Термодинамические процессы идеальных газов

Программа

Классификация термодинамических процессов, изменения состояния рабочих тел. Общая схема исследования термодинамических процессов. Аналитическое исследование изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного и политропного процесса, их графическое изображение в p-v и Т-s диаграммах. Обратимые и необратимые термодинамические процессы.

Методические указания. Материал этой темы является основой для усвоения и понимания особенностей работы различных тепловых машин.

В термодинамике переход рабочего тела из одного равновесного состояния в другое совершается в обратимом термодинамическом процессе. Определенная последовательность термодинамических процессов, в результате которой рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, называется термодинамическим циклом.

Общая схема исследования термодинамических процессов состоит из нескольких этапов: 1 - запись (вывод) уравнение процесса; 2 - характер изменения основных параметров рабочего тела; 3 - анализ особенностей энергообмена в процессе; 4 - определение теплоты и работы (q, l); 5 - определение изменения объема рабочего тела;6 - определение изменения калорических параметров рабочего тела (D u, D i, D s);7 - графическое изображение процесса в рабочей и тепловой диаграммах.

Для успешного усвоения этой темы необходимо помнить об общих и особых моментах в аналитических зависимостях показателей процессов. Некоторые из них:

• уравнение процесса записывается через основные или калорические параметры состояния рабочего тела;

• изменения основных параметров определяется уравнением с неизменным состоянием для всякой (начальной и конечной) точки процесса;

• исходя из уравнения первого закона термодинамики dq = du + dl, возможны четыре особенности энергообмена - когда есть все три составляющие этого закона, и когда любое из трех равна нулю;

• удельная теплота процесса q определяется через произведение теплоемкости рабочего тела в этом процессе на разницу (изменение) температуры q_i = c_i ´ D T;

• изменения удельной внутренней энергии и удельной энтальпии рабочего тела не зависят от характера процесса и в любом процессе определяется по формулам:

 

D u = c_v ´ D T, D i = c_p ´ D T;

• изменениеудельной энтропии рабочего тела в процессе (за исключением изотермического процесса) определяется, как произведение теплоемкости в этом процессе на разницу натуральных логарифмов (логарифм отношения) конечной и начальной температуры: D s = c_i ´ ln (T₂ /T₁).

Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 1.

1. Основные понятия и положения технической термодинамики.

2. Физический смысл газовой постоянной.

3. Что является газовой постоянной смеси? Уравнения состояния для газовой смеси.

4. Теплоемкость идеальных газов. Ее виды. Основные формулы.

5. Определение средней и истинной теплоемкости идеального газа.

6. Определение теплоемкости газовой смеси.

7. Первый закон термодинамики. Его формулировки и математическое выражение.

8. Энтальпия и энтропия, как функции состояния тела.

9. Работа и теплота. Аналитическое выражение и графическое изображение.

10. Общая схема исследования термодинамических процессов.

11. Исследование изотермического процесса идеального газа. Изображение процесса в р-v и T-s - координатах.

12. Исследование изобарного процесса идеального газа. Изображение процесса в р-v и T-s - координатах.

13. Исследование изохорного процесса идеального газа. Изображение процесса в р-v и T-s - координатах.

14. Исследование адиабатного процесса идеального газа. Изображение процесса в р-v и T-s - координатах.

15. Исследование политропного процесса идеального газа. Изображение процесса в р-v и T-s - координатах. Определение показателя политропы и теплоемкости политропного процесса.

Смысловой модуль 2.

РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

Реальные газы (пары)

Программа.

Свойства реальных газов. Уравнение состояния реального газа. Фазовые равновесия и фазовые переходы. Основные понятия и определения для пара. Фазовые диаграммы состояния. Водяной пар. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара на линии насыщения. p-v, T-s и i-s диаграммы водяного пара. Построение термодинамических процессов водяного пара в p-v, T-s и i-s диаграммах. Расчет параметров процессов водяного пара с помощью термодинамических таблиц и i-s диаграммы.

Методические указания. Приступая к изучению этой темы, студент должен четко представлять себе, что расчетные формулы, которые применялись для идеального газа, здесь, как правило, являются недействительными. Для паров нет простого и точного уравнения состояния. Уравнение Ван-дер-Ваальса для реального газа учитывает внутреннее давление газа и силы взаимодействия между молекулами и имеет следующий вид: .Уравнение М.П.Вукаловича и И.И.Новикова имеет более сложный характер, так как учитывает силовые ассоциации и диссоциации молекул: Поэтому процессы реальных газов рассчитываются с помощью диаграмм. Для водяного пара наиболее широкое применение нашла i-s диаграмма, для рабочих тел холодильных машин – T-s и lg p- h диаграммы.

 

Влажный воздух

Программа.

Определение понятия «влажный воздух». Основные характеристики влажного воздуха: абсолютная, максимальная относительная влажность воздуха, влагосодержание, температура точки росы. i-d диаграмма влажного воздуха. Построение основных процессов влажного воздуха (нагрев, охлаждение, сушка влажных материалов в воздухе, смешивание, изменение параметров воздуха в помещении) и их расчет с помощью i-d диаграммы.

Методические указания. Основные трудности усвоения этой темы заключаются в умении строить в i-d диаграмме и рассчитывать процессы влажного воздуха. Если знать уравнение процесса, этот вопрос не вызывает затруднений. Так, нагрев происходит при d-const, при охлаждении влагосодержание остается постоянным до достижения точки росы, после этого дальнейшее охлаждение воздуха приводит к уменьшению влагосодержания (выпадение росы) в результате конденсации водяного пара. Сушка влажных материалов происходит при i-const с понижением температуры воздуха и увеличением влагосодержания. При смешивании воздуха с различными параметрами изменения характеристик влажного воздуха обратно пропорционально смешанным массам (D d₁ / D d₂ = D t₁ / D t₂ = = D i₁/ D i₂=m₂/m₁). График процесса – прямая, соединяющая две точки, соответствующие параметрам воздуха до смешивания. Точка, характеризующая параметры воздуха после смешивания, также находится на этой прямой и делит ее на отрезки в соответствии с массами m₁ и m₂. Причем любой параметр смеси может быть найден из соотношения: A_c=(m₁A₁+m₂A₂)/(m₁+m₂). Процесс изменения параметров воздуха в помещении происходит при постоянном тепловлажностным отношении D i/ D d= e =const. Диаграмма влажного воздуха приведена в приложении В.