772. Предмет и методы теплотехники технической термодинамики , ее основные задачи

предмет и методы теплотехники технической термодинамики , ее основные задачи

Теоретический раздел теплотехники, который изучает законы превращения тепловой энергии в механическую и свойства рабочего тела называется технической термодинамикой. Раздел теплотехники изучающий, процессы распространения тепла в различных телах, называется теорией теплообмена или теплопередачей. Техническая термодинамика и теплопередача представляют собой теоретические основы теплотехники. Главной задачей технической термодинамики является отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты и работы. Метод термодинамики представляет собой строгое математическое развитие законов термодинамики. В настоящее время в термодинамике используются два метода исследования: метод круговых процессов и метод термодинамических функций и геометрических построений.

Основные понятия и определения технической термодинамики

Техническая термодинамика раздел термодинамики занимающийся приложениями законов термодинамики в теплотехнике. Техническая термодинамика устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает термодинамические процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях. Параметры состояния физические величины, однозначно характеризующие состояние термодинамической системы и не зависящие от предыстории системы. К основным параметрам состояния относятся давление, температура, удельный объем v или плотность ?. Совокупность этих трех параметров характеризует тепловое состояние тела, поэтому их называют термодинамическими параметрами состояния. Уравнение состояния уравнение, выражающее связь между параметрами равновесного состояния термодинамической системы. Для идеального газа уравнение состояния для 1кг газа имеет вид уравнение Клапейрона Pv RT Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами, составляющими внешнюю среду, в виде обмена энергии или веществом. Она включает источники тепла и рабочее тело и характеризуется параметрами состояния. Совокупность изменения термодинамической системе при переходе из одного равновесного состояния в другое, т.е. совокупность изменений состояния термодинамической системы во времени в результате взаимодействия с окружающей средой называют термодинамическим процессом. Равновесный процесс процесс перехода термодинамический систем из одного равновесного состояния в другое, столь медленный, что все промежуточные состояния можно рассматривать как равновесные. Неравновесный процесс процесс, включающий неравновесные состояния. Обратимым процессом называется такой процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем при изменении внешних условий в противоположной последовательности система проходит все равновесные состояния прямого процесса, но в обратном порядке. Необратимый процесс процесс реальный процесс , который может самопроизвольно протекать только в одном направлении. Удельная теплоемкость или просто теплоемкость это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице количества вещества в заданном процессе, чтобы изменить его температуру не 1 градус.

Тепломкость идеального газа и способы ее задания. теплоемкость при постоянном объеме и давлении и связь между ними

Удельная теплоемкость или просто теплоемкость это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице количества вещества в заданном процессе, чтобы изменить его температуру не 1 градус. Так как в качестве единицы количества вещества можно принять 1 кг. 1 моль или 1м 3. различают массовую С, Дж кг. К , мольную ?С. Дж моль К или объемную С 1. Дж м 3. К теплоемкость. На рис. 1.1 показана зависимость истинной теплоемкости от температуры. Зависимость между удельными теплоемкостями устанавливаются соотношениями: С ?С ? С 1 С ?н. где??H — плотность газа при нормальных условиях. Средней теплоемкостью называется отношение количество теплоты, подведенного к рабочему телу к изменению его температуры в интервале от t1 до t2 при определенным термодинамическом процессе.

Значение теплоемкости соответствующее определенной температуру рабочего тела, при определенном термодинамическом процессе, называется истинной теплоемкостью Теплоемкость идеального газа зависит от характера процесса, подвода или отвода теплоты, от атомности газа, температуры, вида вещества теплоемкость реальных газов зависит так же от давления . Массовая теплоемкость в процессе при постоянном давлении обозначается СР и называется изобарной, а в процессе при постоянном объеме CVизохорной.

Аналитические выражения первого закона Термодинамики через внутреннюю энергию и энтельпию. понятие энтальпии

Энтальпия как новую функцию состояния рабочего тела ввел в практику тепловых расчетов аппаратов в прошлом столетии известный физик Гиббс и затем Каммерлинг Оннес. В термодинамике важную роль играет сумма внутренней энергии системы U и произведения давления системы p на ее объем, называемая энтальпией и обозначается Н: H U+PV Первый закон термодинамики через энтальпию можно выразить следующим образом dq dU+PdV dU+d PV -VdP d U+PV dh-VdP,

Работа и теплота как форма передачи энергии и функции процесса

Энергия является мерой движения материи. движения материи появляются в разных формах. В процессе передача энергии от одного тела к другому осуществляется двумя способами. Первый способ передачей энергии в форме теплоты. а второй способ в форме работой. Передача энергии в результате обмена хаотическим, ненаправленным движением микрочастиц называется теплообменном, а количество передаваемой при этом энергии количеством теплоты, теплотой процесса или теплотой. Передача энергии в результате микроскопического упорядоченного движения микрочастиц называется работой. Таким образом теплота и работа — форма преобразования энергии. В термодинамическом процессе особое значение представляют так называемые замкнутые или круговые процессы, при которых система, проходя через последовательных состояний, возвращается к начальному состоянию. С помощью второго закона ТД можно определять степень совершенства процесса перехода тепла в работу в тепловых машинах. Цикл, в результате которого получается положительная работа называется прямым циклом или циклом теплового двигателя, Цикл, в результате которого расходуется работа, называется обратным или циклом холодильных машин. Тепловые двигатели осуществляют процесс превращения тепла в работу: тепло подводится от внешнего источника высших температур Т1. q1 и частично отводится к источнику низших температур Т2. q2

Сущность и основные формулировки второго закона термодинамики. Понятие о прямом и обратном циклах

второй закон термодинамики характеризует направление протекания тепловых и термодинамических процессов и устанавливает условия, при которых возможно превращения теплоты в работу. Существует несколько формулировок второго закона термодинамики, которые были высказаны различными учеными В 1824 г. Карно так изложил сущность второго закона термодинамики: «Для превращения тепла в работу необходимо иметь два источника тепла разной температуре». В 1850г. Калаузиус дал такую формулировку второго закона: « Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела, к более нагретому без компенсации», согласно которой все ее естественные процессы, протекающие в природе, являются самопроизвольными и не могут сами собой без компенсации протекать обратном направлении. В наиболее общем виде второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: «Любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым». Одним из важнейших следствий второго закона термодинамики является вывод о невозможности построит тепловой двигатель, который обладал бы термический к.п.д. равным единице. Иными словами, невозможен так называемый вечный двигатель второго рода, который бы, действуя непрерывно, превращал теплоту полностью в механическую работу. Цикл, в результате которого получается положительная работа называется прямым циклом или циклом теплового двигателя, Цикл, в результате которого расходуется работа, называется обратным или циклом холодильных машин.

Прямой и обратимый циклы Карно, их термический КПД и холодильный коэффициент

Термодинамический цикл, обладающий максимально возможным термическим К.П.Д. в заданном интервале температур Т1 и Т2. был предложен французским ученым Сади Карно в 1824г. Цикл Карно а состоит из двух изоттерм1-2 и 3-4 и двух адиабат 2-3 и 4-1. На пути 1-2 от теплоотдатчика постоянной температуры Т1 подводится количество теплоты q1 на пути 3-4 теплота q2 отводится в теплообменник постоянной температуры Т2. Цикл Карно протекает не только в прямом но и в обратном направлении. рис. 1.8,б . Для осуществления обратного цикла Карно иметь всегда два источника теплоты разной температуры теплоотдатчик q2 и теплоприемник q1 . Термический к.п.д. прямого цикла Карно ?t 1 Т21. а холодильный коэффициент обратного цикла Карно ??? Т2 / Т12 q2 / q1 -q2. Прямой цикл Карно служит эталоном при оценке совершенства любых циклов тепловых двигателей. Термодинамический К.П.Д. прямого и холодильный коэффициент обратного циклов Карно не зависят от свойства вещества, а зависит только от абсолютных температур теплоотдатчика и теплоприемника. Это является содержанием теории Карно. Обратный цикл Карно используется в качестве эталона. с помощью которого определяется относительная эффективность обратных циклов, находящих практическое применение в холодильной и отопительной технике. Таким образом, цикл Карно обратимый круговой процесс, в котором совершается наиболее полное превращение теплоты в работу или работы в теплоту .

Аналитическое выражение второго закона термодинамики для обратимого и необратимого циклов

где знак равенства относится к обратимым, а знак неравенства к необратимым циклам. Знак обозначает интегрирование по замкнутому контру. Уравнение 4.1 , выведенное Клаузиусом в 1854г. представляет собой математическое выражение второго закона термодинамики для произвольного обратимого знак неравенство и необратимого знак равенства циклов и соответственно называются первым и вторым интегралом Клаузиуса. Из выражения 4.1 следует, что алгебраическая сумма приведенной теплоты dq/T для любого обратимого цикла знак равна нулю, а для необратимого цикла Карно меньше нуля знак n idem. Этот процесс является обобщающим и для основных процессов при определенных условиях и характеризуется постоянством теплоемкости в процессе. Изохорный процесс происходит при постоянном объеме V const . Из уравнения состояния идеального газа Pv RT при v const получаем закон закон Шарля . P1 /P2 T1 /T2 Так как в изохорном процессе объем газа не изменяется V2 V1. то работа при изменении объема газа равна нулю l 0, а теплота, определяемая первым законом термодинамики q u + l, составляет: Изменение энтальпии в процессе определяется по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа 2. Изобарный процесс Из уравнения состояния идеального газа Pv RT при P const находим vT RP const. или V2 V1 T2 T1 закон Гей Люссака . Количество теплоты, подведенной к газу или отведенной от него , можно определить из первого закона термодинамики dq dh vdp при p const. 3. Изотермический процес? ? При изотермическом процессе температура постоянна, следовательно, PV RT const, или P2 /P1 V1 /V2 закон Бойля Мариотта Так как внутренняя энергия и энтальпия идеального газа зависит только от температуры, при изотермическом процессе внутренняя энергия и энтальпия не изменяются ?U 0 и ?h 0. В этом случае, как следует из первого закона термодинамики, вся подведенная к системе теплота идет на совершение работы l RT ln V2 /V1 RT ln P1 /P2 q l 4. Адиабатный процесс Процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным, т.е. dq 0. На основании уравнения первого закона термодинамики для адиабатного процесса получается уравнение PV K const где к CP /CV показатель адиабаты поскольку к >1, то в координатах P,V линия адиабаты идет круче линии изотермы. P1 /P2 V2 /V1 K или V2 /V1 P1 /P2 1/к Уравнение PV K const является уравнением адиабаты идеального газа в V,P координатах при CV const и Ср const. Работа, совершаемая рабочим телом при адиабатном процессе согласно первому закону термодинамики совершается за счет уменьшения внутренней энергии и может быть вычислена по одной из следующих формул. l — ?U CV T2 -T1 R/K-1 T1 -T2 1/K-1 P1 V1 -P2 V2 RT1 /K-1 1-T2 /T1 RT1 /K-1 1- V2 /V1 K -1 P1 V1 /K-1 1- P2 P1 K -1/ K .

Политропный процесс. Основные характеристики политропных процессов

Политропным процессом называется такой термодинамический процесс изменения состояния физической системы, при котором в течении всего процесса сохраняется постоянство теплоемкости. Все основные термодинамические процессы если они протекают при постоянной теплоемкости, то является частными случаями политропного процесса. Любой произвольный процесс можно описать в P,V координатах по крайней мере на любом участке уравнением PV n const подбирая соответствующее значение показателя политропны n. Показатель политропы n может принимать любые численные значения в пределах от — бесконечности до + бесконечности. но для данного процесса он является величиной постоянной. Поскольку уравнение политропы 5.19 отличается от уравнения адиабаты только величиной показателя n, то очевидно, все отношения между основными параметрами могут быть определены формулами, аналогичными адиабатному процессу только вместо показателя адиабаты К следует брать показатель политропы n P1 /P2 V2 /V1 K V2 /V1 P1 /P2 1/к. l — ?U CV T2 -T1 R/K-1 T1 -T2 1/K-1 P1 V1 -P2 V2 RT1 /K-1 1-T2 /T1 RT1 /K-1 1- V2 /V1 K -1 P1 V1 /K-1 1- P2 P1 K -1/ K . Показатель политропы n и теплоемкость политропного процесса Cn определяются из формул: , откуда

Тепловая ТS диаграмма. Основные термодинамические процессы идеальных газов в T.S диаграмме и изменение энтропии через основные параметры состояния.

Энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров состояния с абсолютной температурой Т для графического изображения процессов. Если энтропию S откладывать по оси абсцисс, а абсолютную температуру Т по оси адиабат, то получим T,S диаграмму. Диаграмма — T,S дает: -оценить количество теплоты участвующей в процессе графической по площади под кривой процесса Т f S — направление теплового потока или термодинамических процессов — определить теплоемкость тела С dq/ dt Tds/dT — определить термический К.П.Д. ?t q1 — q2 /q1 lц /q1 — определить работу lц q1 — q2. Энтропию можно рассматривать как функция состояния, тогда изменение ее можно вычислить для любого процесса, если известно изменение двух других параметров состояния, например V и T, P и T, P и V. Изменение энтропии в изохорном и изобарном процессе определяется по формуле S2 -S1 v р ?Sv р Cv р ln T2 /T1 Cv р ln P2 /P1 . Изменение энтропии в изотермическом процессе выражается формулой S2 -S1 Т ?SТ Rln P2 /P1 Rln V2 /V1 Поскольку в изотермном процессе dT 0, температура рабочего тела не изменяется Т 0 и Т const . Следовательно, на T,S диаграмме изотермический процесс изображается параллелью оси ординат Поскольку в адиабатном процессе dq 0, энтропия рабочего тела не изменяется ds 0 и S const . Следовательно, на T,S- диаграмме адиабатный процесс изображается вертикалью. Изменение энтропии в политропном процессе определяется по формуле dq/T Cn ln T2 /T1

Процессы изменения состояния водяного пара и их изображение на диаграммах PV TS hs

Процессы парообразования на диаграммах PV, TS hs

Текст видео

Опубликовано: 17 дек. 2012 г.

Запись вебинара Расчёты полей для теплотехнических приложений .

Разнообразная информация, задачи и демо ELCUT на сайте www.elcut.ru.

Сегодняшний вебинар посвящен теплотехническим расчетам в ELCUT. Тема широкая и охватывает сразу несколько направлений инженерной деятельности b для каждого направления есть свои специфические задачи. Сегодня мы посмотрим только самые основы — как ставить задачу, как задавать свойства материалов и граничные условия. Как учитывать конвективный теплообмен и излучение.

Эти общие походы одинаковы для всех задач, где есть передача тепла.

Сначала вкратце, что такое ELCUT. ELCUT — это программа численного моделирования. ELCUT имеет модули для решения магнитных, электрических, тепловых, механических задач, электрических цепей ? надо ли говорить последнее . На сегодняшнем вебинаре мы будем использовать стационарную теплопередачу, и посмотрим одну задачу нестационарной теплопередачи.

ELCUT пакет общего применения, т.е. он «не заточен» под конкретное устройство или отрасль применения. Обычный подход такой:

1. Нарисовать геометрию или импортировать из другого САПРа

2. Задать свойства материалов, источники, граничные условия

3. Дальше ELCUT решает задачу и показывает распределение поля температуры .

Вы сами увидите, что это просто. Это живая демонстрация работы программы для решения реальных задач.

ELCUT имеет тепловые решающие модули, которые используются для решения различных теплотехнических задач. На этом семинаре мы покажем, как решать некоторые задачи теплопередачи, включая также задачи определения коэффициента конвекции.

Комментарии запрещены.

Реклама