей исследования. При выборе контрольной поверхности необходимо лишь иметь в виду следующие два момента:

1 Принципиально важно, чтобы система допускала описание с применением макрофи зических характеристик не была слишком малой .

2 Необходимо чтобы наблюдаемые макрофизические св-ва в каком-либо отношении отличались друг от друга по обе стороны контрольной поверхности.

КП приписывают идеализированные св-ва, особенно с точки зрения их проницаемости для ве-ва и энергии.

В зависимости от проницаемости для ве-ва и энергии термодинам. системы бывают:

-открытые, в которых происходит обмен веществом и энергией через КП

-закрытые, в которых отсутствует обмен веществом через КП

-адиабатные, в кот. отсутствует обмен энергией через КП в форме теплоты

-изолированные, в которых отсутствует обмен веществом и энергией через КП.

Абсолютно изолированная термодинамическая система непременно приходит к сост. внутреннего равновесия , в кот. она остаётся неограниченно долгое время.

Выход из сост. равновесия возможен только в результате снятия абсолютной изоляции и осуществления воздействий окружающей средой на систему.

Объектом изучения в технической термодинамике весьма часто является какое-либо ве-во, выполняющее главную функцию в тепловой машине. Такое ве-во также явл. термодинамической системой и называется рабочим телом машины.

В технике в качестве рабочих тел часто принимают газы и их смеси 02. Н2. С02. атмосферный воздух . Эти реальные газы состоят из атомов и молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Молекулы обладают массой и собственным объёмом, м/у ними сущ. силы межмолекулярного взаимодействия.

Для выяснения предела действия газовых законов в термодинамике введено понятие идеального газа , в кот. отсутствуют силы взаимодействия м/у молекулами, а молекулы, имеющие массу, рассматриваются как материальные точки, не имеющие объёма.

Величины, характеризующие тело в данном состоянии, наз. параметрами состояния . Параметры, кот. можно измерить, наз. основными . К основным параметрам отн. абсолютное давление удельный объём абсолютная температура.

1 Давление газа обуславливается совокупностью ударов хаотически движущихся молекул о стенки сосуда, в кот. заключён газ, и представляет собой нормальную составляющую результирующей силы F, действующую на единицу площади S поверхности стенки: p F/S. В СИ давление выражается в паскалях 1 Па 1 Н/м 2 . Различают абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое давления.

Абсолютным ра наз. действительное давление в сосуде. Давление, превышающее атмосферное рбар , наз. избыточным рИЗб . Превышение атмосферного давления над абсолютным наз. вакуумметрическим давлением рв.

2 Удельный объём тела представляет собой объём единицы его массы: . Величина, обратная удельному объёму наз. плотностью. Плотность также может служить параметром состояния тела.

3 Температура количественно характеризует степень нагретости тела, кот. зависит от скорости поступательного движения молекул. Чем больше средняя скорость поступательного движения молекул ве-ва, тем выше его t-ра. t-ра явл. единственным параметром состояния, определяющим направление самопроизвольного процесса теплообмена.

Абсолютная термодинамическая t-рная шкала наз. шкалой Кельвина, а единица t-ры — Кельвином Т, К . В СИ единица кельвин устанавливается по интервалу t-ры от абсолютного нуля до t-ры тройной точки воды. Абсолютный нуль — это t-ра, при кот. прекращается хаотическое движение молекул тела. Тройная точка воды — это t-ра, при кот. вода, водяной пар и лёд находятся в равновесии — 273,15 К 1 кельвин равен 1/273,15 части температурного интервала от абсолютного нуля до t-ры тройной точки воды .

По шкале Цельсия за 0 С принята t-ра плавления льда, а за 100 С t-ра кипения воды при нормальном атм. давлении. t-ра по этой шкале обозначается буквой t. Связь между температурными шкалами выражается соотношением: t Т-273,15.

За параметр состояния в термодинамике принимают термодинамическую абсолютную температуру Т. Для измерения t-тур применяются жидкостные и газовые термометры, пирометры, термопары.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы наз. равновесным. Если в системе не наблюдается постоянство во времени всех термодинамических параметров или они различны в различных точках системы, то такое состояние системы наз. неравновесным. В таких системах возникают потоки массы и теплоты, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия.

Уравнение состояния устанавливает функциональную связь м/у тремя основными параметрами состояния р, ?? и Т идеального газа. Эту зависимость в общем виде можно записать так: F p, ?? ,T 0.

Существование этой зависимости м/у основными параметрами состояния обусловлено тем, что величина каждого из них определяется положением и скоростями движения молекул, кот. для каждого отдельного состояния имеют вполне определенные значения.

p p ?? ,T ?? ?? p,T T T p,??

Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых. Уравнение имеет смысл только для равновесных систем, в кот. T и p одинаковы во всех точках системы.

Уравнение состояния идеального газа Клапейрона для одного килограмма:

где р — абсолютное давление газа, Па

?? — удельный объём газа, м 3 /кг

R — удельная газовая постоянная для 1 кг газа, Дж/ кг град

Т — абсолютная температура, К.

Удельная газовая постоянная R зависит только от природы ве-ва и величина постоянная для каждого газа. R представляет собой удельную работу изменения объёма, совершаемую 1 кг рабочего тела при изменении его t-ры на 1 К в изобарном процессе.

Уравнения Клапейрона для произвольной массы газа:

pV MRT

где V ?? М — полный объём, м 3. занимаемый газом массой М, кг.

Чтобы получить уравнение состояния для 1 кмоля идеального газа, умножим обе части уравнения Клапейрона на молярную массу и получим уравнение Клапейрона-Менделеева: pV R0 T,

где R0 R 8314 — универсальная газовая постоянная, Дж/ кмоль град .

Параметры состояния, измеряемые в энергетических единицах Дж, Дж/кг наз. калорическими.

1 Внутренняя энергия . Любая термодинамическая система обладает запасом внутренней энергии U, под кот. понимают все виды энергии, связанные с внутренним тепловым движением и взаимодействием молекул. Внутренняя энергия измеряется в Дж и зависит от массы ве-ва. Внутреннюю энергию, отнесённую к 1 кг ве-ва, наз. удельной Дж/кг : u U/M.

В общем случае, внутренняя энергия газа состоит из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, кот. зависят только от t-ры газа, а так же потенциальной энергии взаимодействия молекул м/у собой, зависящей от среднего расстояния м/у молекулами, т.е. от занимаемого газом объёма. Следовательно, внутренняя энергия зависит от t-ры и объёма и явл. однозначной функцией этих параметров состояния: u f T, ?? . Внутренняя энергия реального газа сама может служить параметром состояния. Изм. внутренней энергии зависит от начального и конечного состояния газа: . Если процесс замкнут, ?u 0.

В идеальном газе силы взаимодействия м/у молекулами отсутствуют и потенциальная энергия равна 0. Поэтому внутренняя энергия идеального газа состоит только из кинетической энергии движения молекул и опр-ся только t-рой.

Абсолютную величину внутренней энергии опр. невозможно, т. к. не сущ. такого состояния тела, при кот. оно не обладало бы энергией, поэтому вычисляется ее изм.

2 Энтальпия . Полная энергия расширенной системы, состоящей из тела, и окр. среды, состоит из внутренней энергии газа и потенциальной энергии груза, равной: Gz pfz pV, т.е. Е U + pV, где pV — потенциальная энергия давления, характеризует потенциальную энергию связи тела с окр. средой.

Если газ находится во внешней среде с давлением р, то с любым состоянием его связана некоторая энергия U + pV Н Дж , получившая наз. энтальпии газа в данном состоянии. Выражение удельной энтальпии имеет вид Дж/кг : h u + p ??.

Энтальпия — полная энергия, связанная с данным состоянием системы. Величина р ?? представляет собой работу, кот. нужно затратить для того, чтобы ввести тело объемом во внешнюю среду, имеющую повсюду одинаковое давление, равное давлению системы в данном состоянии. Энтальпия зависит от параметров состояния u,p, ?? и сама явл. параметром состояния.

Энтальпия идеального газа является функцией t-ры: h u + p ?? u T + RT.

3 Энтропия — параметр состояния, дифференциал кот. равен отношению бесконечно малого кол-ва теплоты в элементарном обратимом процессе к абсолютной t-ре, кот. на бесконечно малом участке процесса явл. постоянной величиной Дж/кг : dS ?Q/T. Единица удельной энтропии — Дж/ кг К .

Энтропия определяется только математическим выражением, показывает меру беспорядка, неупорядоченности движения. С увеличением t-ры подвода теплоты энтропия уменьшается и наоборот. Для реальных процессов энтропия явл. мерой их необратимости. Физической величиной, изменение кот. является признаком процесса теплообмена, служит энтропия. Энтропия обязательно изменяется при теплообмене. При подводе теплоты к телу его энтропия возрастает, при отводе — уменьшается. Знаки q и s совпадают, т. к. абсолютная t-ра всегда положительна.

Энергетическими характеристиками термодинамического процесса явл. работа и теплота. Кол-во энергии в теле может меняться только при осуществлении энергообмена с другими телами. Работа увеличивает энергию любого вида, теплота — только внутреннюю энергию термодинамической системы. Теплота Q и работа L Дж представляют собой два способа передачи энергии. Определённому состоянию системы не соответствует какое-либо значение L и Q.

Работа кол-венная мера макроскопической формы энергообмена м/у телами, осуществляемая перемещением тела или изм. его объема. Работа, произведенная телом — положительна, работа, совершаемая над телом — отрицательна. В I случае энергия отводится от тела, во II — подводится.

Различают работу процесса, совершаемую телом в условиях закрытой и открытой термодинамических систем. Работу процесса в закрытой термодинамической системе наз. работой изм. объема . Работа, подводимая к такой системе, вызовет изм. её внутреннего состояния, но не повлияет на положение в пространстве или на скорость системы. Если силы действуют на неподвижную систему перпендикулярно к её границам, это может привести к изм. объёма. Связанную с этим работу наз. работой изменения объёма. р-диаграмма позволяет графически определить работу, поэтому эту диаграмму часто наз. рабочей диаграммой процесса.

Комментарии запрещены.

Реклама