Основные положения второго закона термодинамики.

Северного Зауралья»

        МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «Энергообеспечения с\х»

 

 

Теплотехника

Учебно-методическое пособие по выполнению контрольных работ для студентов очно-заочной формы обучения  

направления подготовки 35.03.06 «Агроинженерия»

профиль Технические системы в агробизнесе;

профиль   Технический сервис в агропромышленном комплексе

.

 

 

Тюмень, 2019

 

УДК 621.1

ББК 31.3

Рекомендовано учебно-методической комиссией МТИ

протокол № от «»          2019 г.

Составитель: Ставицкий А.В., старший преподаватель кафедры «Энергообеспечения сельского хозяйства»

Рецензенты:       

 

Андреев Л.Н., кан. техн. наук, доцент кафедры «Энергообеспечения с\х» ГАУ Северного Зауралья г. Тюмень

 

Теплотехника: Учебное пособие по выполнению контрольных работ [Электронный вариант]  / Сост. А.В.Ставицкий. – Тюмень: ГАУ Северного Зауралья, 2018. - 102 с.

 

Учебно-методическое пособие подготовлен в соответствии с требованиями ГОС ВО для направления подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» и является основным руководством для выполнения контрольной работы  по теплотехнике.

Теплотехника: учебно-методическое пособие к контрольным работам предназначено для студентов заочной формы обучения для направления подготовки 35.03. 06. "Агроинженерия".

                                        

 

 

                            УДК 621.1

                         ББК 31.3

 

©Ставицкий А.В.

©ФГБОУ ВО Государственный   аграрный

университет Северного  Зауралья, 2019.

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие предназначено для организации студентов заочной формы обучения направления подготовки 35.03.06. «Агроинженерия», профиль Технические системы в агробизнесе, профиль Технический сервис в агропромышленном комплексе. В пособие включены пять индивидуальных заданий, выполняемые в 6 семестре изучения дисциплины «Теплотехника», что соответствует требованиям ГОС ВО и рабочим программам для данного направления подготовки.

В начале пособия изложена программа дисциплины и основные вопросы, рассматриваемые в каждом разделе, а также требования, предъявляемые к оформлению контрольной работы.

В учебно - методическом пособии представлен лекционный материал по курсу «Теплотехника», имеющий отношение к практическим задачам, представленным в контрольной работе. Изучение курса позволяет овладеть основами технической термодинамики, теплопередачи и методами теплового расчета открытых и закрытых систем. Для закрепления полученных теоретических знаний проанализированы решения типовых задач, даны условия задач для самостоятельной работы и контрольных работ.

Альтернативой выполнения контрольной работы может быть патентоспособное техническое решение (устройство, технология), в основе которого лежат освоенные в курсе теплотехники законы, явления и процессы. Теплотехника уже послужила толчком для многих изобретений, хотя и плохое знание теплотехники может стать поводом к созданию работоспособных (или неработоспособных) конструкций и устройств. Многие изобретатели, вопреки известным законам термодинамики, продолжают создавать «вечный двигатель». Полученные знания открывают широчайшие возможности для создания многих и многих патентоспособных технических решений. Студенты, выбравшие вариант практического освоения материала (изобретательский путь), могут рассчитывать на помощь и поддержку в оформлении заявки на изобретение или полезную модель. Университет может оказать помощь в оплате соответствующих патентных пошлин. Найденное техническое решение может быть положено в основу курсового или дипломного проектирования. Выпускник вуза, являющийся автором изобретения или полезной модели, существенно повышает свою конкурентоспособность на рынке труда. Наличие объектов интеллектуальной собственности говорит о зрелости специалиста, о его творческом потенциале.

Для закрепления полученных теоретических знаний даны условия задач для самостоятельной работы и контрольных работ, со значениями необходимых исходных величин, в соответствии с вариантом работы.

Теплотехника занимается изучением методов получения, преобразо- вания, передачи и использования энергии (теплоты) и связанных с эти- ми процессами аппаратов и устройств. Если оглянуться назад, то легко заметить возрастающее потребление энергии. Однако простое увеличение числа электрических и тепловых станций ограничено как наличием полезных ископаемых ― нефти, газа, каменного угля и др., так и экологическими проблемами. Поэтому в настоящее время считается более перспективным направлением раз- работка энергосберегающих технологий и повышения эффективности работы теплообменного оборудования. Для успешного решения поставленных задач необходимо знание ос- новных законов термодинамики и теплопередачи, которые позволяют не только грамотно рассчитывать оптимальные режимы работы тепло- обменного оборудования, но и осуществлять разработку нового. Итак, перейдем к изучению основных разделов технической термо- динамики, которая изучает закономерности взаимного превращения теплоты и работы и свойства тел, участвующих в этих превращениях.

Сегодня практически любая область инженерной деятельности во многом связана с проблемами энерго- сбережения, разработкой, внедрением и эксплуатацией ресурсосберегающих технологий, с вопросами трансформации и передачи энергии. Учебная дисциплина "Теоретические основы теплотехники" при- звана вооружить будущего специалиста знаниями общих законов и основанных на этом инженерных методик расчета процессов, возникающих при получении, трансформации и распространении в про- странстве тепловой энергии. Структурно сюда входят три отдельные науки: "Термодинамика", "Тепло- передача" и "Основы теории горения". Термодинамика изучает законы превращения различных видов энергии в тепло (и наоборот – тепла в другие виды энергии), а также особенности физических процессов, сопровождающих эти превраще- ния. Как самостоятельная наука термодинамика начала складываться в начале XIX века, хотя многие принципиальные ее положения были открыты и сформулированы еще ранее в рамках общефизической теории. Среди основоположников и ученых, внесших наибольший вклад в развитие термодинамики, мы встречаем известные имена: М. В. Ломоносова, который в работе "Размышления о причинах тепла и хо- лода" (1744 г.) предложил единую теорию теплоты и строения вещества, сформулировав законы сохра- нения массы и энергии, Д. Джоуля, В. Томсона, Р. Клаузиуса, С. Карно, Г. Гесса, Л. Больцмана, Н В. Гиббса, М. П. Вукаловича, А. А. Гухмана и др. Подробно об истории развития термодинамики и вклад отдельных ученых в эту науку можно прочитать в интересной книге [1]. За более чем стопятидесятилет- нюю историю своего развития эта наука приобрела методологически безупречные формы и строгую ак- сиоматику, так что сегодня ее заслуженно называют классической термодинамикой.

Термодинамика не имеет собственного предмета изучения, в отличие, например, от биологии, изу- чающей живые организмы, или геометрии, изучающей плоские фигуры. Это наука методологического плана, вооружающая нас специфическим методом исследования, основу которого составляет рассмотрение любых процессов материального мира сквозь призму установленных термодинамикой основных законов природы. Теплопередача, а точнее теория тепло- и массообмена – это наука, которая изучает процессы рас- пространения тепла (или массы, поскольку выявлена явная аналогия таких процессов) в пространстве. Процессы распространения тепла в пространстве, при всем их многообразии, и являются предметом изучения этой науки. Основные понятия и законы теории теплопереноса также были сформулированы в рамках общефизической теории на заре ее бурного развития. Например, основы аналитической теории теплопроводности были заложены Ж. Фурье еще в 1822 году. В середине XIX века были сформулиро- ваны основы теории подобия, а в 1915 году она впервые была применена В. Нуссельтом для исследова- ния процессов теплообмена. Несколько раньше О. Рейнольдс применил ее при изучении гидродинами- ческих процессов, высказав идею об аналогии между отдельными тепловыми и гидродинамическими явлениями. Как самостоятельная наука теплопередача сложилась в начале XX века, и особенно бурно она стала развиваться в послевоенные годы. Здесь решающий вклад был внесен нашими соотечественника- ми, среди которых выделяются работы академиков В. М. Кирпичева, М. А. Михеева, С. С. Кутателадзе, Г. Н. Кружилина и др. Отвечая на новые запросы, выдвигаемые современной практикой, наука эта продолжает бурно раз- виваться, все в большей мере осваивая новые области приложения (атомная энергетика, космическая тех- ника и др.), расширяя и уточняя свои подходы и методы решения возникающих проблем. И сегодня большой вклад в дальнейшее развитие этой науки вносят такие авторитетные ученые как академики А. И. Леонтьев, В. П. Скрипов, А. Г. Шашков и профессора Г. Н. Дульнев, Г. А. Дрейцер, С. П. Рудобаш- та и др., а также научная молодежь, посвящающая свои диссертационные работы решению отдельных актуальных теоретических и практических задач. В основах теории горения рассматривается механизм химической реакции горения, раскрытый Нобелевским лауреатом академиком Н. Н. Семеновым и его последователями, а также физические особенности процессов горения при различных условиях сжигания наиболее распространенных топлив. Здесь же дается методика технических расчетов горения. Отметим еще одну важную особенность всех этих трех наук: они ориентированы на конкретную инженерную практику и всегда доводят свои выводы и заключения до однозначных практических ре- комендаций и расчетных методик. Бурное развитие компьютерной техники и информационных технологий вооружает исследователей мощнейшим инструментарием, позволяющим сравнительно просто проводить численное моделирова- ние изучаемых явлений. Именно такой подход к решению многих вопросов теплопередачи становится сегодня одним из основных, поскольку при этом заметно сокращаются трудовые и финансовые затраты на решение поставленной задачи. Совершенно ясно, что без глубоких знаний по всем трем этим разделам нашей учебной дисциплины невозможна успешная инженерная деятельность, и поэтому изучению теоретических основ теплотехники придается все возрастающее значение, особенно для будущих специалистов, непосредственно связанных с теплоэнергетикой.

 

 

1. Правила выполнения и оформления контрольных работ

1. Каждая работа, должна быть выполнена в отдельной ученической тетради, на обложке которой нужно указать фамилию, инициалы, полный шифр зачетной книжки, номер контрольной работы, вариант, институт, ФИО преподавателя и студента.

2. Условия задач необходимо переписывать полностью. Каждую задачу начинать с новой страницы. Для замечаний преподавателя следует оставлять поля шири­ной 4-5 см. Контрольные работы выполняются чернилами синего цвета.

3. Необходимо отчётливо представлять себе главное содержание изучаемых явлений и процессов, при этом математическое описание явлений не должно заслонять их физической сущности. Большое внимание надо уделять разбору теоретических основ теплотехники (теоретической термодинамики, теории теплопередачи, теории горения топлива).

4. Контрольное задание должно выполняться студентом после изуче­ния всего курса дисциплины "Теплотехника». Студенту выдаётся индивидуальное задание, согласно которому он должен решить пять задач.

5. При выполнении контрольного задания необходимо соблюдать следующие требования:

а) обязательно записать условие задачи;

б) решение сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором должно быть указано, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу (из условия задачи, из справочника и т.д.);

в) вычисления давать в развёрнутом виде;

г) обязательно проставлять размерности всех заданных и расчётных величин в международной системе СИ;

д) графический материал должен быть выполнен чётко в масштабе на миллиметровой бумаге.

6. После решения должен быть произведён краткий анализ полученных результатов и сделаны соответствующие выводы.

7. Если при изучении разделов дисциплины у студентов возникают какие-либо вопросы, то они могут получить консультацию в письменной или устной форме. В конце работы дать перечень использованной литературы, указать дату окончания работы и подписать её.

 

 

СОДЕРЖАНИЯ РАЗДЕЛОВ И ТЕМ КУРСА ДИСЦИПЛИНЫ

Техническая термодинамика

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Теплота широко используется во всех областях хозяйственной деятельности человека и его нормального жизнеобеспечения. Разработка теоретических основ теплотехники необходима для установления наиболее рациональных способов использования тепловой энергии, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых.

Любому техническому специалисту - инженеру, технику, механику необходимы знания основ этой науки, поскольку в настоящее время идет процесс интенсивного и широкого внедрения сложнейших тепловых машин и установок разного назначения практически во всех сферах хозяйственной деятельности человека.

Невозможно представить жизнь современного общества без автомобилей, самолетов, сельскохозяйственной техники, тепловых электростанций и котельных установок и т. п. Все эти сложнейшие технические устройства используют в своей работе тепловые машины различной конструкции. Можно с уверенностью сказать, что научно-технический прогресс в ближайшем будущем позволит человеку использовать тепловую энергию все более эффективно.
Поэтому без знания теоретических основ теплотехники и термодинамики современному техническому специалисту не обойтись.

Различают два принципиально различных направления использования теплоты –энергетическое и технологическое.

При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в специальных установках (генераторах) создается электрическая энергия, наиболее удобная для передачи на значительное расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом использовании тепловой энергии она используется для направленного изменения механических, физических или химических свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры и т. п.).

Термодинамика - наука, изучающая энергию и законы ее превращения из одного вида в другой. Изучение основ термодинамики позволяет понимать принципы работы тепловых двигателей (паровых машин, двигателей внутреннего сгорания), тепловых насосов, холодильной техники, кондиционеров и других устройств.

Техническая термодинамика - раздел термодинамики, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии с помощью материальных тел, называемых рабочими телами.
Техническая термодинамика является основой теории тепловых двигателей и других промышленных установок, связанных с взаимопревращениями указанных видов энергии.

Как отмечалось выше, преобразование теплоты в механическую работу происходит с помощью рабочего тела. Наиболее эффективным с точки зрения технической термодинамики рабочим телом является то, которое обладает выраженными упругими свойствами, позволяющими телу в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механической силы (давления), термического воздействия (теплоты) или комбинированного термомеханического воздействия.

Наблюдая за агрегатным состоянием различных тел, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для применения в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им свойственны значительные (по сравнению с другими агрегатными состояниями тел) коэффициенты объемного расширения. Газы упруги - сжатый, т. е. деформированный объем газа стремится восстановить и даже увеличить свой первоначальный объем при снятии внешней нагрузки.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии, как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла ирабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используют ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят:абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объем v (или величина, обратная удельному объему, - плотность ρ).

Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называюттермодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Рассмотрим физический смысл каждого из параметров рабочего тела с точки зрения науки теплотехники.

Давление (р) в термодинамике определяется как сила, действующая по нормали на единицу площади поверхности тела.

Давление газа - результат воздействия молекул газа на стенки сосуда, в котором он заключен. Известно, что молекулы любого газа находятся в постоянном движении, перемещаясь спонтанно в произвольном направлении. В результате хаотического движения молекул газа они систематически ударяются о стенки сосуда, оказывая на них силовое воздействие. Суммарное действие всех ударяющихся молекул определяет давление газа на стенки сосуда.
Именно это свойство газов (оказывать давление на стенки сосуда) позволяет использовать его в качестве рабочего тела в термодинамических процессах.
Давление измеряется в Паскалях (Па). Один Паскаль равен силе величиной 1 ньютон, действующей на площадь размером 1 квадратный метр:

Па = Н/м2.

В теплотехнических установках шкалы приборов для измерения давления часто градуируют в единицах системы МКГСС, в которой за единицу давления принята техническая атмосфера, (ат или at):

1 ат = 1 кг/см2 ≈ 9,814 Н/м2 ≈ 0,0981 МПа.

При этом не следует путать единицы измерения техническая атмосфера (ат) с единицей измерения физическая атмосфера (атм или atm), характеризующей нормальное (физическое) атмосферное давлениеp0, которое принято выражать, также, в миллиметрах ртутного столба:

p0 = 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па ≈ 0,101325 МПа.

В соответствии с определением между этими единицами существует зависимость:

1 атм ≈ 101 325 Па ≈ 1,033233 ат.

В настоящее время международными и российскими органами стандартизации и метрологии приняты меры по исключению этих единиц измерения давления из применения.

В технической термодинамике различают абсолютное и избыточное давление.

Под абсолютным понимают действительное давление рабочего тела внутри сосуда.

Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей (внешней) среды.
Приборы, служащие для замера разности между абсолютным и избыточным давлением, называютманометрами.

Из приведенных выше определений следует, что для случая, когда давление в сосуде превышает давление окружающей среды,

рабс = ризб + рб,

где:

рабс - абсолютное давление в сосуде;

ризб - манометрическое или избыточное давление (измеренное прибором);

рб - давление окружающей среды (атмосферное или барометрическое давление).

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между ними называется разряжением, или вакуумом.
Для измерения разрежений служит вакуумметр - прибор, показывающий разность давления окружающей среды и абсолютного давления в сосуде.
В этом случае:

рабс = рб – ризб,

где: ризб – показание величины разрежения на шкале вакуумметра.

Под удельным объемом рабочего тела понимают объем, занимаемый массой в 1 кг этого тела.

Удельный объем обозначается буквой v и измеряется в кубических метрах на килограмм (м3/кг).

Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т.е. массу вещества, заключенную в объеме 1 м3. Плотность обозначается буквой ρ и измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м3). Из приведенных определений следует:

v = V/m; ρ = m/V,

поэтому произведение удельного объема на плотность будет равно единице:

vρ = 1,

здесь: V – объем рабочего тела, м3; m – масса рабочего тела, кг.

Абсолютная температура – это один из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела, мера степени нагретости тела. Величина этого параметра определяется средней кинетической энергией движения молекул газа.
Знак разности температур двух неодинаково нагретых тел определяет направлении передачи тепла.

Температуру измеряют либо по абсолютной(термодинамической) шкале в градусах Кельвина(К) и обозначают буквой Т, либо по Международной практической шкале в градусах Цельсия (˚С) и обозначают буквой t.

За ноль абсолютной температуры абсолютной по шкале Кельвина принята температура вещества, когда полностью отсутствует тепловое движение его молекул и атомов. По этой шкале температура может быть только положительной(либо равной нулю, хотя, доказано, что абсолютный ноль - температура недостижимая, также, как и скорость света).

Ноль температуры в международной практической шкале соответствует температуре плавления льда при нормальном давлении (760 мм рт. ст.). Эту температуру называют, также,тройной точкой воды, поскольку все три фазы воды (твердая, жидкая и газообразная) при такой температуре находятся в состоянии равновесия. Сотому делению этой шкалы соответствует температура кипения воды (100˚С) при нормальном давлении.

Цена деления шкалы Кельвина одинакова с ценой деления шкалы Цельсия, т. е. равна 1 градусу, а соотношение между абсолютной температурой Т и практической температурой t определяется формулой:

Т = t + 273,15.

В США, Канаде и некоторых других странах для измерения температуры применяется шкала Фаренгейта, в которой за ноль принята температура смеси равных частей льда и нашатыря. В этой шкале температура таяния льда равна 32˚ F, а температура кипения химически чистой воды равна 212˚ F.
Соотношение между значениями температуры, измеренной по шкалам Цельсия и Фаренгейта:

T(˚F) = 9/5t(˚ C) + 32.

Считается, что рабочее тело находится при нормальных физических условиях, если давление его равно

р0 = 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па ≈ 0,101325 МПа, а температура t0 = 0˚ C.

В технической термодинамике часто используют понятие киломоль (кмоль), который характеризует количество вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе μ. Например, киломоль кислорода О2, имеющего молекулярную массу μ = 32, равен 32 кг, киломоль углерода C (молекулярная масса μ = 12) равен 12 кг, киломоль углекислого газа СО2 (молекулярная масса μ = 44) равен 44 кг и т. д.
Единицей измерения киломоля является килограмм деленный на киломоль: кг/кмоль.

Предмет технической термодинамики и ее методы. Связь термодинамики с другими отраслями знаний. Основные задачи курса. Рабочее тело. Основные параметры состояния. Термодинамическая система. Равновесное и неравновесное состояния. Уравнение состояния. Теплота и работа как формы передачи энергии. Термодинамический процесс. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы).

Смеси идеальных газов. Способы задания состава смеси. Соотноше­ние между массовыми и объемными долями. Вычисления массовых и объемных долей. Вычисление параметров состояния смеси. Определе­ние кажущейся молекулярной массы и газовой постоянной смеси.

Теплоемкость. Массовая, объемная и молярная теплоемкости. Тепло­емкости при постоянных объёмах и давлениях. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Средняя и истинная теплоемкости. Формулы и таблицы для определения теплоемкостей. Теплоемкость смеси идеальных газов.

Первый закон термодинамики. Сущность закона. Формулировки закона. Аналитическое выражение закона для открытых и закрытых систем. Опре­деление работы и теплоты через термодинамические параметры состояния Р - V- диаграмма. Энтальпия.

Второй закон термодинамики. Основные формулировки закона. Анали­тическое выражение закона. Энтропия. ТS - диаграмма.

Общие понятия о термодинамическом процессе. Общие методы исследования процессов изменения состояния рабочих тел. Изображение процессов в координатах рv и Тs. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, как частные случаи политропного процесса.

Общее понятие о круговом процессе. Прямой и обратный циклы Карно, их анализ. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент.

Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Циклы с изохорным и изобарным подводами теплоты. Изображение циклов в р-v и Т-s диаграммах

Термодинамические и эксергетические КПД циклов. Сравнительный анализ циклов ДВС.

Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Циклы с изохорным и изобар­ным подводами теплоты. Регенеративные циклы ГТУ. Изображение циклов в р-v и Т-s диаграммах. Термодинамические и эксергетические КПД циклов. Сравнительный анализ циклов ГТУ.

Цикл идеального компрессора. Классификация компрессоров и прин­цип их действия. Индикаторная диаграмма. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Полная работа и мощность на привод компрессора. Многоступенчатое сжатие. Изображение термодинамических циклов в р-v и Т-s диаграммах.

Циклы холодильных установок. Классификация холодильных установок. Рабочие тела. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность. Цикл воздушной холодильной установки. Циклы паровой и компрессионной установок. Понятие об абсорбционных и пароэжекторных холодильных ус­тановках.

Тепловой насос. Принцип работы теплового насоса. Кондиционер.

Физическое состояние вещества. Процесс парообразования в р-v и Т-s координатах. Термодинамические таблицы воды и водяного пара. Расчет термодинамических процессов водяного пара с по­мощью таблиц и h-s диаграммы. Принципиальная схема паросиловой уста­новки. Цикл Ренкина. Влияние начальных и конечных параметров на терми­ческий КПД цикла Ренкина. Изображение цикла в Т-s и h-s диаграммах. Пути повышения экономичности паросиловых установок. Теплофикационный цикл.

Определение понятия «Влажный воздух». Основные величины, характеризующие состояния влажного воздуха. H-d диаграмма влажного воздуха. Расчет основных процессов (подогрев, сушка, смеси воздуха и различных паров).

 

Термодинамическая система.

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.

Параметры состояния.

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 (), температурой (Т), давлением (Р).

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.

= V / m, [м3/кг], (1.1) Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.

= m / V, [кг/м3], (1.2) = 1 /; = 1 /; • = 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 бар = 100000 Па

1 кг/см² (атмосфера) = 9.8·10⁴ Па

1мм рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133.33 Па

1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) = 9.8067 Па

Различают избыточное и абсолютное давление.

Избыточное давление (Ри)– 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 = Ри + Ро; (1.5) 2). При давлении сосуда меньше атмосферного:

Р = Ро + Рв; (1.6) где Ро – атмосферное давление;

Рв – 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.

1.4. Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Основные т/д параметры состояния Р,, Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаны между собой определенным математическим уравнением, который называется уравнением состояния:

f (Р,, Т) = 0. (1.7) Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, 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 процесс 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.).

Первый закон термодинамики.

3.1. 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.

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.