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


НазваниеУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
страница3/14
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

^ Техническая работа lтех , входящая в уравнение (2.8) – это полезная работа какого – либо агрегата( например, турбины, компрессора, насосы и вентилятора), помещенного в поток жидкости или газа. Если такой (или подобный ему) агрегат отсутствует, lтех =0
Основная литература : 1 [§§ 2.1-2.6, стр.11-18 ]; 2[§ 1.2, стр. 14-20 ]. Дополнительная литература: 14 [§§ 5.1-5.6, стр.45-62]; 20[§§ 2.1-2.7, стр. 16-25 ]

Контрольные вопросы:

  1. Когда теплота и работа считаются положительными и когда отрицательными?

  2. Что называется круговым процессом (циклом)?

  3. Напишите математические выражения первого закона термодинамики в дифференциальной и конечной форме, приведите его формулировку.

  4. Что такое «функция состояния» и «функция процесса»?

  5. Что такое теплота, работа и внутренняя энергия?

  6. Почему первый закон термодинамики является законом сохранения и превращения энергии?

  7. Дайте определение удельной теплоемкости.

  8. Что такое энтальпия?

  9. Чему равно изменения внутренней энергии и энтальпии в круговом процессе?


^ ЛЕКЦИЯ №3 Второй закон термодинамики
Конспект лекции

1. Прямой и обратный циклы

Если первый закон термодинамики дает количественное соотношение между теплотой Q и механической работой L (что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения), то второй закон термодинамики характеризует направление протекания тепловых и термодинамических процессов и устанавливает условия, при которых возможно превращения теплоты в работу. Существует несколько формулировок второго закона термодинамики, которые были высказаны различными учеными (Ломоносовым, Карно, Клаузиусом, Томсоном и др.)

^ В 1824 г. Карно так изложил сущность второго закона термодинамики: «Для превращения тепла в работу необходимо иметь два источника тепла разной температуре».

^ В 1850г. Калаузиус дал такую формулировку второго закона: « Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела, к более нагретому без компенсации», согласно которой все ее естественные процессы, протекающие в природе, являются самопроизвольными и не могут сами собой без компенсации протекать обратном направлении.

В наиболее общем виде второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: «Любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым». Одним из важнейших следствий второго закона термодинамики является вывод о невозможности построит тепловой двигатель, который обладал бы термический к.п.д., равным единице. Иными словами, невозможен так называемый вечный двигатель второго рода, который бы, действуя непрерывно, превращал теплоту полностью в механическую работу.

С помощью второго закона ТД можно определять степень совершенства процесса перехода тепла в работу в тепловых машинах.

Цикл, в результате которого получается положительная работа называется прямым циклом или циклом теплового двигателя, т.е. l расш > l сж ( рис. 1.4). При этом кривая 2-б-1 располагается под линией расширения 1-а -2 и работа за цикл lц будет положительная lц = l расш- l сж >0 .


Рис 1.4

Цикл, в результате которого расходуется работа, называется обратным или циклом холодильных машин, т.е. l сж> l расш. ( рис.1.5.) При этом работа газа за цикл будет отрицательной, если линия сжатия 2-а-1 расположена выше линии расширения 1-б-2.

Рис. 1.5
Термодинамические циклы бывают прямые и обратные. По прямому циклу работают тепловые двигатели, а по обратному циклу – холодильные машины. Тепловые двигатели осуществляют процесс превращения тепла в работу: тепло подводится от внешнего источника высших температур (Т1, q1) и частично отводится к источнику низших температур(Т2, q2) . Полученная работа в тепловом двигателе по закону сохранения энергии lц>0, чтобы выяснить ее сущность, обратимся к принципиальной схеме теплового двигателя (рис.1.6 - Термодинамическая схема теплового двигателя)


Рис. 1.6
Практически в существующих тепловых двигателях горячими источниками служат химические реакции сжигания топлива или внутриядерные реакции, а в качестве холодного источника используется окружающая среда – атмосфера.

2. Термический КПД

Характеристикой эффективности прямых циклов является термический коэффициент полезного действия. Отношение количество теплоты, превращенной в положительную (полезную) работу за один цикл lц , ко всей теплоте , подведенной рабочему телу q1 – называется термическим коэффициентом полезного действия t прямого цикла

t =q1-q2 /q1= lц / q1 (3.1)
^ Холодильные машины осуществляют процессы переноса тепла от источника низких температур (T2, q2), к источнику высших температур (T1, q1), причем для осуществления этого процесса затрачивается работа, подводимая к холодильной машине извне. При этом затраченная работа за один цикл в холодильной машине lц< 0. (рис. 1.7- Термодинамическая схема холодильной машины.)

Рис.1.7.
В обратных циклах работа lц превращается в тепло q1. Степень совершенства обратного цикла определяется так называемым холодильным коэффициентом цикла - 
q1/ lц = q2/q1- q2 (3.2.)
Основная литература: 1. [§§3.1-3.2, стр. 19-22] ; 2 [ § 1.2, стр. 27-32]; 4[§4.1, стр.39-43].

Дополнительная литература: 14 [§§ 8.1-8.3, стр. 96-100].
Контрольные вопросы:

  1. В чем сущность второго закона термодинамики?

  2. Какой цикл называется прямым и какой – обратным?

  3. Основные формулировки второго закона термодинамики.

  4. Для чего служат тепловые машины, работающие по прямому и обратному циклам?

  5. Что называется термическим К.П.Д.?

  6. При каких условиях термический К.П.Д. цикла теплового двигателя может быть равен единице?

  7. Чем оценивается эффектность прямого и обратного циклов?


^ ЛЕКЦИЯ №4 Второй закон термодинамики (продолжение)

Конспект лекции

1. Цикл Карно

Термодинамический цикл, обладающий максимально возможным термическим К.П.Д. в заданном интервале температур Т1 и Т2, был предложен французским ученым Сади Карно в 1824г.

Цикл Карно (рис. 1.8, а) состоит из двух изоттерм1-2 и 3-4 и двух адиабат 2-3 и 4-1. На пути 1-2 от теплоотдатчика постоянной температуры Т1 подводится количество теплоты (q1 ) на пути 3-4 теплота (q2)отводится в теплообменник постоянной температуры Т2. Цикл Карно протекает не только в прямом но и в обратном направлении. (рис. 1.8,б). Для осуществления обратного цикла Карно иметь всегда два источника теплоты разной температуры – теплоотдатчик (q2 ) и теплоприемник (q1 ).



Рис. 1.8 Цикл Карно : а- прямой; б- обратный.
Термический к.п.д. прямого цикла Карно t = 1 –Т21, а холодильный коэффициент обратного цикла Карно  Т2 / Т12= q2 / q1-q2 .

Прямой цикл Карно служит эталоном при оценке совершенства любых циклов тепловых двигателей.

Термодинамический К.П.Д. прямого и холодильный коэффициент обратного циклов Карно не зависят от свойства вещества, а зависит только от абсолютных температур теплоотдатчика и теплоприемника. Это является содержанием теории Карно.

Обратный цикл Карно используется в качестве эталона, , с помощью которого определяется относительная эффективность обратных циклов, находящих практическое применение в холодильной и отопительной технике.

Таким образом, цикл Карно – обратимый круговой процесс, в котором совершается наиболее полное превращение теплоты в работу ( или работы в теплоту).
2. Выражение второго закона термодинамики и энропия.
Из выражения термического К.П.Д., получаем
= dq /T ≤ 0. (4.1)
где знак равенства относится к обратимым, а знак неравенства к необратимым циклам. Знак обозначает интегрирование по замкнутому контру.

Уравнение (4.1), выведенное Клаузиусом в 1854г., представляет собой математическое выражение второго закона термодинамики для произвольного обратимого (знак неравенство) и необратимого (знак равенства) циклов и соответственно называются первым и вторым интегралом Клаузиуса.

Из выражения (4.1) следует, что алгебраическая сумма приведенной теплоты dq/T для любого обратимого цикла (знак =) равна нулю, а для необратимого цикла Карно меньше нуля (знак<) и является величиной отрицательной.

Выражение dq/T при равновесном изменении состояния газа есть полный дифференциал некоторой функции состояния, которая зависит только от данного состояния тела. Эта функция обозначается для 1кг газа через S и измеряется в Дж/( кг.К) и называется энтропией ( термин энтропии был введен Р. Клаузиусом в 1865г.)

Тогда из (4.1) получим:
dS ≥ dq /T (4.2)
где знак «=» относится к обратимым процессам, а знак «>» к необратимым процессам.

Уравнение (4.2) также называется аналитическим выражением второго закона термодинамики через энтропию.

Энтропия – некоторая функция состояния , значение которой однозначно определяется состоянием тела и изменение зависит от начального и конечного состояния тела. Она отражает взаимосвязь между теплотой как формой приращения термической (тепловой) энергии тела dq и абсолютной температурой Т. Принцип существования и возрастания энтропии - это есть физический смысл второго закона термодинамики.

Рассмотрим имение энтропии при обратимых и необратимых процессах:

а) Рассмотрим изменение энтропии при обратимых процессах в изолированной (адиабатной) системе (dq = 0) .

Тогда для адиабатной системы уравнение (4.2) для обратимых процессов принимает вид
dq=ТdS=0 (4.3)
или dS =0 или S= const

Таким образом, в изолированном адиабатном обратимом процессе энтропия не изменяется.

б) Рассмотрим изменение энтропии при необратимых процессах. При этом уравнение (4.2) для обратимых процессов принимает вид

dS >0 или S2- S1>0 (4.4)

т.е. происходит увеличение энтропии.

Таким образом, при обратимомом процессе, энтропия изолированных систем остается постоянной, и будет возрастать при необратимых процессах.

Поскольку все действительные процессы являются необратимыми, поэтому энтропия изолированной системы всегда увеличивается, т.е. необратимые (действительные) процессы протекают всегда с увеличением энтропии.

Таким образом, принцип возрастания энтропии изолированной системы (dq=0) представляет собой общее выражение второго закона термодинамики. Физический смысл второго закона термодинамики заключается в установлении принципа возрастания энтропии изолированной системы.

Поэтому по изменению энтропии можно судить о направлении протекания реальных процессов. Сущность второго закона термодинамики сводиться к неизбежному росту энтропии во всех реальных процессах.

Основная литература: 1 [гл. 2, §§3.3-3.7, стр. 23-28]; 2, [§1.2,стр. 17-18, стр. 26-32]

Дополнительная литература:14 [§5.6,стр. 59-62, §§8.3-8.8, стр. 99-108]; 20[§§ 5.2-5.5, стр.61-72].

Контрольные вопросы:

  1. Какие машины работают по прямому и обратному циклам Карно?

  2. Сущность теоремы Карно.

  3. Из каких процессов состоит цикл Карно?

  4. Покажите, для обратимых процессов интеграл Клаузиуса dq /T<0, а для необратимых dq /T<0

  5. Приведите аналитические выражения второго закона термодинамики

  6. Что такое энтропия?

  7. Изменения энтропии в обратимых и необратимых процессах

  8. В чем сущность принципа возрастания энтропии и физический смысл второго закона термодинамики?



^ ЛЕКЦИЯ №5 Термодинамические процессы идеальных газов.

Конспект лекции

В теплотехнике ведущая роль принадлежит процессам и методам их расчета. Рассчитать термодинамический процесс – это значит определить все параметры в начале и в конце его, теплоту и работу, а также представить этот процесс на термодинамических диаграммах (например, P1V, и T,S- диаграммах). Первый закон термодинамики устанавливает взаимосвязь между количеством теплоты, изменением внутренней энергии и внешней работой газа, причем количество теплоты, подводимое к телу или отводимые от него, зависит от характера термодинамического процесса.

Основными процессами, весьма важными в теоретическом, и в прикладном отношениях, являются: изохорный, протекающий при постоянном объеме; изобарный, протекающий при постоянном давлении; изотермический, происходящий при постоянной температуре; адиабатный – при котором отсутствует теплообмен с окружающей средой, и политропный, удовлетворяющий уравнению PVn = idem. Этот процесс является обобщающим и для основных процессов при определенных условиях и характеризуется постоянством теплоемкости в процессе.

Для всех термодинамических процессов устанавливается следующий общий метод исследование:

- выводится уравнение процесса, устанавливающее связь между начальными и конечными параметрами рабочего тела в данном процессе;

- вычисляется работа изменения объема газа;

- определяется количество теплоты, приведенной (или отведенной) к газу в процессе;

- определяется изменение внутренней энергии системы в процессе;

- определяется изменение энтальпии и энтропии системы в процессе.
1. Изохорный процесс.
Изохорный процесс ( рис. 1.9) происходит при постоянном объеме (V = const ).

Рис. 1.9.

Из уравнения состояния идеального газа Pv=RT при v= const получаем закон (закон Шарля).
P1/P2=T1/T2 (5.1)

Так как в изохорном процессе объем газа не изменяется V2=V1, то работа

v2

l = ∫ pdv при изменении объема газа ровна нулю l=0, а теплота, определяемая

v1



первым законом термодинамики q = u + l, составляет:

T2

q = ∆u = u2- u1= ∫ CV (T2-T1) (5.2)

T1

При переменной теплоемкости


t2 t2 __ t2

q =CV(t2-t1)= CV t2-CV ? (5.3)

t1 0 0

t2

где CV - средняя массовая изохорная теплоемкость в интервале температур

t1

от t1 до t2 .


Так как l =0, то в соответствии с первым законом термодинамики ∆U = q и ∆u = CV(T2-T1) при CV = const;

t2

∆U=CV(t2-t1) при CV = Var (5.4)

t1



Изменение энтальпии в процессе определяется по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа

∆ h = h2-h1=Cp(T2-T1) при Cp= const ;

t2

∆h = CV (t2-t1) при Cp= var. (5.5)

t1
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