Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»


НазваниеУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
страница2/14
Дата публикации29.03.2013
Размер1.72 Mb.
ТипУчебно-методический комплекс
userdocs.ru > Математика > Учебно-методический комплекс
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14
Раздел теплотехники изучающий, процессы распространения тепла в различных телах, называется теорией теплообмена или теплопередачей.

Техническая термодинамика и теплопередача представляют собой теоретические основы теплотехники.

^ Теплосиловые установки представляют собой сложные технические агрегаты и комплексы агрегатов, предназначенные для превращения химической энергии топлива, атомной энергии в другую энергию: механическую, электрическую и тепловую. Теплосиловые установки вырабатывают электрическую, механическую или тепловую энергию. К ТСУ относятся: тепловые двигатели – ГТУ, ДВС, ПТУ.

Первостепенной задачей современной теплотехники является изучение тепловых процессов протекающих в теплоэнергетических установках и тепловых аппаратах, совершенствование тепловых машин и повышение их коэффициентов полезного действия путем нахождения оптимальных рабочих циклов, наиболее рациональных тепловых схем и наивыгоднейших параметров состояния рабочих тел.

^ 2.Основные понятия и определения технической термодинамики.
Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями, т.е – наука о превращениях различных видов энергии из одного вида в другой.

^ Техническая термодинамика – раздел термодинамики занимающийся приложениями законов термодинамики в теплотехнике. Техническая термодинамика устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает термодинамические процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.

^ Метод термодинамики представляет собой строгое математическое развитие законов термодинамики.

В настоящее время в термодинамике используются два метода исследования: метод круговых процессов и метод термодинамических функций и геометрических построений.

Главной задачей технической термодинамики является отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты и работы.

В основу термодинамики положены два основных закона (начала) или принципов, установленных экспериментальным путем. ^ Первый закон (или первое начало) термодинамики является частным случаем (принципом) закона сохранения и превращения энергии. Второй закон (второе начало) термодинамики характеризует направление протекания тепловых или термодинамических процессов, т.е. характеризует направления течения реальных процессов.

В начале XIX века два закона термодинамики были дополнены еще одним опытным положением, получившим название третьего начала термодинамики или тепловой теоремы Нернста. Он характеризует принцип недостижимости абсолютного нуля абсолютной температуры, т.е. утверждает свойства вещества около нуля абсолютной температуры.

^ Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и механической в теплоту, дает возможность разработать и создать теорию тепловых двигателей или машин, исследовать рабочие процессы, протекающие в них, и позволяет оценить экономичность и эффективность для каждого типа машин отдельно.

Процесс преобразования теплоты в работу осуществляется в тепловых установках при помощи рабочего тела.

Вещество, многократно совершающее в тепловом двигателе или теплотехнической установке замкнутый процесс (цикл), в результате чего совершается полезная работ, называют рабочим телом

( продукта сгорания топлива, воздухи, пары и д.р.).

^ Параметры состояния – физические величины, однозначно характеризующие состояние термодинамической системы и не зависящие от предыстории системы. К основным параметрам состояния относятся давление, температура, удельный объем v или плотность . Совокупность этих трех параметров характеризует тепловое состояние тела, по этому их называют термодинамическими параметрами состояния.

^ Уравнение состояния – уравнение, выражающее связь между параметрами равновесного состояния термодинамической системы. Для идеального газа уравнение состояния (для 1кг газа) имеет вид (уравнение Клапейрона).
Pv = RT (1.1)
Или для произвольного количества m кг, однородного газа

PV=mRT ( 1.2)
где R- газовая постоянная, характеризующая работу 1 кг идеального газа при постоянном давлении и изменении температуры на 1 К.

Если молярная масса газ, то умножив на  обе части уравнения (1.1), получим универсальное уравнение Клапейрона – Менделеева
PvR ( 1.3)

где v = v ∙  молярный объем рабочего тела, м3 /моль, при нормальных физических условиях v м3 /моль; RR ∙  - универсальная газовая постоянная, R8314 Дж\ (моль. К).

Система называется равновесной, если ее состояние не меняется во времени. Как правило, равновесное состояние характеризуется одним значением температуры, давления и.др.

^ Неравновесное состояние (реальное состояние тела), протекающее под влиянием внешних условий с конечными скоростями и в рабочем теле не успевает устанавливаться равновесное состояние.

^ Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами, составляющими внешнюю среду, в виде обмена энергии или веществом. Она включает источники тепла и рабочее тело и характеризуется параметрами состояния.

Совокупность изменения термодинамической системе при переходе из одного равновесного состояния в другое, т.е. совокупность изменений состояния термодинамической системы во времени в результате взаимодействия с окружающей средой называют термодинамическим процессом.

^ Равновесный процесс – процесс перехода термодинамический систем из одного равновесного состояния в другое, столь медленный, что все промежуточные состояния можно рассматривать как равновесные.

^ Неравновесный процесс – процесс, включающий неравновесные состояния.

Обратимым процессом называется такой процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем ( при изменении внешних условий в противоположной последовательности) система проходит все равновесные состояния прямого процесса, но в обратном порядке. Поэтому любой равновесный термодинамический процесс изменения состояния рабочего тела всегда будет обратимым термодинамическим процессом

^ Необратимый процесс – процесс ( реальный процесс), который может самопроизвольно протекать только в одном направлении, т.е. при проведении который в прямом и обратном направлениях система не возвращается в исходное состояние без потери другими словами процесс проходит неравновесные состояния.

Энергия является мерой движения материи , движения материи появляются в разных формах. В процессе передача энергии от одного тела к другому осуществляется двумя способами. Первый способ – передачей энергии в форме теплоты, а второй способ – в форме работой.

Передача энергии в результате обмена хаотическим, ненаправленным движением микрочастиц называется теплообменном, а количество передаваемой при этом энергии – количеством теплоты, теплотой процесса или теплотой

Передача энергии в результате микроскопического упорядоченного движения микрочастиц называется работой.

Обозначается количество теплоты через Q, а удельное (отнесенное к 1кг.) – через q (Дж\ кг.).

Подведенная удельная теплота(q1) считается положительной, а отведенная (q2) отрицательной.

Затраченная телом (l расш) работа считается положительной, а совершенной над телом (l сж) работа – отрицательной. Количество энергии, переданное в форме работы, обозначают через L, а удельное – через l.

Таким образом теплота и работа - форма преобразования энергии.

В термодинамическом процессе особое значение представляют так называемые замкнутые или круговые процессы, при которых система, проходя через последовательных состояний, возвращается к начальному состоянию.

^ Термодинамический цикл - круговой процесс, осуществляемый термодинамической системой. Термодинамический цикл, как и термодинамический процесс, может быть обратимым и необратимым.

^ Удельная теплоемкость (или просто теплоемкость) – это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице количества вещества в заданном процессе, чтобы изменить его температуру не 1 градус. Так как в качестве единицы количества вещества можно принять 1 кг., 1 моль или 1м3, различают массовую С, Дж\(кг. К), мольную С , Дж\(моль К) или объемную С1, Дж\( м3.К) теплоемкость. На рис. 1.1 показана зависимость истинной теплоемкости от температуры.

Зависимость между удельными теплоемкостями устанавливаются соотношениями:

С =С \ ;

С1 = С * н, (1.4)

гдеH - плотность газа при нормальных условиях.

^ Средней теплоемкостью называется отношение количество теплоты, подведенного к рабочему телу к изменению его температуры в интервале от t1 до t2 при определенным термодинамическом процессе.

t2

СХ = q1- 2x / (t2 – t1) (1.5)

t1

Значение теплоемкости соответствующее определенной температуру рабочего тела, при определенном термодинамическом процессе, называется истинной теплоемкостью.

CX (ист) = dqx / dt = lim ∆qx / ∆t , (1.6)

t 0

где через х обозначен тот параметр, который сохраняется постоянным в данном процессе, т.е. X=P, X=V, X=T, X=q , X=n.

Теплоемкость идеального газа зависит от характера процесса, подвода

( или отвода) теплоты, от атомности газа, температуры, вида вещества (теплоемкость реальных газов зависит так же от давления).

Массовая теплоемкость в процессе при постоянном давлении обозначается СР и называется изобарной, а в процессе при постоянном объеме CV - изохорной. Соответствующие индексы присваиваются также молярной и объемной теплоемкостям. Связь между теплоемкостями СР и CV дается уравнением Майера ( 1814 – 1878)

СР-CV =R. (1.7)
Из (1.6) следует, что

qx=cxdt (1.8)

тогда из (1.5)
t2 t2

СХ = ∫ СХ dt /(t2-t1) . (1.9)

t1 t1

Рис. 1.1

Основная литература: 1 [§§ 1.1-1.5, стр. 4-11] , 2 [§ 1.1, стр. 6- 14].

Дополнительная литература: 14 [§§ 1.1-1.9, §§ 2.1-2.3, стр. 5-26].
Контрольные вопросы:

  1. Каково значение теплоэнергетики в народном хозяйстве, металлургической, горной, нефтяной и газовой промышленности нашей страны?

  2. Что понимается под термодинамической системой?

  3. Что называется термодинамическим процессом?

  4. Какие состояния и процессы называются равновесными и какие неравновесными?

  5. Какие процессы называются обратимым и какие необратимыми?

  6. Что называется уравнением состояния?

  7. Какие параметры определяют тепловое состояние тела и в каких единицах они измеряются?

  8. Дать определение универсальной газовой постоянной и в каких единицах выражается?

  9. Какие термодинамические параметры относятся к основным?

^ ЛЕКЦИЯ №2 Первый закон термодинамики.
Конспект лекции.

1.Уравнение 1-го закона термодинамики
Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего

закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлением или процессам, протекающим в термодинамических системах.

Этот закон гласит, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Этот закон устанавливает, что тепло может превращаться в работу, а работа в тепло.

В технической термодинамике чаще всего рассматривается обмен энергии в форме теплоты q и механической работы l. Тогда в соответствии с первым законом термодинамики, на основании закона сохранения энергии.

dq=du+dl=du+pdv (2.1)



V2

или q = ∆U+l = (u2 – u1) + ∫ pdv (2.2)

V1

Из (2.1) и (2.2.), подведенная к рабочему телу энергия в форме теплоты расходуется на изменение внутренней энергии тела ∆U(du)и на совершение телом внешней работы pdv (dl).

Изменение внутренней энергии газа ∆U не зависит от характера или пути процесса, а определяется только начальным и конечным его состояниями, т.е. зависит от начальных и конечных параметров состояния рабочего тела, т.е.

∆U = U2- U1=f2(P2,V2,T2,)- f1(P1 ,V1, T1). (2.3)
Изменение внутри энергии рабочего тела для всех термодинамических процессов определяется по общей формуле

du = CVdt или ∆U = CV(T2-T1) (2.4)

Элементарная работа, совершаемая системой в равновесном изменения состояния тела при бесконечном малом изменении ее объема, (рис. 1.2.) можно определить по формуле
dl=PdV (2.5)
Тогда полная работа, совершаемая системой при конечном изменении ее объема в произвольном равновесном процессе, определяется кривой 1-2 и равна

v2

l = ∫ pdV = пл.1234 ( 2.5')

v1



Если V2 > V1 - газ расширяется, тогда – dV>0, работа газа величина положительная lрасш>0.





Рис. 1.2

Если V2 < V1 – газ сжимается, тогда dV < 0, работа газа величина lсж< 0 отрицательная.

Физический смысл положительной и отрицательной работы состоит в том, что при расширении газ совершает работу против внешних сил, а при сжатии внешние силы совершают работу над газом.

Теплота и работа – функции процесса, их элементарные количества dq и dl не являются полным дифференциалами, а внутренняя энергия является функцией состояния, поэтому dU – полный дифференциал.
2. Энтальпия

Энтальпия –как новую функцию состояния рабочего тела ввел в практику тепловых расчетов аппаратов в прошлом столетии известный физик Гиббс и затем Каммерлинг – Оннес.

В термодинамике важную роль играет сумма внутренней энергии системы U и произведения давления системы p на ее объем, называемая энтальпией и обозначается Н:

H = U+PV ( 2.6)
Удельная энтальпия, т.е. энтальпия, отнесенная к 1 кг, обозначается буквой h = Н/m и измеряется в Дж/кг и определяется выражением

h = U+P v (2.7)
Поскольку входящие в энтальпию величины U,P,V являются параметрами (функциями) состояния, то и сама энтальпия является параметром (функцией) состояния.

Таким образом, энтальпия – есть некоторая функция состояния и представляет собой термодинамическую функцию, имеющую смысл полной (внутренней U и внешней PV) энергии системы и характеризует о «содержание» тепла в теле.

Первый закон термодинамики через энтальпию можно выразить следующим образом
dq = dU+PdV=dU+d(PV)-VdP = d(U+PV)=dh-VdP, (2.8)
p2

или q1-2=h2-h1-∫vdp (2.9)

p1

где

dl тех = - vdp (2.10)
p 2 p1

или lтех= - ∫ vdp= ∫ vdp (2.11)

p1 p2
где l тех – удельная техническая работа тела при изменении его давлении.

Полученная зависимость наглядно изображена в p,v – диаграмме на рис. 1.3 –работа изменения объема l расш. и техническая работа l тех.


Рис. 1.3
Техническая работа lтех совершается при изменении давлений газов или при изменении кинетической энергии потока.

Если давление в аппарате понижается ( как ,например, в турбине), то dP< 0 , следовательно -
p2

∫ vdp >0 ,

p1
т.е . техническая работа положительна lтех >0. Это означает, что работа совершается потоком над внешним объектом. Если, наоборот, давление в аппарате повышается. ( как, например в компрессоре), что dP>0., следовательно-

p2

∫ vdp < 0 ,

p1



т.е. техническая работа отрицательна. Это означает, что работа совершается внешним двигателем над потоком.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Похожие:

Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconПрограмма курса (syllabus) по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
Алиным Ж. К. на основании типовой программы по «Термодинамика и теплотехника» для высших профессиональных образований (бакалавриатов)...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Основы...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы экологического нормирования и экспертиза» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины по дисциплине «Теория государства и права»
Учебно-методический комплекс дисциплины разработан на основании государственного образовательного стандарта и типовой учебной программы...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины правоведение (право) По направлению
Учебно-методический комплекс рекомендован к изданию кафедрой Теории и истории государства и права
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины физическая культура для всех специальностей
Физическое воспитание. Учебно-методический комплекс. – Спб.: Спбауэ, 2007. – 84 с
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины физическая культура для всех специальностей
Физическое воспитание. Учебно-методический комплекс. – Спб.: Спбауэ, 2007. – 84 с
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины «Всеобщая история: новейшая...
Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины речевая коммуникация...
Учебно-методический комплекс одобрен методической комиссией факультета социального управления
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины «Имиджелогия» По...
Учебно-методический комплекс рекомендован к изданию кафедрой менеджмента. Протокол от 12 марта 2007 г. №8
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины детская нейропсихология специальность...
Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница