Тема 2.1 Термодинаміка та її метод. Основні параметри стану робочого тіла

План

1 Технічна термодинаміка (ТТД), предмет і метод.

2 Поняття «робоче тіло».

3 Основні параметри стану робочого тіла.

 

1 Процеси обміну енергією мають місце в будь–яких явищах навколишнього світу. То-му термодинаміка як наука про взаємне перетворення теплоти і роботи дає методи вив-чення енергетичних явищ.

Термодинаміка складається з 2 грецьких слів:„терме” - теплота і „динаміс” – ро-бота.

Термодинаміка умовно поділяється на хімічну і технічну. Хімічна ТД вивчає процеси, в котрих обмін енергією супроводжується зміною хімічного складу тіл.

Технічна термодинаміка (ТТД) – наука про властивості теплоти і закони взаєм-ного перетворення теплоти і механічної роботи.

ТД вивчає закономірності процесів перетворення енергії в різних фізичних і хі-мічних процесах, це і є предметом ТТД. Дана дисципліна є основою вивчення і вдос-коналення всіх теплових двигунів, компресорних, сушильних, холодильних установок тощо. Оскільки головним елементом з точки зору перетворення енергії в цих машинах є робоче тіло (наприклад, пара в паровій турбіні), то становлять інтерес і властивості робочих тіл.

Основою ТД як науки є 2 закони, отримані дослідним шляхом - перший і другий закони ТД. Перший закон ТД встановлює кількісну міру при переході одного виду енергії в інший і є приватним випадком загального закону фізики збереження і пере-творення енергії. Другий закон ТД має більш обмежений характер і відноситься до тіл, які мають кінцеві розміри, але складаються з великої кількості атомів і молекул. Закон встановлює напрямок теплових процесів, які протікають в природі, та умови пе-ретворення теплоти в роботу.

Використовуючи основні закони, ТТД досліджує процеси, які протікають в теп-лових двигунах, і встановлює найбільш економічні умови їх роботи.

 

2 В теплових машинах застосовується робоче тіло -частіше за все газ, який при взає-модії з зовнішнім середовищем змінює свій стан. Фізичні макроскопічні величини, які характеризують стан робочого тіла, називаються термодинамічними параметрами стану (або просто параметрами стану). Основними параметрами стану є: абсолют-ний тиск , питомий об’єм v, абсолютна температура Т. Ці параметри визнача-ють стан газу в стані рівноваги, тобто коли в будь–який момент часу , v і Т по всій масі газу будуть мати одні й ті ж значення.

 

3 Тиск газу є середнім результатом ударів великої кількості часток (молекул або ато-мів) об стінки посудини, де знаходиться робоче тіло. Тиск вимірюється силою, що приходиться на одиницю поверхні тіла і направлена до неї перпендикулярно. Познача-ється Р, в системі СІ виміряється паскалем (Па) - силою в один ньютон на площі в один квадратний метр, тобто .

Ця одиниця тиску дуже мала, і тому на практиці застосовуються інші одиниці:

(кілопаскаль); (мегапаскаль).

В техніці також застосовуються позасистемні одиниці вимірювання:

1) мм рт. ст. (мм ртутного стовпчика). ;

2) мм вод. ст. (мм водяного стовпчика) ;

3) бар. ;

4) технічна атмосфера (ат), яка є дією кілограм – сили (кгс) на площу в

Па;

5) фізична атмосфера (атм), яка дорівнює середньому тиску атмосферного повітря на рівні моря. Ця величина складає

.

Фізична атмосфера приймається як деякий стандартний тиск і називається нор-мальним тиском. В системі СІ нормальний тиск дорівнює:

Тиск атмосферного повітря виміряється барометром і називається барометрич-ним або атмосферним . Величина тиску газу, яка перевищує атмосферний і вимі-рюється манометром, називається манометричним або надлишковим . Величина тиску газу, яка менше атмосферного і вимірюється вакуумметром, називається вакууметричним або розрідженням .

Надлишковий і вакууметричний тиски не є параметрами стану, бо при одному і тому ж тиску газу в посудині (абсолютному) показання манометру і вакууметру бу-дуть різними в залежності від атмосферного тиску повітря в момент вимірювання.

Параметром стану є абсолютний тиск газу , який може бути знайдений по одній з двох формул. Розглянемо прилад, який складається з посудини А, наповненої газом із абсолютним тиском , і U – подібної трубки, частково заповненої рідиною (рисунок 2.1). З лівого боку на рідину діє абсолютний тиск газу, з правого – атмосфер-ний тиск повітря. Якщо , то рідина буде переміщатися в трубці зліва направо до тих пір, поки стовпчик рідини, який утворився, висотою врівноважить різниця тисків В цьому випадку прилад показує, наскільки тиск газу в посудині А більше атмосферного, тобто надлишковий тиск. Тому

- абсолютний тиск газу в посудині дорівнює сумі показань (2.1)

барометру і манометру.

Якщо , тоді рідина в правому коліні трубки опуститься, а в лівому підні-меться і займе положення, показане на рисунку 2.2. В цьому випадку прилад показує, наскільки тиск газу в посудині А менше атмосферного, і висота стовпчика визначає вакууметричний тиск . Значить,

- абсолютний тиск газу в посудині дорівнює різниці показань (2.2)

барометру і вакуумметру.

Показання ртутних приладів тиску змінюються в залежності від температури ртуті внаслідок її розширення із підвищенням температури. Тому показання баромет-ру (манометру, вакуумметру), визначені висотою ртутного стовпчика, приводяться до , для чого використовується рівняння

 

 

 

Рисунок 2.1 – Вимірювання надлишкового Рисунок 2.2 – Вимірювання розрідження

тиску рідинним манометром (вакууму) рідинним

() вакууметром ()

 

 

, (2.3)

де - показання барометру, приведене до , мм рт. ст; - дійсна висота

ртутного стовпчика барометру при температурі , мм рт. ст;

0,000172 – коефіцієнт об’ємного розширення ртуті.

Температура є мірою теплового стану чи ступеня нагрітості тіла, наприклад га-зу. З фізики відомо, що температура газу змінюється пропорційно середній кінетичній енергії поступального руху молекул. Чим вища температура, тим більша швидкість ру-ху молекул.

Температура тіла збільшується або зменшується в залежності від того, одержує чи віддає це тіло теплоту. Тіла, які мають однакову температуру, знаходяться в тепло-вій рівновазі, тобто не передають теплоту одне іншому.

При нагріванні тіла розширюються, тобто збільшуються в об’ємі. Цю обставину враховують при конструюванні котлів і будові обмурівки, а при проектуванні трубо-проводів різного призначення, які можуть опинитися під дією температурних подов-жень, передбачають установку спеціальних компенсаторів.

Одиницею вимірювання температури є градус. В техніці температура вимірюєть-ся по Міжнародній стоградусній шкалі (шкалі Цельсію) і позначається , . В цій шкалі при нормальному тиску (760 мм рт. ст.) стану льоду, котрий розтає, відповідає температура , а точці кипіння чистої води – 100 .

Для вимірювання температури використовується також термодинамічна шкала температур (шкала абсолютних температур, або шкала Кельвіна). Нуль абсолютної шкали температур відповідає значенню . Градус абсолютної шкали темпе-ратур носить назву кельвіна і позначається через . Між двома температурами існу-ють наступні співвідношення

, К (2.4)

, (2.5)

Параметром стану є абсолютний температура . Температура вимірюється тер-мометрами, термопарами, пірометрами та іншими приладами.

Питомим об’ємом називається об’єм 1 кг газу, він позначається v, тобто

, (2.6)

де - повний об’єм газу, ; - маса газу, .

Щільністю називається маса газу, яка міститься в одиниці об’єму, тобто

, (2.7)

З формул (27) і (28) виходить, що питомий об’єм і щільність газу – величини взаємозворотні і їх добуток дорівнює одиниці:

(2.8)

або (2.9,2.10)

Слід пам’ятати наступні співвідношення: і .

 

Лекція 6