Предмет и методы теплотехники (технической термодинамики), ее основные задачи
Скачать 0.58 Mb.
|
  
Теоретический раздел теплотехники, который изучает законы превращения тепловой энергии в механическую и свойства рабочего тела называется технической термодинамикой. Раздел теплотехники изучающий, процессы распространения тепла в различных телах, называется теорией теплообмена или теплопередачей. Техническая термодинамика и теплопередача представляют собой теоретические основы теплотехники. Главной задачей технической термодинамики является отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты и работы. 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.
^ 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. 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, поэтому 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 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. Необратимый процесс – процесс ( реальный процесс), который может самопроизвольно протекать только в одном направлении. 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.
^ (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, гдеH - 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. Значение теплоемкости соответствующее определенной температуру рабочего тела, при определенном термодинамическом процессе, называется истинной теплоемкостью 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.
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 Первый закон термодинамики через энтальпию можно выразить следующим образом dq = dU+PdV=dU+d(PV)-VdP = d(U+PV)=dh-VdP,
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. 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. 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, Цикл, в результате которого расходуется работа, называется обратным или циклом холодильных машин. 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)
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 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. Цикл, в результате которого получается положительная работа называется прямым циклом или циклом теплового двигателя, Цикл, в результате которого расходуется работа, называется обратным или циклом холодильных машин.
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   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 ). Термический к.п.д. прямого цикла Карно t = 1 –Т2/Т1, а холодильный коэффициент обратного цикла Карно Т2 / Т1-Т2= 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).
 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.)
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 для обратимых процессов принимает вид dq=ТdS=0 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 для обратимых процессов принимает вид  т.е. происходит увеличение энтропии. Таким образом, при обратимомом процессе, энтропия изолированных систем остается постоянной, и будет возрастать при необратимых процесса. 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.
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. Изохорный процесс происходит при постоянном объеме (V = const ).  Из уравнения состояния идеального газа Pv=RT при v= const получаем закон (закон Шарля). P1/P2=T1/T2 Так как в изохорном процессе объем газа не изменяется V2=V1, то работа при изменении объема газа равна нулю l=0, а теплота, определяемая первым законом термодинамики q = u + l, составляет:  Изменение энтальпии в процессе определяется по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа  2. Изобарный процесс Из уравнения состояния идеального газа Pv=RT при P= const находим v\T = R\P= const , или V2\V1=T2\T1 ( закон Гей – Люссака).  Количество теплоты, подведенной к газу (или отведенной от него), можно определить из первого закона термодинамики dq = dh – vdp при p = const.  ^ При изотермическом процессе температура постоянна, следовательно, PV=RT= const, или P2/P1= V1/V2 (закон Бойля – Мариотта)  Так как внутренняя энергия и энтальпия идеального газа зависит только от температуры, при изотермическом процессе внутренняя энергия и энтальпия не изменяются ∆U = 0 и ∆h =0 . В этом случае, как следует из первого закона термодинамики, вся подведенная к системе теплота идет на совершение работы l = RT ln (V2/V1) = RT ln (P1/P2); q=l 4. Адиабатный процесс Процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным, т.е. dq = 0. На основании уравнения первого закона термодинамики для адиабатного процесса получается уравнение PVK = const где к = CP/CV – показатель адиабаты  поскольку к >1, то в координатах P,V линия адиабаты идет круче линии изотермы. P1/P2=(V2/V1)K или V2/V1= (P1/P2)1/к Уравнение PVK = const является уравнением адиабаты идеального газа в V,P – координатах при CV = const и Ср= const. Работа, совершаемая рабочим телом при адиабатном процессе согласно первому закону термодинамики совершается за счет уменьшения внутренней энергии и может быть вычислена по одной из следующих формул : l = - ∆U = CV(T2-T1) =(R/K-1)∙(T1-T2) = (1/K-1) (P1V1-P2V2)=(RT1/K-1) ∙ (1-T2/T1)=(RT1/K-1)[1-(V2/V1)K-1] = (P1V1/K-1)[1-(P2P1)K-1/ K].
Политропным процессом называется такой термодинамический процесс изменения состояния физической системы, при котором в течении всего процесса сохраняется постоянство теплоемкости. Все основные термодинамические процессы если они протекают при постоянной теплоемкости, то является частными случаями политропного процесса. Любой произвольный процесс можно описать в P,V координатах ( по крайней мере на любом участке) уравнением PVn=const подбирая соответствующее значение показателя политропны n . Показатель политропы n может принимать любые численные значения в пределах от - бесконечности до + бесконечности , но для данного процесса он является величиной постоянной. Поскольку уравнение политропы (5.19) отличается от уравнения адиабаты только величиной показателя n, то очевидно, все отношения между основными параметрами могут быть определены формулами, аналогичными адиабатному процессу только вместо показателя адиабаты К следует брать показатель политропы n(P1/P2=(V2/V1)K V2/V1= (P1/P2)1/к : l = - ∆U = CV(T2-T1) =(R/K-1)∙(T1-T2) = (1/K-1) (P1V1-P2V2)=(RT1/K-1) ∙ (1-T2/T1)=(RT1/K-1)[1-(V2/V1)K-1] = (P1V1/K-1)[1-(P2P1)K-1/ K]) . Показатель политропы n и теплоемкость политропного процесса Cn определяются из формул:  , откуда 
Энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров состояния (с абсолютной температурой Т) для графического изображения процессов. Если энтропию S откладывать по оси абсцисс, а абсолютную температуру Т – по оси адиабат, то получим T,S – диаграмму. Диаграмма - T,S – дает: -оценить количество теплоты участвующей в процессе графической по площади под кривой процесса Т= f(S) - направление теплового потока или термодинамических процессов; - определить теплоемкость тела С=dq/ dt =Tds/dT - определить термический К.П.Д. t = q1- q2/q1= lц /q1; - определить работу lц = q1- q2. Энтропию можно рассматривать как функция состояния, тогда изменение ее можно вычислить для любого процесса, если известно изменение двух других параметров состояния, например V и T, P и T, P и V. Изменение энтропии в изохорном и изобарном процессе определяется по формуле (S2-S1)v(р)=∆Sv(р)=Cv(р)ln(T2/T1)=Cv(р)ln(P2/P1). Изменение энтропии в изотермическом процессе выражается формулой (S2-S1)Т=∆SТ Rln (P2/P1) =Rln(V2/V1) Поскольку в изотермном процессе dT=0, температура рабочего тела не изменяется (Т=0 и Т= const). Следовательно, на T,S –диаграмме изотермический процесс изображается параллелью оси ординат Поскольку в адиабатном процессе dq=0, энтропия рабочего тела не изменяется (ds=0 и S= const). Следовательно, на T,S- диаграмме адиабатный процесс изображается вертикалью. Изменение энтропии в политропном процессе определяется по формуле dq/T=Cnln(T2/T1)
|
Похожие:
 | I закон термодинамики закон превращения и сохранения энергии ... |  | Экзаменационные вопросы по химии Основные понятия термодинамики.... Второе начало термодинамики. Термодинамические факторы, определяющие направление химических реакций |
| Медицинская микробиология. Предмет, методы, задачи Основные принципы систематики бактерий. Таксономические категории. Критерии вида | | Вопросы к экзамену по курсу «Физические основы производства» гр.... Основное содержание и цели термодинамики. Термодинамические параметры и функции состояния. Основные определения термодинамики. Термодинамический... |
| 5 исследование проблем народонаселения и их связей с озз Общественное здоровье и здравоохранение как наука и область практической деятельности. Основные задачи. Объект, предмет изучения.... | | 5 исследование проблем народонаселения и их связей с озз Общественное здоровье и здравоохранение как наука и область практической деятельности. Основные задачи. Объект, предмет изучения.... |
| 1. Предмет, содержание и задачи дисциплины I. Теоретико-методологические основы технической оснащенности предприятий торговли | | Закономерности и принципы, цели обучения, методы, формы и средства обучения Дидактика как наука (предмет, задачи, основные категории, проблемы современной дидактики) |
| Экзаменационные вопросы по психиатрии и наркологии для студентов... Предмет и задачи психиатрии. Основные этапы развития зарубежной и отечественной психиатрии. Выдающиеся отечественные психиатры (В.... | | Экзаменационные вопросы по психиатрии и наркологии для студентов... Предмет и задачи психиатрии. Основные этапы развития зарубежной и отечественной психиатрии. Выдающиеся отечественные психиатры (В.... |