Шпаргалка по "Теплотехнике"

1

Термодинамика изучает закономерности преобразования энергии в различных процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами, а также св-ва тел, кот. участвуют в этих преобразованиях. Техническая термодинамика изучает процессы взаимного преобразования теплоты и работы, св-ва рабочих тел, при помощи кот. происходит это преобразование. В общем случае термодинамика изучает термодинамические системы.

Термодинамическая система - совокупность тел, могущих энергетически взаимодействовать м/у собой и окр. средой и обмениваться с ней ве-вом. Всё что находится вне термодинамической системы, наз. окружающей средой.

Выделение системы условной замкнутой контрольной поверхностью (КП), ограничивающей систему от окружающей среды, произвольное. Оно определяется только задачей исследования. При выборе контрольной поверхности необходимо лишь иметь в виду следующие два момента:

1) Принципиально  важно, чтобы система допускала  описание с применением макрофизических характеристик (не была слишком малой).

2) Необходимо  чтобы наблюдаемые макрофизические св-ва в каком-либо отношении отличались друг от друга по обе стороны контрольной поверхности.

КП приписывают идеализированные св-ва, особенно с точки зрения их проницаемости для ве-ва и энергии.

В зависимости  от проницаемости для ве-ва и энергии термодинам. системы бывают:

     -открытые, в которых происходит обмен веществом и энергией через КП;

     -закрытые, в которых отсутствует обмен веществом через КП;

     -адиабатные, в кот.  отсутствует обмен энергией через КП в форме теплоты;

     -изолированные,  в которых отсутствует обмен веществом и энергией через КП.

Абсолютно изолированная термодинамическая  система непременно приходит к сост. внутреннего равновесия, в кот. она остаётся неограниченно долгое время.

Выход из сост. равновесия возможен только в результате снятия абсолютной изоляции и осуществления воздействий окружающей средой на систему.

Объектом  изучения в технической термодинамике  весьма часто является какое-либо ве-во, выполняющее главную функцию в тепловой машине. Такое ве-во также явл. термодинамической системой и называется рабочим телом машины.

В технике  в качестве рабочих тел часто  принимают газы и их смеси (0₂, Н₂, С0₂, атмосферный воздух). Эти реальные газы состоят из атомов и молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Молекулы обладают массой и собственным объёмом, м/у ними сущ. силы межмолекулярного взаимодействия.

Для выяснения  предела действия газовых законов  в термодинамике введено понятие  идеального газа, в кот. отсутствуют силы взаимодействия м/у молекулами, а молекулы, имеющие массу, рассматриваются как материальные точки, не имеющие объёма.

 

2

Величины, характеризующие  тело в данном состоянии, наз. параметрами состояния. Параметры, кот. можно измерить, наз. основными. К основным параметрам отн.: абсолютное давление; удельный объём; абсолютная температура.

1) Давление газа обуславливается совокупностью ударов хаотически движущихся молекул о стенки сосуда, в кот. заключён газ, и представляет собой нормальную составляющую результирующей силы F, действующую на единицу площади S поверхности стенки: p = F/S. В СИ давление выражается в паскалях (1 Па = 1 Н/м²). Различают абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое давления.

Абсолютным (р_а) наз. действительное давление в сосуде. Давление, превышающее атмосферное (р_бар), наз. избыточным (р_ИЗб). Превышение   атмосферного   давления   над абсолютным наз. вакуумметрическим давлением р_в.

2) Удельный объём тела представляет собой объём единицы его массы: . Величина, обратная удельному объёму наз. плотностью. Плотность также может служить параметром состояния тела.

3) Температура количественно характеризует степень нагретости тела, кот. зависит от скорости поступательного движения молекул. Чем больше средняя скорость поступательного движения молекул ве-ва, тем выше его t-ра. t-ра явл. единственным параметром состояния, определяющим направление самопроизвольного процесса теплообмена.

Абсолютная  термодинамическая t-рная шкала наз. шкалой Кельвина, а единица t-ры - Кельвином (Т, К). В СИ единица "кельвин" устанавливается по интервалу t-ры от абсолютного нуля до t-ры тройной точки воды. Абсолютный нуль - это t-ра, при кот. прекращается хаотическое движение молекул тела. Тройная точка воды - это t-ра, при кот. вода, водяной пар и лёд находятся в равновесии - 273,15 К (1 кельвин равен 1/273,15 части температурного интервала от абсолютного нуля до t-ры тройной точки воды).

По шкале  Цельсия за 0°С принята t-ра плавления льда, а за 100°С – t-ра кипения воды при нормальном атм. давлении. t-ра по этой шкале обозначается буквой t. Связь между температурными шкалами выражается соотношением: t = Т-273,15.

За параметр состояния в термодинамике принимают  термодинамическую абсолютную температуру  Т. Для измерения t-тур применяются жидкостные и газовые термометры, пирометры, термопары.

Если все  термодинамические параметры постоянны  во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние  системы наз. равновесным. Если в системе не наблюдается постоянство во времени всех термодинамических параметров или они различны в различных точках системы, то такое состояние системы наз. неравновесным. В таких системах возникают потоки массы и теплоты, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия.

 

3

Уравнение состояния устанавливает функциональную связь м/у тремя основными параметрами состояния р, 𝝂 и Т идеального газа. Эту зависимость в общем виде можно записать так: F(p,𝝂,T)=0.

Существование этой зависимости м/у основными  параметрами состояния обусловлено  тем, что величина каждого из них  определяется положением и скоростями движения молекул, кот. для каждого отдельного состояния имеют вполне определенные значения.

       p=p(𝝂,T)        𝝂=𝝂(p,T)    T=T(p,𝝂)

Эти уравнения  показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых. Уравнение имеет смысл только для равновесных систем, в кот. T и p одинаковы во всех точках системы.

Уравнение состояния идеального газа (Клапейрона) для одного килограмма:

где р - абсолютное давление газа, Па;

   𝝂 - удельный объём газа, м³/кг;

   R - удельная газовая постоянная для 1 кг газа, Дж/(кг·град);

   Т - абсолютная температура, К.

Удельная  газовая постоянная R зависит только от природы ве-ва и величина постоянная для каждого газа. R представляет собой удельную работу изменения объёма, совершаемую 1 кг рабочего тела при изменении его t-ры на 1 К в изобарном процессе.

Уравнения Клапейрона для произвольной массы газа:

pV = MRT

где   V = 𝝂М - полный объём, м³, занимаемый газом массой М, кг.

Чтобы получить уравнение состояния для 1 кмоля  идеального газа, умножим обе части  уравнения Клапейрона на молярную массу  µ и получим уравнение Клапейрона-Менделеева: pV_µ = R₀T,

где R₀ = µR = 8314 - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·град).

 

4

Параметры состояния, измеряемые в энергетических единицах (Дж, Дж/кг) наз. калорическими.

1) Внутренняя энергия. Любая термодинамическая система обладает запасом внутренней энергии U, под кот. понимают все виды энергии, связанные с внутренним тепловым движением и взаимодействием молекул. Внутренняя энергия измеряется в Дж и зависит от массы ве-ва. Внутреннюю энергию, отнесённую к 1 кг ве-ва, наз. удельной (Дж/кг): u=U/M.

В общем  случае, внутренняя энергия газа состоит из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, кот. зависят только от t-ры газа, а так же потенциальной энергии взаимодействия молекул м/у собой, зависящей от среднего расстояния м/у молекулами, т.е. от занимаемого газом объёма. Следовательно, внутренняя энергия зависит от t-ры и объёма и явл. однозначной функцией этих параметров состояния: u=f(T,𝝂). Внутренняя энергия реального газа сама может служить параметром состояния. Изм. внутренней энергии зависит от начального и конечного состояния газа: . Если процесс замкнут, Δu = 0.

В идеальном газе силы взаимодействия м/у молекулами отсутствуют и потенциальная энергия равна 0. Поэтому внутренняя энергия идеального газа состоит только из кинетической энергии движения молекул и опр-ся только t-рой.

Абсолютную  величину внутренней энергии опр. невозможно, т. к. не сущ. такого состояния тела, при кот. оно не обладало бы энергией, поэтому вычисляется ее изм.

2) Энтальпия. Полная энергия расширенной системы, состоящей из тела, и окр. среды, состоит из внутренней энергии газа и потенциальной энергии груза, равной: Gz = pfz = pV, т.е. Е = U + pV, где pV - потенциальная энергия давления, характеризует потенциальную энергию связи тела с окр. средой.

Если газ находится во внешней среде с давлением р, то с любым состоянием его связана некоторая энергия U + pV = Н (Дж), получившая наз. энтальпии газа в данном состоянии. Выражение удельной энтальпии имеет вид (Дж/кг): h = u + p𝝂.

Энтальпия - полная энергия, связанная с данным состоянием системы. Величина р𝝂 представляет собой работу, кот. нужно затратить для того, чтобы ввести тело объемом во внешнюю среду, имеющую повсюду одинаковое давление, равное давлению системы в данном состоянии. Энтальпия зависит от параметров состояния u,p,𝝂 и сама явл. параметром состояния.

Энтальпия идеального газа является функцией t-ры: h = u + p𝝂 = u(T) + RT.

3) Энтропия - параметр состояния, дифференциал кот. равен отношению бесконечно малого кол-ва теплоты в элементарном обратимом процессе к абсолютной t-ре, кот. на бесконечно малом участке процесса явл. постоянной величиной (Дж/кг): dS=δQ/T. Единица удельной энтропии - Дж/(кг·К).

Энтропия определяется только математическим выражением, показывает меру беспорядка, неупорядоченности движения. С увеличением t-ры подвода теплоты энтропия уменьшается и наоборот. Для реальных процессов энтропия явл. мерой их необратимости. Физической величиной, изменение кот. является признаком процесса теплообмена, служит энтропия. Энтропия обязательно изменяется при теплообмене. При подводе теплоты к телу его энтропия возрастает, при отводе - уменьшается. Знаки q и s совпадают, т. к. абсолютная t-ра всегда положительна.

 

5

Энергетическими характеристиками термодинамического процесса явл. работа и теплота. Кол-во энергии в теле может меняться только при осуществлении энергообмена с другими телами. Работа увеличивает энергию любого вида, теплота - только внутреннюю энергию термодинамической системы. Теплота Q и работа L (Дж) представляют собой два способа передачи энергии. Определённому состоянию системы не соответствует какое-либо значение L и Q.

Работа - кол-венная мера макроскопической формы энергообмена м/у телами, осуществляемая перемещением тела или изм. его объема. Работа, произведенная телом - положительна, работа, совершаемая над телом - отрицательна. В I случае энергия отводится от тела, во II - подводится.

Различают работу процесса, совершаемую телом в условиях закрытой и открытой термодинамических систем. Работу процесса в закрытой термодинамической системе наз. работой изм. объема. Работа, подводимая к такой системе, вызовет изм. её внутреннего состояния, но не повлияет на положение в пространстве или на скорость системы. Если силы действуют на неподвижную систему перпендикулярно к её границам, это может привести к изм. объёма. Связанную с этим работу наз. работой изменения объёма. р-диаграмма позволяет графически определить работу, поэтому эту диаграмму часто наз. рабочей диаграммой процесса.