Основи на топлотехниката
Предмет и метод на техническата термодинамика. Термодинамично състояние и термодинамичен процес. Топлинни и калорични параметри на състоянието. Закони на идеалните газове. Работата по промяна на обема на газа. Изчисляване на работата в термодинамичен процес.
Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу
Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.
Хоствано на http://www.allbest.ru/
ЧАСТ 1. ТЕХНИЧЕСКА ТЕРМОДИНАМИКА
Тема 1. ОСНОВНИ ТЕРМОДИНАМИЧНИ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНИ
1.1 Предмет и метод на техническата термодинамика
Исторически термодинамиката възниква като наука, която изучава преноса на топлина в механична работа, което е продиктувано от необходимостта да се дадат теоретични основи за работата на топлинните двигатели.
Принципът на изграждане на термодинамиката е доста прост. Основава се на три експериментални закона и уравнението на състоянието: първият закон (първият закон на термодинамиката) е законът за запазване и трансформация на енергията; вторият закон (вторият закон на термодинамиката) показва посоката, в която протичат природните явления в природата; Третият закон (третият закон на термодинамиката) гласи, че абсолютната нулева температура е недостижима.
1.2 Термодинамична система
Термодинамичната система е тяло (набор от тела), способно да обменя енергия и материя с други тела (помежду си).
Термодинамичната система има граници, които я отделят от околната среда. Границите на термодинамичната система могат да бъдат както реални (газ в резервоара, фазова граница), така и чисто условни под формата на контролна повърхност.
Една термодинамична система може енергийновзаимодействат с околната среда и с други системи, както и обменят материя с тях. В зависимост от условията на взаимодействие с други системи се разграничават изолирани, затворени, отворени и адиабатично изолирани термодинамични системи.
Термодинамична система, която не може да обменя енергия и материя с други системи, се нарича изолирана. В такава система отделни части (подсистеми) могат да взаимодействат помежду си. Термодинамичната система се нарича затворена, ако не може да обменя материя с други системи. Термодинамичните системи, които могат да обменят материя с други системи, се наричат отворени системи.
Термодинамична система, която не може да обменя топлина с други системи (с околната среда), се нарича термично изолирана или адиабатично изолирана.
Термодинамичната система може да взаимодейства енергийно с околната среда чрез пренос на топлина и производство на работа.
Според ролята на отделните тела, включени в термодинамичната система, те се делят на работни тела (РТ), източници на топлина (ТО) и предмети на труда (ОР).
Работните тела по правило са газообразни вещества - газове и пари, които са способни значително да променят обема си при промяна на външните условия.
В тези състояния, където влиянието на силите на взаимодействие между молекулите и обема на самите молекули (силно нагрят газ при ниско налягане) може да бъде пренебрегнато, газът се нарича идеален. В противен случай газът се нарича истински.
Работното тяло в топлинния двигател получава или отдава топлина чрез взаимодействие с по-горещи или по-студени външни тела. Такива тела се наричат източници на топлина.
Тяло, което отдава топлина на работно тяло и не се променянеговата температура се нарича горен източник на топлина (HHS) или радиатор. Тяло, което получава топлина от работния флуид и не променя температурата си, се нарича долен източник на топлина (LHS) или радиатор.
1.3 Термодинамично състояние и термодинамичен процес
Съвкупността от физичните свойства на системата при разглежданите условия се нарича термодинамично състояние на системата.
Има равновесни (стационарни) и неравновесни (нестационарни) състояния на термодинамичната система.
Макроскопичните величини (т.е. величините, които характеризират тялото като цяло), характеризиращи физичните свойства на тялото в даден момент, се наричат параметри на термодинамично състояние. Последните се делят на интензивни (независещи от телесното тегло) и екстензивни (пропорционални на телесното тегло).
Основните параметри на състоянието, които могат да бъдат директно измерени с прости технически средства, са абсолютно налягане, специфичен обем и абсолютна температура. Тези три параметъра се наричат параметри на топлинното състояние.
Параметрите на състоянието включват също вътрешна енергия, енталпия и ентропия, които се наричат параметри на калорично състояние.
Равновесното състояние на термодинамичната система е такова състояние, което при постоянни външни условия се характеризира с неизменност на параметрите във времето и липса на потоци в системата. Състоянието на термодинамичната система, при което температурата е еднаква във всички нейни части, се нарича състояние на топлинно равновесие.
Една изолирана термодинамична система, независимо от нейното първоначално състояние, винаги достига до състояние на равновесие с течение на времето. Трябва да се отбележи, че никога не излизайте спонтанносистемата не може да излезе от него (основният постулат на термодинамиката е нулевият принцип).
Състоянието на термодинамична система, при което стойностите на параметрите във всички нейни части остават непроменени във времето поради външното влияние на потоците от материя, енергия, импулс, заряд и т.н., се нарича стационарно. Ако стойностите на параметрите се променят във времето, тогава състоянието на термодинамичната система се нарича нестационарно.
Всяка промяна в термодинамична система, свързана с промяна на поне един от нейните параметри, се нарича термодинамичен процес. Ако една система работи върху друга система с помощта на механични и електрически сили, тогава взаимодействието се нарича механично. Взаимодействие, което води до промяна в енергията и се осъществява под формата на пренос на топлина чрез топлопроводимост или топлинно излъчване, се нарича термично. Взаимодействието, което води до промяна на енергията и се осъществява под формата на пренос на маса, се нарича пренос на маса.
Разграничаване на равновесни и неравновесни процеси.
Равновесният процес е термодинамичен процес, който е непрекъсната последователност от равновесни състояния. При такъв процес физическите параметри се променят безкрайно бавно, така че системата винаги е в равновесие. Освен това всички части на системата имат еднаква температура и налягане.
Неравновесен процес е термодинамичен процес, който представлява последователност от състояния, сред които не всички са в равновесие. При неравновесен процес различните части на системата имат различни температури, налягания, плътности и концентрации.
Ако термодинамичната система бъде извадена от равновесие и оставена сама на себе си, то след определен интервалвреме ще се върне в състояние на равновесие. Процесът на преминаване на системата от неравновесно състояние към равновесно състояние се нарича релаксация, а времето на преминаване към равновесно състояние се нарича време на релаксация.
1.4 Топлинни и калорични параметри на състоянието
Топлинните параметри на състоянието включват налягане, обем, температура.
Параметрите на калоричното състояние включват следните основни термодинамични величини: ентропия, вътрешна енергия и енталпия
1.4.1 Параметри на топлинното състояние
Налягането е физична величина, числено равна на отношението на нормалния компонент на силата към площта, върху която действа тази сила.
Единицата за налягане в SI е паскал, налягането, причинено от сила от 1 N, равномерно разпределена върху повърхност от 1 m2 (1Pa=1 N/m2). Често е необходимо да се измери налягането по височината на колона от някаква течност (вода, живак и др.).
В табл. 1.1 показва връзката между използваните преди това единици за налягане и единици за налягане SI.
Разграничете атмосферно или барометрично налягане, абсолютно налягане, габарит или излишък, разреждане или вакуум.
Налягането, създадено от атмосферния въздух, се нарича барометрично или атмосферно.
Абсолютно налягане е налягането, измерено от нула (абсолютен вакуум).
Излишното или манометричното налягане е налягане над атмосферното, т.е. свръхналягането е разликата между абсолютното и барометричното налягане:.
Вакуумът или вакуумът е разликата между атмосферното налягане и абсолютното налягане на средата, в която се измерва налягането. Ако абсолютното налягане на газа или парата в съда е по-ниско от барометричното налягане, т.е. тогава разликатанаречено разреждане или вакуум.
Вакуумът показва колко налягането на газ (пара) е по-малко от налягането на околната среда. Атмосферното налягане се измерва с барометри, свръхналягането с манометри, а вакуумното налягане с вакуумметри.
Стойностите на абсолютното налягане винаги се използват в термодинамичните уравнения поради факта, че това е параметър, характеризиращ състоянието на термодинамична система.
Атмосферното налягане е променлива стойност, следователно в технологията се използва нормално атмосферно налягане (760 mm Hg).
Телесната температура е мярка за това колко е горещо. Температурата определя посоката на пренос на топлина. Ако две тела A и B имат съответно температури T1 и T2 и T1> T2, тогава топлината преминава от тяло A към тяло B. В този случай температурата на тяло A намалява, а на тяло B се повишава.
От гледна точка на молекулярно-кинетичната теория температурата е мярка за интензивността на топлинното движение на молекулите.
В термодинамиката температурата се разглежда като средна стойност, която характеризира система, състояща се от много голям брой молекули (частици), които са в хаотично (топлинно) движение. Следователно концепцията за температура не е приложима за единични молекули. При абсолютна нулева температура няма топлинно движение на молекулите. Тази ограничаваща минимална температура се нарича абсолютна нула и е началната точка за отчитане на температурите. Ясно е, че не може да бъде, тоест абсолютната температура винаги е положителна.
Температурата, измерена от абсолютната нула, се нарича абсолютна, а температурната скала се нарича скала на Келвин.
На практика е невъзможно директно да се измери кинетичната енергия на газовите молекули. Поради това се използват различни методи за измерване на температурата.индиректни методи. Температурата се измерва с помощта на различни термодинамични уреди - термометри).
Използването на термометри се основава на факта, че две тела в контакт с различни температури след известно време влизат в състояние на топлинно равновесие и приемат една и съща температура.
Численото отчитане на температурата се извършва по температурната скала. Основната единица за измерване на температурата е градусът, който има различна стойност в различните температурни скали. Температурната скала се установява чрез разделяне на разликата в показанията на термометъра в две произволно избрани постоянни температурни точки, наречени референтни или референтни точки, на определен брой равни части - градуси.
Тъй като изборът на постоянни температурни точки и деления на скалата е произволен, налични са няколко различни температурни скали.
В момента се използват различни температурни скали: Целзий, Фаренхайт, Реомюр, Ранкин.
По скалата на Целзий () се приемат следните постоянни температурни точки: O ° C - точката на топене на леда, 100 ° C - точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане.
През 1724 г. Фаренхайт предлага термометър, чиито фиксирани точки са: + 212 ° F - точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане; +32°F е температурата на топене на леда. Температурната разлика между вряща вода и топящ се лед е 212°-- 32° = 180°F по скалата на Фаренхайт и 100°C по скалата на Целзий. Следователно 1°F съответства на 5/9°C, а 1°C съответства на 1,8°F.
Скалата на Réaumur () има следните референтни точки: O ° R е температурата на топене на леда, 80 ° R е точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане.
Скалата на Ранкин () е скалата на Фаренхайт, измерена от абсолютната нула. В този мащабтемпературата на топене на леда (T0=273,15 K) съответства на 491,67°Ra, а точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане (T0=373,15 K) съответства на 671,67°Ra.
С решение на Международния комитет по мерки и теглилки бяха приети две скали: термодинамичната температурна скала, която беше приета като основна, и Международната практическа температурна скала (IPTS-68), избрана така, че температурата, измерена по тази скала, да е близка до термодинамичната. Конструкцията на термодинамичната скала се основава на факта, че в циклите на Карно, разположени между две адиабати, температурната разлика на изотермите се счита за постоянна, ако равни количества топлина се превръщат в механична работа. Най-универсалната температурна скала е абсолютната термодинамична температурна скала – скалата на Келвин.
Скалата на Келвин използва единствената експериментална отправна точка - тройната точка на химически чистата вода (три агрегатни състояния са в термодинамично равновесие: лед, течна вода и пара). Това състояние съответства на температура от 273,15K (0,01°C). Втората постоянна точка е абсолютната нулева температура (0K). Келвин е единица за температура по термодинамичната температурна скала, равна на 1/273,15 от интервала от температурата на абсолютната нула до температурата на тройната точка на водата.
Практическото приложение на термодинамичната температурна скала е Международната практическа температурна скала. Тази скала използва единадесет опорни точки. В табл. 1.2 показва стойностите на основните референтни точки.