Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления	Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ Транспортные средства специального назначения» Стр 1 из 18Следующая ⇒ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине (модулю) «ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА» Специальность Транспортные средства специального назначения» Специализация Наземные транспортные средства и комплексы аэродромно-технического обеспечения полетов авиации Квалификация Инженер Москва 2018 г.   Настоящий конспект лекций по дисциплине (модулю) «Термодинамика и теплопередача» входит в состав методических материалов основной профессиональной образовательной программы по специальности 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения» (уровень специалитет) и предназначен для оказания помощи обучающимся в освоении дисциплины (модуля), а также при подготовке к прохождению процедур текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации. Разработчики: № п/п Ф.И.О., должность, ученая степень, учёное звание Подпись 1. к.т.н., доц., доцент Синявский В.В.     Лекция 1. Термодинамика Термодинамика – наука о взаимном превращении одного вида энергии в другой, происходящем в макросистемах. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения энергий, предаваемых в формах теплоты и работы. Термодинамическая система и рабочее тело. Термодинамическая система (ТС) – совокупность выделенных из окружающей среды (ОС) тел, взаимодействующих между собой и с ОС. ТС отделяется от ОС реальной или мнимой границей - контрольной поверхностью (рис.1.1). ТС может обмениваться с ОС массой М, энергией, передаваемой в форме теплоты Q и в форме работы L. ТС может быть: · изолированной (замкнутой) при dM=0; dQ=0; dL=0; · неизолированной при dM ¹0 или dQ ¹0; dL ¹0; · закрытой при dM=0; · открытой при dM ¹0;                                       Рис 1.1 · термически изолированной (адиабатной) при dQ=0; · термомеханической при dQ ¹0 и dL ¹0. Рабочее тело Работа L совершается рабочим телом (РТ) при его расширении и принимается положительной. При сжатии РТ работа затрачивается и принимается отрицательной. РТ должно обладать свойством значительного изменения объема под воздействием ОС. Таким свойством обладают газы и пары. Во многих случаях РТ можно рассматривать как идеальный газ, строго подчиняющийся газовым законам. Допущения для идеального газа: · пренебрежимо малый размер молекул по сравнению с межмолекулярным расстоянием, т.е. молекулы считаются материальными точками, имеющими массу и не имеющими объема; · отсутствие сил взаимодействия между молекулами, их взаимодействие ограничивается абсолютно упругим соударением. Величина	Единица измерения
Па(Н/м2)	бар	техн. атм.	физ. атм.	мм рт. ст.	мм вод. ст.
1 Па	1	10-5	1,02×10-5	0,987×10-5	7,5×10-3	0,102
1 бар	105	1	1,02	0,987	750	1,02×104
1техн. атм.	9,81×104	0,981	1	0,968	735,6	104
1физ. атм.	1,013×105	1,013	1,0332	1	760	1,033×104
1мм рт. ст.	133,32	133,3×10-5	1,36×10-3	1,31×10-3	1	13,6
1мм вод. ст.	9,81	9,81×10-5	10-4	0,968×10-4	7,356×10-2	1

Абсолютное давление:

· в атмосфере р_абс = р_бар; измеряется барометром B_t, мм рт. ст.; показания барометра приводятся к 0°С: B₀ = B_t(1- at),

где a – постоянная барометра, учитывающая тепловое расширение ртути и шкалы, a=0,000163-0,000173 ;

· в закрытом сосуде при давлении больше атмосферного

р_абс = р_бар+р_изб; избыточное давление измеряется манометром

р_изб = р_ман;

· в закрытом сосуде при давлении меньше атмосферного

р_абс = р_бар – р_разр; разрежение измеряется вакуумметром, р_разр=р_вак

Температура Т – параметр, характеризующий среднюю кинетическую энергию теплового движения частиц.

, где К_В – постоянная Больцмана, К_В » 1,38 ×10^-23 Дж/К.

Температурные шкалы: Кельвина (кельвин К); Цельсия (° С);

Фаренгейта (° F); Ренкина (° R).

Т К = t °С+273,15;             t °С = (t⁰ F-32);      T K=1,8 ⁰ R.

Удельный объем v, м³/кг – объем единицы массы вещества.

Плотность r, кг/м³ – масса единицы объема; ,

где М – масса, кг; V – объем, м³.

Уравнения состояния системы

Уравнения Клапейрона: для 1 кг pv=RT;                           (1.1)

                                    для М кг pV=RMT,                           (1.2)

где R – индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кг×К).

Уравнения Клапейрона –Менделеева:

                                            для 1 киломоля pv _m = R _mT;         (1.3)

                                            для N киломолей pV=R _mNT,          (1.4),

где R _m  – универсальная газовая постоянная,

R _m= К_ВN_А = 8314 Дж/(кмоль × К);

N_А»6,022 ×10²⁶ кмоль^-1 – число Авогадро.

Из закона Авогадро: .

С учетом этого    

где p_o=101325 Па; Т_o = 273,15 К – нормальные физические условия (НФУ);  - молярная масса.

Из (1.3) при нормальных условиях

R _m  Дж/(кмоль×К).

Физический смысл R и R _m - работа, совершаемая соответственно 1 кг и 1 киломолем газа при нагревании его на 1 К при p=const.

Уравнение связи R и R _m: ;                 (1.5)

.

1.3. Газовые смеси: понятие о газовой смеси; способы задания состава газовых смесей; закон Дальтона; закон Амага; закон сохранения массы и количества вещества; кажущаяся молекулярная масса и газовая постоянная смеси; определение параметров смеси и ее компонентов.

Закон Дальтона. Каждый компонент смеси ведет себя независимо от других, т.е. занимает весь объем, в котором заключена смесь, и оказывает на стенки сосуда свое, так называемое парциальное давление. Температура всех компонентов в равновесном состоянии одинакова и равна температуре смеси.

Давление смеси p_см равно сумме парциальных давлений p_i ее компонентов,

, где n – число компонентов смеси.              (1.6)

Объем, который занимал бы компонент смеси при температуре и давлении смеси, называется парциальным (приведенным) объемом.

Закон Амага: сумма парциальных объемов V_i компонентов равна объему смеси V_см.

.                                                                           (1.7)

По закону сохранения массы и количества вещества:

;                                                                          (1.8)

.                                                                           (1.9)

Термодинамические функции.

Первый закон термодинамики

Графическое представление термодинамического процесса и его анализ: применение v-p координат для графического анализа совершения или затраты работы в термодинамическом процессе; применение s - T координат для графического анализа подвода или отвода теплоты в термодинамическом процессе.

К функциям состояния относятся внутренняя энергия U, Дж; энтальпия Н, Дж; энтропия S, Дж/К. Изменение этих функций не зависит от пути процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями рабочего тела. В процессах на рис.2.1

;

;

.

В круговом процессе 1а2б1:

; ; .

Рис. 2.1

Внутренняя энергия

.

. Для 1 кг

Для идеального газа  и .

, Дж/кг;                                                             (2.1)

, Дж/кмоль;                                                 (2.2)

, Дж.                                   (2.3)

Здесь и далее в процессах с изменением температуры, в обозначении средних теплоемкостей, пределы изменения температуры для сокращения записи не приводятся.

Для смеси газов ;                                          (2.4)

.                                        (2.5)

Энтальпия

Энтальпия – сумма внутренней энергии и потенциальной энергии давления  или энергия, затрачиваемая на перевод газа из абсолютного вакуума в данное состояние при р=const,

Для 1 кг  .

Для идеального газа  и .

, Дж/кг;                                                              (2.6)

, Дж/кмоль;                                                   (2.7)

, Дж.                                   (2.8)

Для смеси газов                                             (2.9)

Энтропия

    Энтропия – функция, элементарное изменение которой равно

отношению элементарной подведенной (отведенной) теплоты к абсо-

лютной температуре: .

Для 1кг , где с – теплоемкость в данном процессе.

, Дж/(кг K);           (2.11)

,Дж/(кмоль К). (2.12)

В координатах sT (рис.2.2.) площадь под линией процесса (пл. 1^’122^’1^’) соответствует подведенной (отведенной) теплоте. Так как всегда , то:

при - подвод теплоты,

при  –отвод теплоты.

              Рис.2.2

 Функции процесса

Работа L, Дж; располагаемая работа L₀, Дж. Значения этих функций зависят как от начального и конечного состояний газа, так и от пути процесса.

Работа

, где Р, р – сила и давление газа; А – площадь поршня; dS – элементарное перемещение (рис. 2.3.).

 

Рис. 2.3

    Для 1 кг .                                         (2.13)

В координатах vp (рис.2.4)

~пл.1’1a22’1’;

~пл.1’1б22’1’; > .

Работа зависит от пути процесса (работа - функция процесса).

Рис.2.4

    Располагаемая работа

    Располагаемая работа – работа изменения давления, т.е. работа, которую может совершить рабочее тело при истечении в окружающую среду под действием разности давлений тела и среды, .

Для 1 кг ;

.                        (2.14)

В координатах vp (рис.2.5)

~пл.1’1a22’1’; ~пл.1’1б22’1’;

Рис.2.5                <  - располагаемая работа зависит от пути процесса (располагаемая работа - функция процесса).

1) . С учетом  получим

;                           (2.18)

2) . С учетом  получим

;                    (2.19)

3) . Дифференцируя выражение , получим    , отсюда

;

.          (2.20)

 

Первый закон термодинамики

Первый законтермодинамики - частный случай всеобщего закона сохранения энергии, который гласит: энергия не исчезает и не создается вновь, она может лишь переходить от одного тела к другому или превращаться из одного вида в другой в равных количествах.

В термомеханической системе теплота превращается в работу, а работа - в теплоту в равных количествах.

В замкнутой системе, состоящей из теплового аккумулятора с запасом энергии Q, рабочего тела с внутренней энергией U, механического аккумулятора с запасом энергии L,

dQ+ dU+ dL=0,

т.е. алгебраическая сумма изменения энергии элементов системы равна нулю.

Если dQ – теплота, подводимая к рабочему телу, то

dQ= dU+ dL.                                                                          (2.15)

Для 1 кг  (математическое выражение первого закона термодинамики, первая форма).

В конечных разностях: .    (2.16)

Формулировки первого закона термодинамики.

· Теплота, подводимая к рабочему телу, затрачивается на изменение его внутренней энергии и совершение им работы.

· Невозможно в каком-либо механизме периодически получать работу без подвода энергии извне.

· Вечный двигатель (perpetuum mobile) первого рода невозможен.

  Вечный двигатель первого рода – гипотетический двигатель, способный производить работу, не получая энергию извне.

Вторая форма математического выражения первого закона термодинамики:

;

;                                                            (2.17)

.                                                               (2.17а)

· Теплота, подведенная к рабочему телу, затрачивается на увеличение его энтальпии и располагаемой работы.

 

Термодинамические процессы

С идеальным газом

Уравнения процессов

Политропный процесс:

; с учетом

;

;

;

;

 - уравнение процесса;                                 (3.1)

 - показатель политропы;                                 (3.2)

 - теплоемкость политропного процесса.   (3.3)

Частные случаи политропного процесса: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный процессы (уравнения процессов, формулы соотношения между параметрами, изменение энергетических составляющих, перераспределение энергии в процессах).

 

Изохорный процесс:

уравнение процесса получается из уравнения политропного процесса  или  при n= ± ¥;

теплоемкость процесса .

Изобарный процесс:

уравнение процесса получается из уравнения  при n=0; теплоемкость процесса .

Изотермический процесс:

уравнение процесса  или  получается из уравнения  при n=1; теплоемкость процесса .

Адиабатный процесс:

уравнение процесса получается из уравнения первого закона термодинамики при dq=0:

уравнение процесса .

Процессы

ФУНКЦИИ

Теплота q, Дж/кг Энтропия D s, Дж/(кг К) Работа , Дж/кг Располагаемая работа , Дж/кг 1 2 3 4 5 Политропный ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; Изохорный q= D u= ; ;

 

Второй закон термодинамики

4.1. Понятие о термодинамическом цикле. Условия преобразования тепловой энергии в механическую работу. Прямой термодинамический цикл, его среднее давление и КПД. Обратный цикл, его холодильный и отопительный коэффициенты.

Второй закон термодинамики связан с необратимостью (односторонней направленностью) всех естественных процессов. По Больцману: природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным.

Наиболее вероятное состояние термодинамической системы – состояние внутреннего равновесия.

В технической термодинамике второй закон определяет условия превращения теплоты в работу.

Работа, как показывает опыт, превращается в теплоту непосредственно и полностью.

Теплота превращается в работу посредством рабочего тела (газ, пар) лишь частично и при определенных условиях.

Рассмотрим прямой и обратный обратимые изотермические процессы при наличии одного источника теплоты (рис.7.1):

12 – прямой процесс расширения с подводом теплоты q от источника с запасом энергии Q;  ~пл.1’122’1’;

21 – обратный процесс сжатия с отводом теплоты q в источник внешней энергии;

Рис.4.1               ~пл. 2’211’2’;

 

; .

Для получения избыточной работы процесс сжатия должен проходить при меньшей температуре, т.е. необходимо иметь, по крайней мере, два источника теплоты («горячий» и «холодный»).

Круговой процесс (цикл)

Цикл – совокупность процессов, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Прямой цикл – цикл, в котором теплота превращается в работу (линия расширения проходит выше линии сжатия).

Обратный цикл – цикл, в котором теплота от “холодного” источника передается “горячему” источнику при затрате работы (линия сжатия проходит выше линии расширения).

Прямой цикл

В прямом цикле (рис.4.2):

1а2 – процесс расширения с подводом теплоты q₁ от «горячего» источника;

 ~ пл.1’1а22’1’;

2б1 – процесс сжатия с отводом теплоты q₂ в «холодный» источник;  ~ пл. Рис. 4.2 2’2б11’2’;

                                        ; ~ пл. 1a2б1.

Термический к.п.д. цикла .              (4.1)

Среднее давление цикла  - условное постоянное давление, при котором совершается работа, равная работе за цикл при переменном давлении; по физическому смыслу - работа, приходящаяся на единицу рабочего объема, .                    (4.2)

В vp – координатах (рис.4.2) пл. 1’1”2”2’1’=пл. 1a2б1.

Обратный цикл

В обратном цикле (рис.4.3):

1a2 – процесс расширения с подводом теплоты q₂ от «холодного» источника; 2б1 – процесс сжатия с отводом теплоты q₁ в «горячий» источник; площадь 1a2б1 пропорциональна затрате работы (– ).

 

Рис.4.3

Обратный цикл в холодильных установках оценивается

холодильным коэффициентом ,                       (4.3)

в тепловых насосах –

отопительным коэффициентом      .            (4.4)

Второй закон термодинамики: приведенная теплота; интеграл Клаузиуса; изменение приведенной теплоты и энтропии в обратимых и необратимых процессах и циклах; изменение энтропии как мера необратимости и потери работоспособности рабочего тела; формулировки второго закона термодинамики.

· Невозможно превратить в работу энергию какого-либо тела, не производя никакого другого действия, кроме охлаждения этого тела (Томсон, он же Кельвин).

· Перпетуум мобиле (вечный двигатель) второго рода невозможен (Оствальд). Перпетуум мобиле второго рода – воображаемый тепловой двигатель, в котором возможно стопроцентное превращение подведенной теплоты в работу.

· Теплота не может переходить от холодного к теплому телу сама собой, даровым процессом (Клаузиус).

 

Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры: работа одноступенчатого компрессора; параметры сжатия газа; затраты энергии на привод компрессора; многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением газа; работа реального компрессора.

Процессы, протекающие в поршневом компрессоре, представлены на рис. 5.1.

 

 

На vp – диаграмме

а1 – процесс заполне-ния цилиндра рабочим телом

(p,T,r = сonst; M=var).

 

 

Рис. 5.1

Кривые 12,12^’,12^’’ – соответственно политропный, изотермический, адиабатный процессы сжатия (см. также диаграмму sT);

в реальных компрессорах n=1,2-1,25;

2б– вытеснение сжатого газа из цилиндра (p,T,r = const; M=var).

Работа на привод компрессора

;

~ пл. а12ба.

Для 1 кг .

При изотермическом процессе сжатия

,                  (5.1)

где l - степень повышения давления, .

При политропном процессе сжатия

. (5.2)

;                 (5.3)

Из sT – диаграммы

;                                                                      (5.4)

;

.                                                  (5.5)

При адиабатном процессе сжатия

;                                                        (5.6)

.

    Многоступенчатый идеальный компрессор

Применяется при р₂>0,8 МПа. Процессы в двухступенчатом компрессоре показаны на рис.5.2.

Рис. 5.2

Процессы

а1 – заполнение первой ступени рабочим телом;

12 – политропное сжатие в первой ступени;

2b – вытеснение сжатого газа из первой ступени;

bа ^' (соответствует процессу 2с) – изобарное охлаждение газа

в охладителе до Т₁;

а ^' с – заполнение второй ступени;

с3 – политропное сжатие во второй ступени;

3d – вытеснение сжатого газа из второй ступени;

12 ^' – политропное сжатие в одноступенчатом компрессоре.

В vP – координатах:                                    В sT – координатах:

Пл. а12с3dа ~ .                     Пл. 1₀122₀1₀ ~ .

Пл. а122^’dа ~  при одноступенчатом            Пл. 2₀2сс₀2₀ ~ .

сжатии.

Пл. c22^’3c ~  - уменьшение .          Пл. с₀с33₀с₀ ~ .

При 2- ступенчатом сжатии Т₃ < Т_2’.

Обычно  и ;  и ,

где i – номер ступени; m – количество ступеней.

Для двухступенчатого компрессора ;

при  и получим  и .          (5.7)

Для m – ступенчатого компрессора .                       (5.8)

При одинаковой Т на входе в ступени ,

где  - давление в начале сжатия в i - й ступени, .

Рабочий объем i - й ступени .                             (5.9)

Реальный компрессор

В отличие от идеального реальный компрессор имеет вредный объем, давление при наполнении и нагнетании не остается постоянным. Цикл реального компрессора показан на рис. 5.3:

 

НМТ – нижняя мертвая точка;

ВМТ – верхняя мертвая точка;

V_h – рабочий объем;

V_вр– вредный объем; =(0,04-0,10) ;

а – относительный вредный объем;

;                            (5.10)

 - объемный к.п.д;

.               (5.11)

Рис.5.3

В vp – координатах:

12 – политропное сжатие газа; n = 1,2…1,25 (при воздушном охлаждении до 1,35);

23 – вытеснение газа из цилиндра;

34 – расширение газа, оставшегося во вредном объеме;

41 – наполнение цилиндра новым зарядом.

При одинаковых показателях политропы n процессов сжатия и расширения . С учетом этого после преобразования выражения (5.11) получим .                                     (5.12)

Цикловая подача газа, кг/цикл:

.                    (5.13)

Производительность компрессора:

· объемная, м³/ч: ,                            (5.14)

где i – число цилиндров; n – частота вращения вала, мин^-1; V_h в дм³;

· массовая, кг/ч:  М_ц.                                             (5.15)

Реальные газы. Водяные пары

Водяной пар: понятие о водяном паре; процессы производства водяного пара; функции состояния жидкости и пара, их графическое описание в s-T и s-h координатах, термодинамические процессы с водяным паром.

На vp-диаграмме (рис.4.3):

точка а – жидкость при 0 ° C;

ab – процесс нагревания жидкости при p=const до температуры кипения (сопровождается испарением – парообразованием с поверхности); точка b – начало кипения; bc – изобарно-изотермический процесс па-рообразования с потреблением теплоты при кипении (паро- Рис. 8.3                            образование во всем объеме). В каждой точке динамическое равновесие – парообразование компенсируется конденсацией (конденсация – процесс превращения пара в жидкость с выделением теплоты). Состояние пара – влажный насыщенный пар (ВНП) при давлении насыщения p _s и температуре насыщения T_s.

ВНП – механическая смесь образовавшегося сухого насыщенного пара (СНП) с жидкой фазой. x – степень сухости – отношение массы СНП к массе ВНП; 0   x 1 (x=0 – начало кипения, x=1 – только СНП);

(1-x) – степень влажности – отношение массы жидкой фазы к массе ВНП;

r, Дж/кг - скрытая теплота парообразования – количество теплоты, необходимое для полного превращения 1 кг кипящей жидкости в СНП. , где r - внутренняя теплота парообразования (изменение внутренней потенциальной энергии); y - внешняя теплота парообразования (работа расширения ВНП), y ~ пл. b_obcc_ob_o (см. рис 8.3);

точка c – СНП; cd – изобарный перегрев пара (степень перегрева–

разность температур перегретого пара (ПП) и СНП при p=const), т.е.

(); cd ¢ - изотермический перегрев пара (степень перегрева ().

Обозначения параметров и функций жидкости и пара:

жидкость при 0°C: , , , .

жидкость в начале кипения: , , , .

                                  ВНП: , , , .

                                  СНП: , , , .

                                  ПП: , , , .

При увеличении  возрастают  и незначительно  и уменьшаются  и .

Линия T_o=const – жидкость при 0°C.

Линия x=0 –нижняя пограничная кривая (НПК), соответствует состоянию жидкости в начале кипения.

Линия x=1 – верхняя пограничная кривая (ВПК) – СНП.

На пересечении линий T_o=const и x=0 (НПК) находится тройная точка (А) воды, обозначающая трехфазное состояние (твердое – лед, жидкое, парообразное).

Параметры точки А: p=610 Па; t=0°C; v=0,001м³/кг.

На пересечении линий НПК и ВПК находится точка k – критическая точка, в которой исчезает различие между жидкой и газовой фазами. В точке k теплота парообразования r =0.

Параметры в точке k: p_к=22,06 МПа; T_k=374,1 °C; v_к=0,00306 м³/кг.

ST - и sh - диаграммы