Раздел II. Основы теории теплообмена

Теплотехника

Теплотехника — общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принцип действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов тепловых машин, агрегатов и устройств. Теоретическими разделами теплотехники, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии, а также процессы распространения теплоты являются техническая термодинамика и теория теплообмена. В развитии теплотехники и её теоретических основ большая заслуга принадлежит российским учёным. Д. И. Менделеев провёл фундаментальные работы по общей теории теплоёмкостей и установил существование для каждого вещества критической температуры. М. В. Ломоносов создал основы молекулярно-кинетической теории вещества и установил взаимосвязь между тепловой и механической энергией.

Литература

• Лариков Н. Н. Теплотехника М.: Стройиздат 1985

 

· ОГЛАВЛЕНИЕ

· Раздел I. Основы технической термодинамики

Глава 1. Общие понятия и определения
§ 1.1. Предмет термодинамики. Термодинамическая система
§ 1.2. Основные параметры состояния газов
§ 1.3. Смеси идеальных газов
§ 1.4. Теплоемкость идеальных газов
Глава 2. Первый закон термодинамики
§ 2.1. Понятие о внутренней энергии газа
§ 2.2. Определение работы газа при его расширении
§2.3. Аналитическое выражение первого закона термодинамики
§ 2.4. Энтропия идеальнрго газа
Глава 3, Процессы, изменения состояния идеальных газов
§ 3.1. Частные процессы изменения состояния газов
§ 3.2. Полнтропный процесс изменения состояния газов
Глава 4. Второй закон термодинамики. Круговые процессы изменения состояния газов
§ 4.1. Второй закон термодинамики
§ 4,2. Цикл Карно
§ 4.3. Регенеративный цикл
§ 4.4. Интеграл Клаузиуса. Аналитическое выражение второго закона термодинамики
Глава 5. Дифференциальные уравнения термодинамики
§ 5.1. Общие положения
§ 5.2'. Дифференциальные уравнения внутренней энергии, энтропии, энтальпии и теплоты при различных комбинациях независимых переменных
§ 5.3, Дифференциальные уравнения теплоемкостей
Глава 6. Водяной пар
§ 6.1. Общие положения
§ 6.2. Процесс парообразования в ру-диаграмме
§ 6.3. Определение параметров состояния водяного пара
§ 6.4. Исследования процесса парообразования с помощью Ts- и is- диаграмм
§ 6.5. Процессы изменения состояния водяного пара
Глава 7. Влажный воздух
§ 7.1. Основные характеристики влажного воздуха
§ 7.2..I-d -диаграмма для влажного воздуха и ее построение
Глава 8. Процессы истечениями дросселирования паров и газов
§ 8.1. Определение работы, скорости и расхода газа в процессе истечения
§ 8.2. Истечение пара или газа через комбинированное сопло (сопло Лаваля)
§ 8.3, Действительный процесс истечения паров и газов
§ 8.4. Дросселирование паров и газов
Глава 9. Компрессоры
§ 9.1. Общие положения
§ 9.2. Объемный компрессор
§ 9.3. Лопаточный компрессор
Г лава 10. Циклы холодильных установок
§ 10.1. Циклы паровых компрессорных холодильных установок
§ 10.2. Принцип работ абсорбционных и пароэжекторных холодильных установок
§ 10.3. Принцип работы теплового насоса
Глава 11. Циклы и рабочий процесс тепловых двигателей
§ 11.1. Общие положения
§ 11.2. Поршневые двигатели внутреннего сгорания
§ 11.3. Газотурбинные установки
§ 11.4. Циклы паросиловых установок
§ 11.5. Паровая турбина
§ 11. 6. Эксергетический метод исследования экономичности теплосиловых установок
Глави 12. Приложение законов термодинамики к химическим реакциям
§ 12.1. Общие понятия и определения
§ 12.2. Первый закон термодинамики в применении к химическим реакциям
§ 12.3. Второй закон термодинамики в применении к химическим реакциям
§ 12,4. Равновесие химических систем
§ 12.5. Тепловая теорема Нернста
§ 12. 6. Влияние температуры на скорость химических реакций

Курс лекций по теплотехнике

Автор курса: Скрябин В.И.
ведущий инженер кафедры ТГП физического факультета
физико-технического института

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 и технологическое. 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" [3] динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Вид энергоресурсов	Годы
	1980	1985	1990	1994	1995
Нефть, Мт, в мире	2922	2652	3022	3264	-
Россия	547	542	518	317,8	306,7
Газ, Гм3, в мире	1620	1981	2413	2250	-
Россия	252	462	641	607,3	595,4
Уголь, Мт, в мире	3249	3808	3935	4163	-
Россия	391	395	395	270,9	262,2
Э/энергия,ТДж, в мире	10712	11900	16498	18221	-
Россия	596,7	886,5	942,7	890,7	862
Итого, Мтут*, в мире	9451	10231	11692	12277	-
Россия	1430	1690	1430	1391	-

^* 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.

Техническая термодинамика (т/д) рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она 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 базируется на двух основных законах (началах) термодинамики:

I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии;

II закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц.

Техническая т/д, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т.п.

Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что находится вне системы называется окружающей средой. Т/д система это совокупность макроскопических тел, обменивающиеся энергией друг с другом и окружающей средой. Например: т/д система – газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда – цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Изолированная система - т/д система не взаимодействующая с окружающей средой.

Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой.

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

Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, 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 – газ, пар.

Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – уд. объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р).

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.υ = V / m, [м³/кг], (1.1) Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.ρ = m / V, [кг/м³], (1.2)

υ = 1 / ρ; ρ = 1 / υ; υ • ρ = 1. (1.3)Давление– с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.Р = F / S; [Па] = [Н/м²] (1.4) Внесистемные единицы давления :

1 кгс/м² = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст.

1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см² = 98,1 кПа.

1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст.

1 ат. = 0,968 атм.

1 мм.рт.ст. = 133,32 Па.

1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 10⁵ Па.

Различают избыточное и абсолютное давление.

Избыточное давление (Р_и)– разность между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды.

Абсолютное давление (Р)– давление отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является т/д параметром состояния.

Абсолютное давление определяется:

1). При давлении сосуда больше атмосферного:Р = Р_и + Р_о ; (1.5)2). При давлении сосуда меньше атмосферного:Р = Р_о + Р_в ; (1.6)где Р_о – атмосферное давление;

Р_в – давление вакуума.

Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем вышетемпература тела.

За т/д параметр состояния системы принимают термодинамическую температуру (Т), т.е. абсолютную температуру. Она всегда положительна, При температуре абсолютного нуля (Т=0) тепловые движения прекращаются и эта температура является началом отсчета абсолютной температуры.

Основные т/д параметры состояния Р, υ, Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаня между собой определенным математическим уравнением, который называется уравнением состояния: f (Р, υ, Т) = 0. (1.7)

Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, υ и Т и все другие физические свойства одинаковы.

Совокупность изменений состояния т/д системы при переходе из одного состояния в другое называется т/д процессом. Т/д процессы бывают равновесные и неравновесные. Если процес проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы являются неравновесными.

Если при любом т/д процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т.д.

Интенсивные параметры– это параметры не зависящие от массы системы (давление, температура).

Аддитивные (экстенсивные) параметры – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (Объем, энергия, энтропия и т.д.).

Теплота и работа

Тела, участвующие при протекании т/д процесса обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами.

1-й способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем э/м волн. При этом энергия передается от более нагретого к менее нагретому.

Количество энергии, переданной 1-м способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты – Q [Дж], а способ – передача энергии в форме теплоты.

2-й способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, То есть передачи энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой – L [Дж], а способ передача энергии в форме работы.

Количество энергии, полученное телом в форме работы называется работой совершенной над телом, а отданную энергию – затраченной телом работой.

Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. зависят от характера т/д процесса.

Внутренняя энергия

Яндекс.ДиректЕсли кредит, то в МТС банке! Кредит на любые цели от 17,9%. Акция «Кредитные каникулы». Узнай подробнее.app.mtsbank.ru

В общем случае внутренней энергией называется совокупность всех видов энергий, заключенной в теле или системе тел. Эту энергию можно представить как сумму отдельных видов энергий: кинетической энергии молекул (поступательного и вращательного движения молекул); колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии молекул.

В технической термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенциальная составляющие внутренней энергии. При этом знание абсолютных значений внутренней энергии не требуется. Поэтому внутренней энергией для идеальных газов называют кинетическую энергию движения молекул и энергию колебательных движений атомов в молекуле, а для реальных газов дополнительно включают потенциальную энергию молекул.

Внутренняя энергия (U) является функцией двух основных параметров состояния газа, т.е. U = f (P,T), U = f (υ,T) U= f (P,υ). Κаждому состоянию рабочего тела (системы) соответствует вполне определенное значение параметров состояния, то для каждого состояния газа будет характерна своя однозначная, вполне определенная величина внутренней энергии U. То есть U является функцией состояния газа. И разность внутренних энергий для двух каких-либо состояний рабочего тела или системы тел не будет зависет от пути перехода от первого состояния во второе.

Первый закон термодинамики является основой термодинамической теории и имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов. Этот закон является законом сохранения и превращения энергии:

¦"Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит

¦из одного вида в другой в различных физических процессах".

Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии т/д системы:

¦"Теплота, подведенная к системе, расходутся на изменение энергии ¦системы и совершение работы".

Уравнение первого закона термодинамики имеет следующий вид: Q = (U₂ – U₁) + L, (2.1)где Q - количества теплоты подведенная (отведенная) к системе;

L - работа, совершенная системой (над системой);

(U₂ – U₁) - изменение внутренней энергии в данном процессе.

Если:

Q > 0 – теплота подводится к системе;

Q < 0 – теплота отводится от системы;

L > 0 –работа совершается системой;

L < 0 – работа совершается над системой.

Для единицы массы вещества уравнение первого закона термодинамики имеет вид:q = Q /m = (u₂ – u₁) + l. (2.2)

В дальнейшем все формулы и уравнения будут даны в основном для единицы массы вещества.
1-й закон т/д указывает, что для получения полезной работы (L) в непрерывно действующем тепловом двигателе надо подводить (затрачивать) теплоту (Q).
Двигатель, постоянно прозводящий работу и не потребляющий никакой энергии называется вечным двигателем I рода."
Из этого можно высказать следующее определение 1-го закона термодинамики:
" Вечный двигатель первого рода невозможен".

Теплоемкость газа

Яндекс.ДиректЕсли кредит, то в МТС банке! Кредит на любые цели от 17,9%. Акция «Кредитные каникулы». Узнай подробнее.app.mtsbank.ru

Истинная теплоемкость рабочего тела определяется отношением количества подведенной (отведенной) к рабочему телу теплоты в данном т/д процессе к вызванному этим изменениям температуры тела.С = dQ / dT, [Дж /К]; (2.3)Теплоемкость зависит от внешних условий или характера процесса, при котором происходит подвот или отвод теплоты.

Различают следующие удельные теплоемкости:массовую – с = С / m, [Дж/кг]; (2.4)

молярную - с_μ = С / ν, [Дж/моль], (2.5)

где ν - количества вещества [моль];

объемную - с^/ = С / V = с·ρ, [Дж/м³], (2.6)где - ρ = m / V - плотность вещества.

Связь между этими теплоемкостями:с = с^/ · υ = с_μ / μ,

где - υ = V/m - удельный объем вещества, [м³/кг];

μ = m /ν – молярная (молекулярная) масса, [кг/моль].

Теплоемкость газов в большой степени зависит от тех условий, при которых происходит процесс их нагревания или охлаждения. Различают теплоемкости при постоянном давлении (изобарный) и при постоянном объеме (изохорный).

Таким образом различают следующие удельные теплоемкости:

с_р, с_v – массовые изобарные и изохорные теплоемкости;

с_pμ, с_vμ – молярные изобарные и изохорные теплоемкости;

с^/_p, с^/_v – объемные изобарные и изохорные теплоемкости.

Между изобарными и изохорными теплоемкостями существует следующая зависимость:с_р - с_v = R - уравнение Майера; (2.7)

с_pμ - с_vμ = R_μ. (2.8)Теплоемкость зависит от температуры, которые даются в справочных литературах в виде таблицы как средние теплоемкости в интервале температур от 0 до t_х. Для определения средней теплоемкости в интервале температур от t₁ до t₂ можно использовать следующую формулу:

с|^t2_t1 = (с|^t2₀ t₂ - с|^t1₀ t₁) / (t₂ - t₁). (2.9)

Поделиться:

Энтропия

Яндекс.Директ

Вы молчун и не перешли в НПФ? Осталось всего 49 дней, чтобы сохранить накопительную надбавку пенсии! Рассчитать пенсию в НПФ·Рейтинг доходности НПФ·ТОП 10 НПФ Россииpensiamarket.ru 18+

Одним из функций состояния термодинамической системы является энтропия. Энтропией называется величина определяемая выражением:dS = dQ / T. [Дж/К] (3.1)или для удельной энтропии:ds = dq / T. [Дж/(кг·К)] (3.2)

Энтропия есть однозначная функция состояния тела, принимающая для каждого состояния вполне определенное значение. Она является экстенсивным (зависит от массы вещества) параметром состояния и в любом термодинамическом процессе полностью определяется начальным и конечным состоянием тела и не зависит от пути протекания процесса.

Энтропию можно определить как функцию основных параметров состояния:S = f₁(P,V); S = f₂(P,T); S = f₃(V,T); (3.3)или для удельной энтропии:s = f₁(P,υ); s = f₂(P,T); S = f₃(υ,T); (3.4)

Так как энтропия не зависит от вида процесса и определяется начальными и конечными состояниями рабочего тела, то находят только его изменение в данном процессе, которые можно найти по следующим уравнениям:

Ds = c_v·ln(T₂/T₁) + R·ln(υ ₂/υ ₁); (3.5)

Ds = c_p·ln(T₂/T₁) - R·ln(P₂/P₁); (3.6)

Ds = c_v·ln(Р₂/Р₁) + c_р·ln(υ ₂/υ ₁). (3.7)

Если энтропия системы возрастает (Ds > 0), то системе подводится тепло.

Если энтропия системы уменьшается (Ds < 0), то системе отводится тепло.

Если энтропия системы не изменяется (Ds = 0, s = Const), то системе не подводится и не отводится тепло (адиабатный процесс).