Процессы изменения состояния вещества

Задача 1. 1 кг метана при постоянной температуре t₁=20°C и начальном давлении Р₁=3,0 МПа сжимается до давления Р₂=5,8 МПа. Определить удельный конечный объем, количество тепла, отводимого в процессе сжатия, и затрачиваемую работу.

Решение. По уравнению состояния находим удельный начальный объем газа, предварительно определив газовую постоянную метана:

Дж/(кг×К),

 м³/кг.

Так как процесс сжатия газа по условию протекания изотермический (при постоянной температуре), когда n=1, P₁V₁=P₂V₂, то конечный объем газа

м³/кг.

Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, определяется из уравнения

кДж/кг.

Количество теплоты, отводимой от газа, численно равно работе, затраченной на сжатие. Следовательно, q= -100,1 кДж/кг.

Задача 2. Метан массой 1 кг адиабатически расширяется от давления Р₁=5,4 МПа и температуры 40°С до давления Р₂=1 МПа. Найти конечный объем, температуру, потенциальную и термодинамическую работу, изменение внутренней энергии и энтальпии. Показатель адиабаты принять равным 1,4.

Решение. Начальный удельный объем находится из уравнения Клапейрона. Газовая постоянная R=518,3 Дж/(кг×К).

м³/кг.

Для адиабатического процесса справедливы уравнения вида

отсюда                      К.

Конечный объем в процессе расширения равен:

м³/кг.

Определение удельных значений работ производим следующим образом:

термодинамическая работа

кДж/кг;

потенциальная работа

w_1,2=K× l _1,2=1,4×155,4=217,6 кДж/кг.

Изменение внутренней энергии и энтальпии в обратимом адиабатическом процессе соответственно равно термодинамической и потенциальной работам:

q_1,2=0;    DU_1,2=- l _1,2=-155,4 кДж/кг,

              Dh_1,2=-w_1,2=-217,6 кДж/кг.

Термодинамические циклы

Задача 1. Определить параметры состояния (Р, V, t) в крайних точках цикла ГТУ простейшей схемы, работающей при следующих исходных данных: начальное давление сжатия Р₁=0,1 МПа; начальная температура t₁=27°С; степень повышения давления в компрессоре p=7; температура газа перед турбиной t₃=700°С. Определить для каждого процесса цикла работу, количество подведенного и отведенного тепла, изменение внутренней энергии, энтальпию и энтропию. Определить теоретическую мощность ГТУ при расходе воздуха G=35 кг/с, термический к.п.д. цикла. Рабочее тело ¾ 1 кг воздуха (R=0,287 кДж/(кг×К); С_р=1,004 кДж/(кг×К); С_v= =С_р-R=0,717 кДж/(кг×К)). Построить цикл в P-V и T-S координатах.

Рис. 3.21. Цикл ГТУ в P-V и T-S координатах (к задаче 1)

Решение.

1. Определение параметров состояния в крайних точках цикла.

Точка 1. Из уравнения состояния  м³/кг.

Точка 2. Р₂=pР₁=7×0,1 МПа, процесс 1-2 — адиабатное сжатие, поэтому м³/кг.

К.

Точка 3. Процесс 2-3 изобарный, следовательно,

Р₂=Р₃=0,7 МПа;

Т₃=(700+273)=973 К по заданию.

 м³/кг.

Точка 4. Процесс 4-1 изобарный, значит Р₄=Р₁=0,1 МПа. Процесс 3-4 адиабатный, поэтому V₄ можно определить из уравнения адиабаты:

м³/кг;

К.

2. Определение работы, количества тепла, изменения внутренней энергии, изменения энтальпии и энтропии для каждого процесса цикла.

Процесс 1-2 (адиабатное сжатие q_1,2=0).

Термодинамическая работа

кДж/кг;

потенциальная работа

= -223,89 кДж/кг;

изменение внутренней энергии

DU_1,2=C_vm(T₂-T₁)=0,717(523-300)=160 кДж/кг; DU_1,2=- l _1,2;

изменение внутренней энергии DS_1,2=0;

изменение энтальпии Dh_1,2=-w_1,2=223,89 кДж/кг.

Процесс 2-3 (изобарный Р₂=Р₃).

l _2,3=R(T₃-T₂)=0,287(973-523)=129 кДж/кг;

w_2,3=0;

DU_2,3=C_vm(T₃-T₂)=0,717(973-523)=323 кДж/кг;

q_2,3=Cpm(T₃-T₂)=1,004(973-523)=452 кДж/кг;

кДж/кг;

Dh_2,3=q_2,3=452 кДж/кг.

Процесс 4-3 (адиабатное расширение).

q_3,4=0; DS_3,4=0;

кДж/кг;

l _3,4= -DU_3,4= -298,0 кДж/кг;

кДж/кг.

Процесс 4-1 (изобарный Р=idem).

w_4,1=0;

l _4,1=R(T₁-T₄)=0,287(300-558)=-74,05 кДж/кг;

DU_4,1=C_vm(T₁-T₄)=0,717(300-558)=-185 кДж/кг;

q_4,1=C_pm(T₁-T₄)=1,004(300-558)=-259 кДж/кг;

кДж/(кг×К);

Dh_4,1=q_4,1=-259 кДж/кг.

Данные вычислений по процессам сводим в таблицу результатов (см.)

Условия замыкания круговых циклов выполнены:

Суммарная термодинамическая работа

кДж/кг;

Таблица результатов вычислений по процессам

Процессы	l (кДж/кг)	w (кДж/кг)	D h (кДж/кг)	D U (кДж/кг)	q (кДж/кг)	D S (кДж/(кг × К))
1-2	-160	-223,9	223,9	160	0	0
2-3	129	0	452	323	452	0,623
3-4	298	416,9	-416,9	-298	0	0
4-1	-74,05	0	-259	-185	-259	-0,623
S	193	193	0	0	193	0

кДж/кг.

Тепло в цикле, превращенное в полезную работу

.

Термический к.п.д. цикла

3. Построение цикла в P-V и T-S координатах.

Процессы, изображенные в P-V и T-S координатах, необходимо строить не менее чем по трем точкам. Для нахождения параметров промежуточных точек вначале надо принять произвольно значение одного какого-либо параметра таким образом, чтобы это значение находилось между его численными значениями в крайних точках процесса.

Последующий параметр определяется из уравнения, характеризующего данный процесс, составленного для одной (любой) из крайних точек процесса и для промежуточной точки. По найденным значениям строится цикл в координатах P-V и T-S. Масштаб выбирается произвольно, исходя из численных значений параметров.

Задача 2. 1 кг воздуха совершает цикл Карно в пределах температур t₁=627°C и t₃=27°C, причем наивысшее давление равно 6 МПа, а наинизшее составляет 0,1 МПа. Определить параметры состояния воздуха в характерных точках цикла, работу, количество подведенного и отведенного тепла, термический к.п.д..

Решение.

1. Находим параметры крайних точек цикла.

Точка 1. Удельный объем точки 1 находим по уравнению состояния:

м³/кг.

Рис. 3.22. Цикл Карно в P-V и T-S координатах (к задаче 2)

Точка 2. Процесс 1-2 изотермический (T=idem), поэтому Т₁=Т₂=900 К. Процесс 2-3 адиабатный (q_2,3=0), поэтому Р₂ находим по уравнению адиабатного процесса:

МПа;

из уравнения изотермы 1-2:

м³/кг.

Точка 3. Процесс 3-4 изотермический Т₃=Т₄=300 К.

м³/кг.

Точка 4. Т₄=Т₃=300 К. Из уравнения адиабаты (процесс 4-1)

МПа;

из уравнения изотермы 3-4

м³/кг.

2. Подведенное количество тепла (процесс 1-2)

кДж/кг.

3. Отведенное количество тепла (процесс 3-4)

кДж/кг.

4. Полезная работа цикла l ₀=q_1,2-q_3,4=69,6-21,5=42,1 кДж/кг.

5. Термический к.п.д. цикла

Задача 3. На рис. 1.23 показан процесс работы двигателя, в котором рабочим телом является сжатый воздух. Определить необходимый массовый расход воздуха, если теоретическая мощность воздушного двигателя 10 кВт. Начальные параметры воздуха: Р₁=1 МПа, t₁=15°С. Процесс расширения воздуха принять политропным с показателем n=1,3. Конечное давление воздуха Р₂=0,1 МПа.

Решение.

1. Работа 1 кг сжатого воздуха в двигателе изображается площадью 1234, т. е.

2. Значения удельных объемов V₁ и V₂ определяют из уравнений:

м³/кг;

Рис. 3.23. Расширение в двигателе

 

 

м³/кг.

Таким образом,  Дж/кг.

3. Массовый расход воздуха  кг/ч.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА