Теоретические основы теплотехники для техникума. «Курс лекций по разделу «Основы теплотехники

March 8th, 2015 , 07:44 pm

До сего момента я касался темы теплотехники применительно к самостоятельному строительству только мимоходом, в контексте других тем. Об этом написаны кучи статей и книг, в том числе и в интернете, с морем формул и схем что, по-видимому, и отпугивает читателей. В результате у индивидуальных застройщиков в этой области самые нажористые заблуждения.
Итак, начнём сначала, с физики: любое твёрдое тело характеризуется двумя интересующими нас теплотехническими характеристиками: теплоёмкостью и теплопроводностью. Теплопроводность способность материала передавать тепловую энергию от более нагретой зоны в менее нагретую. Применительно к ограждающим конструкциям дома, для сохранения тепла, желательна как можно более низкая теплопроводность. Отдельный вопрос о толщине. Увеличение толщины ведёт к пропорциональному увеличению стоимости конструкции, но никак не к пропорциональному улучшению теплоизоляции. Существует некий оптимум толщины для каждого материала и каждой климатической зоны.

Теплоёмкость — способность материала поглощать (аккумулировать) и отдавать тепло при изменении температуры. Здесь всё не так однозначно, большая или малая теплоёмкость может быть и плюсом и минусом в зависимости от конкретных условий.

Резюмируем: материал с низкой теплопроводностью — теплоизолятор, материал с высокой теплоёмкостью — теплоаккумулятор.

Приведём пример: сравним деревянный и кирпичный дом с точки зрения теплотехники. Дерево имеет малую теплопроводность (т. е. является теплоизолятором) и малую теплоёмкость. Кирпич также является теплоизолятором, но имеет большую теплоёмкость, т. е. выступает ещё и как теплоаккумулятор. Деревянный дом хорошо держит тепло, но быстро выстывает, кирпичный держит тепло хорошо и долго. Если дом используется постоянно, то кирпичный комфортнее — дольше держит тепло, сглаживает колебания температуры при периодической топке печи. Если-же дом используется как дача — приехали в пятницу вечером в нетопленый дом и давай топить, то здесь большая теплоёмкость кирпичных стен сыграет в минус. Деревянный дом в этом случае имеет преимущество в скорости нагрева.

Отдельно стоит рассмотреть многослойные конструкции стен. Пример: бетонное здание нужно утеплить пенополистиролом или минераловатными плитами. Бетон сам по себе хороший теплоаккумулятор, но никудышный теплоизолятор. Если теплоизолирующий материал расположить снаружи, бетон будет играть роль теплоаккумулятора что выгодно для дома постоянного проживания. Если расположить теплоизолирующий материал внутри то бетонные стены не будут играть никакой роли в теплодинамике помещения — оно будет быстро нагреваться и быстро остывать.

Ещё пример: чтобы деревянный дом дольше держал тепло его можно оштукатурить изнутри.

Для многослойных конструкций существует немаловажная проблема пароизоляции и связанная с ней «точка росы». Грубо говоря, внутри строительных конструкций может конденсироваться влага. Не углубляясь в дебри, дело здесь в том что воздух внутри отапливаемых жилых помещений всегда более влажный чем снаружи. Поэтому пароизоляция должна располагаться по принципу ближе кнутри — плотнее, кнаружи — проницаемее.

Вкратце всё, точные определения, единицы измерения, формулы, значения параметров конкретных материалов и т.п есть в интернете.

ведущий инженер кафедры ТГП физического факультета

физико-технического института.

Раздел I. Техническая термодинамика.

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1. Введение1.2. Термодинамическая система.1.3. Параметры состояния.1.4. Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Тема 2. Первый закон термодинамики.

2.1. Теплота и работа.2.2. Внутренняя энергия.2.3. Первый закон термодинамики.2.4. Теплоемкость газа.2.5. Универсальное уравнение состояния идеального газа.2.6. Смесь идеальных газов.

Тема 3. Второй закон термодинамики.

3.1. Основные положения второго закона термодинамики.3.2. Энтропия.3.3. Цикл и теоремы Карно.

Тема 4. Термодинамические процессы.

4.1. Метод исследования т/д процессов.4.2. Изопроцессы идеального газа.4.3. Политропный процесс.

Тема 5. Термодинамика потока.

5.1. Первый закон термодинамики для потока.5.2. Критическое давление и скорость. Сопло Лаваля.5.3.Дросселирование.

Тема 6. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух.

6.1. Свойства реальных газов.6.2. Уравнения состояния реального газа.6.3. Понятия о водяном паре.6.4. Характеристика влажного воздуха.

Тема 7. Термодинамические циклы.

7.1. Циклы паротурбинных установок (ПТУ).7.2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).7.3. Циклы газотурбинных установок (ГТУ).Тестовый контроль по разделу

Раздел II. Основы теории теплообмена.

Тема 8. Основные понятия и определения. Тема 9.Теплопроводность.

9.1. Температурное поле. Уравнение теплопроводности.9.2. Стационарная теплопроводность через плоскую стенку.9.3. Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.9.4. Стационарная теплопроводность через шаровую стенку.

Тема 10. Конвективный теплообмен.

10.1. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен. 10.2.Закон Ньютона-Рихмана.10.3. Краткие сведения из теории подобия.10.4. Критериальные уравнения конвективного теплообмена.10.5. Расчетные формулы конвективного теплообмена.

Тема 11. Тепловое излучение.

11.1. Общие сведения о тепловом излучении.11.2. Основные законы теплового излучения

Тема 12.Теплопередача.

12.1. Теплопередача через плоскую стенку.12.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку.12.3. Типы теплообменных аппаратов.12.4. Расчет теплообменных аппаратов. Тестовый контроль по разделу

Раздел III. Теплоэнергетические установки.

Тема 13. Энергетическое топливо.

13.1. Состав топлива.13.2. Характеристика топлива.13.3. Моторные топлива для поршневых ДВС.

Тема 14. Котельные установки.

14.1. Котельный агрегат и его элементы.14.2. Вспомогательное оборудование котельной установки.14.3. Тепловой баланс котельного агрегата.

Тема 15. Топочные устройства.

15.1. Топочные устройства. 15.2. Сжигание топлива.15.3. Теплотехнические показатели работы топок.

Тема 16.Горение топлива.

16.1. Физический процесс горения топлива.16.2. Определение теоретического и действительного расхода воздуха на горение топлива.16.3. Количество продуктов сгорания топлива.

Тема 17. Компрессорные установки.

17.1. Объемный компрессор.17.2. Лопаточный компрессор.

Тема 18. Вопросы экологии при использовании теплоты.

18.1. Токсичные газы продуктов сгорания.18.2. Воздействия токсичных газов.18.3. Последствия "парникового" эффекта.Литература

Раздел I. Техническая термодинамика

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1 Введение

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое итехнологическое . При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств). Количество производимых и потребляемых энергоресурсов огромно. По данным Минтопэнерго РФ и фирмы "Shell" динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Вид энергоресурсов
Нефть, Мт, в мире
Газ, Гм 3 , в мире
Уголь, Мт, в мире
Э/энергия,ТДж, в мире
Итого, Мтут * , в мире

* тут – тонна условного топлива. Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты. Данный курс является общетехнической дисциплиной при подготовке специалистов технической специальности.

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОHБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕHHАЯ МАШИHОСТРОИТЕЛЬHАЯ АКАДЕМИЯ Л.В ДЕМЕНТИЙ, А.П. АВДЕЕНКО КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ» Краматорск 000 0

2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОHБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕHHАЯ МАШИHОСТРОИТЕЛЬHАЯ АКАДЕМИЯ Л.В ДЕМЕНТИЙ, А.П. АВДЕЕНКО КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ» Рекомендовано Министерством образования и науки Украины в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений Краматорск 000

3 УДК Краткий курс лекций по дисциплине "Теоретические основы теплотехники": Учеб. пособие / Л.В.Дементий, А.П.Авдеенко. Краматорск: ДГМА, с. Краткий лекционный курс содержит теоретический материал по следующим разделам: «Основы технической термодинамики», «Теплопередача» и «Прикладная термодинамика». В пособии после каждого раздела приведены вопросы для самоконтроля. Пособие может быть использовано при изучении курса «Теоретические основы теплотехники» студентами дневного и заочного отделений машиностроительных специальностей. ISBN Л.В. Дементий, А.П. Авдеенко

4 Вступление «Теоретические основы теплотехники» являются общетехнической дисциплиной, изучающей методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств. Курс «Теоретические основы теплотехники» состоит из 3 основных разделов:) Основы технической термодинамики;) Теплопередача; 3) Прикладная термодинамика. Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. В зависимости от задач исследования выделяют общую, химическую, техническую термодинамику, термодинамику биологических систем и т.д. Техническая термодинамика - рассматривает процессы взаимного превращения теплоты и работы. Она устанавливает связь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях. Техническая термодинамика и теория теплообмена являются теоретическим фундаментом прикладной теплотехники. 3

5 Основы технической термодинамики. Свойства рабочих тел.. Рабочее тело и его параметры Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами. Все, что не входит в систему, называется окружающей средой. Термодинамические системы могут быть: открытые (обмен с окружающей средой и веществом и энергией); закрытые (обмен энергией); изолированные (без обмена с окружающей средой). Предметом технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых машинах. Эти преобразования осуществляются с помощью рабочего тела. Рабочим телом могут быть твердые тела, жидкости и газы. Наиболее часто используются газы, т. к. они значительно изменяют свой объем под действием температуры. Физическое состояние тела определяется некоторыми величинами, которые характеризуют данное состояние и называются термодинамическими параметрами. Основными термодинамическими параметрами для газов являются: давление, температура, удельный объем. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, в котором 4

6 заключен газ, и представляет собой отношение нормальной составляющей силы к поверхности, на которую действует сила: Р = N /F, где N - сила, Н; F - площадь поверхности, м. Единицы измерения давления - паскали: Па= Н / м. Поскольку эта величина мала (ат = 98066,5 Па) удобнее использовать более крупные величины: кпа = 0 3 Па; МПа = 0 6 Па; ГПа = 0 9 Па. На практике часто используют внесистемные единицы: кгс / м = мм.вод.ст. = Па 0 Па; мм. рт. ст. = 33.3 Па; бар = 0 5 Па; атм = 760 мм.рт.ст. = 035 Па. Различают давление: атмосферное, избыточное, разряжение (вакуум). Барометрами измеряют атмосферное давление - давление окружающей среды. Манометрами измеряют давление, превышающее атмосферное, которое называют избыточным. Вакуум (разряжение) - давление в данном объеме, меньше атмосферного, его измеряют вакуумметрами. Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление, т.е. давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления. Это связано с тем, что атмосферное давление постоянно изменяется, следовательно, изменяется величина вакуума или избыточного давления. При определении абсолютного давления различают два случая: давление в сосуде больше атмосферного - Рабс = Ратм + Ризб; давление в сосуде меньше атмосферного - 5

7 Рабс = Ратм Рв. Температура с качественной стороны характеризует степень нагретости тела, с количественной стороны температура является мерой интенсивности теплового движения молекул. В термодинамике используют абсолютную температуру. В системе СИ единицей измерения абсолютной температуры (Т) является кельвин (К). Абсолютная температура всегда положительна. При температуре абсолютного нуля прекращается тепловое движение молекул. Это предельная минимальная температура и является началом для отсчета абсолютных температур. Для измерения температуры используют различные свойства тел: расширение тел от нагревания (жидкостные термометры), изменение объема при P=const или изменение давления при V=const (в газовых термометрах), изменение электрического сопротивления проводника при нагревании (термометры сопротивления), изменение электродвижущей силы в цепи термопары при изменении температуры спая, законы излучения твердых тел (в оптических пирометрах). В настоящее время кроме шкалы Кельвина используется шкала Цельсия, в которой точкой отсчета является тройная точка воды (точка, где жидкая, парообразная и твердая фазы находятся в устойчивом равновесии), температура в кельвинах (Т) равна 73,5 К, а в градусах Цельсия (t) 0.0 о С. Следовательно, между температурами имеется следующее соотношение: Т = t Градус абсолютной шкалы Кельвина численно равен градусу шкалы Цельсия, поэтому dt = dt. Известны также шкалы 6

8 Фаренгейта (Ф), Реамюра (R), Ренкина (Rа). Соотношения между ними: t o Ф=.8 t o C+3; t o R=0.8 t o C; t o Ra=.8 t o C Удельный объем (v) объем единицы массы вещества, м 3 / кг, v = V / m, где V полный объем вещества, м 3 ; m - масса вещества, кг. Плотность вещества величина, обратная удельному объему, масса единицы объема вещества, кг / м 3, ρ = / v = m / V. Таким образом, мы рассмотрели три основных параметра: давление, температуру и удельный объем... Уравнение состояния идеального газа В технической термодинамике широко применяют понятие об идеальном газе. Под идеальным газом понимают газ, у которого отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а молекулы не имеют объема, т.е. представляют собой материальные точки. Реально такого газа нет, но введение понятия «идеальный газ» позволило составить простые математические зависимости между величинами, характеризующими состояние тела, и на основе законов для идеальных газов создать стройную теорию термодинамических процессов. Все реальные газы при высоких температурах и малых давлениях почти полностью подходят под понятие идеальный газ и практически по свойствам не отличаются от него. Состояние 7

9 идеального газа это предельное состояние реального газа, когда давление стремится к нулю. Параметры идеального газа связаны между собой уравнением Клапейрона: P v = R T. (.) Для произвольной массы газа уравнение имеет следующий вид: P V = m R T, (.) где V полный объем, м 3 ; R газовая постоянная, Дж / (кг К). Рассмотрим физическую суть газовой постоянной. Для этого выразим ее из уравнения Клапейрона (.): R = P v / T (.3) или с учетом единиц измерения Н м / (кг К). Таким образом, газовая постоянная численно равна работе, которую выполняет кг газа, если повысить его температуру на о С. Газовая постоянная не зависит от параметров газа, а зависит от его химического состава и структуры. Значения для различных газов приведены в справочниках. Рассмотрим уравнение Клапейрона для кмоля газа: P v = R T, (.4) где v - объем кмоля, м 3 / кмоль; - масса кмоля (мольная масса), масса, выраженная в килограммах, численно равная атомной массе. Уравнение (.4) носит название уравнения Менделеева- Клапейрона. Для определения мольного объема вспомним закон Авогадро: при одинаковых температуре и давлении в равных объемах газа 8

10 содержится одно и то же количество молекул или моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем: v =.4 л/моль =.4 м 3 /кмоль. (.5) Выразим из уравнения (.4) произведение R и определим его значение при нормальных условиях: R = 035 *.4 / 73 = 834 Дж/(кмоль К). При подстановке полученной величины в уравнение (.4) получим вторую формулировку уравнения Менделеева-Клапейрона: P v = 834 T. (.6) Величину R = 834 Дж/(кмоль К) называют универсальной газовой постоянной. Это величина, постоянная для всех газов при нормальных физических условиях, она не зависит от химического состава газа, но в отличие от газовой постоянной зависит от параметров газа...3 Смеси идеальных газов На производстве редко используют отдельные газы, чаще используют смеси газов. Смеси идеальных газов характеризуются тем, что в них каждый газ ведет себя независимо от других газов. Это подтверждается законом Дальтона каждый газ в смеси газов осуществляет парциальное давление. Парциальное давление отдельного газа газовой смеси это такое давление, которое имел бы этот газ находясь один в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси: Р = Р + Р + + Р i, (.7) т.е. общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений этих газов. 9

11 Для характеристики смеси газов используют массовые и объемные доли. Массовая доля отношение массы данного газа (m i) к общей массе смеси (m): g i = m i / m. Объемная доля отношение объема отдельно взятого газа, входящего в состав смеси, (v i) к общему объему смеси (v): r i = v i / v. Нетрудно заметить, что g i =, r i =. Зависимости между массовыми и объемными долями, полученные на основе закона Авогадро (.5) и уравнения Менделеева-Клапейрона (.4), имеют следующий вид: g i = r i R см / R i ; r i = g i R i / R см. Парциальное давление каждого газа, составляющего смесь, можно определить, зная объемную долю газа (r i): P i = r i P. Установлено, что смеси идеальных газов полностью подчиняются законам идеальных газов. Их состояние характеризуется уравнением Клапейрона (.): P V см = m R см T, (.8) где R см газовая постоянная смеси идеальных газов, Дж/ (кг К). Для определения значения R см запишем уравнение Клапейрона для і го газа: P i v i = m i R i T. (.9) Выразим массу каждого газа через массовую долю газа g i и общую массу m и подставим в уравнение (.9): m i = m g i ; P i v i = m g i R i T. Для смеси газов получим: 0

12 P i V см = m T (g i R i) или P V см = m Т (g i R i). (.0) При сравнении уравнений (.8) и (.0) получим выражение для определения газовой постоянной смеси: R см = (g i R i). Газовая постоянная смеси равна алгебраической сумме произведений массовых долей газов, составляющих смесь, на их газовые постоянные. Газовую постоянную смеси можно определить и через универсальную газовую постоянную: R см = 834 /μ см; R см = 834 (g i / і), где μ см молекулярная масса смеси газов, кг / кмоль; μ і - молекулярная масса отдельного газа, кг / кмоль. Молекулярная масса смеси газов равна алгебраической сумме произведений объемных долей отдельных газов (r i), входящих в смесь, на их молекулярные массы (r i): см = (r i i)...4 Теплоемкость идеального газа Теплоемкость это количество тепла, необходимое для нагрева тела на один градус. Удельная теплоемкость количество тепла, необходимое для нагревания единицы количества вещества на один градус. В зависимости от единиц измерения количества вещества различают: массовую теплоемкость С, Дж / (кг К); объемную теплоемкость С, Дж / (м 3 К); мольную теплоемкость - С, Дж / (кмоль К).

13 Между различными видами теплоемкостей существует следующая зависимость: С = С /.4 ; С = С / ; С = С /. Различают среднюю (С) и истинную (С) теплоемкость: С = q - / (t t), С = lim (q / t) = dq / dt = dq / dt, где q - теплота, подводимая к газу в процессе нагревания от температуры t до температуры t. Истинная теплоемкость первая производная от количества теплоты, подводимой в процессе нагрева к телу, по его температуре. Теплоемкость газа не постоянна. Она зависит от температуры и давления. Влияние давления на теплоемкость газов незначительное, поэтому обычно учитывают только влияние температуры. Зависимости средней теплоемкости от температуры: если тело нагревается от 0 до некоторой температуры t - С = a + b t / ; если тело нагревается от температуры t до температуры t - С = a + b (t + t), где a, b, коэффициенты, зависящие от природы газа, определяются экспериментально и приводятся в справочных таблицах. Количество теплоты, необходимое на нагрев тела, можно определить следующим образом: Q = m С (t - t). Теплоемкость зависит от способа подвода теплоты к газу. Чаще всего используют способа: при V = const (изохорный процесс) - C v ;

14 при P = const (изобарный процесс) - С р. Теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме связаны между собой следующими соотношениями: С р = C v + R ; С р / C v = к, (.) где R - газовая постоянная, Дж /(кг К); к - показатель адиабаты, зависит от количества атомов в молекуле газа: для одноатомных газов - к =.66; для двухатомных газов - к =.4; для трех- и многоатомных - к =.33. Анализ уравнений (.) показывает, что во время нагревания газа при P=const затрачивается тепла больше, чем при V=const. Значение теплоемкости приближенно можно рассчитать следующим образом: C V = R / (К -) ; C P = К R / (К). Массовую С см и объемную С см теплоемость газовых смесей определяют по формулам: C см = Σ (C i g i) ; C см = Σ (C i r i), где C i массовая теплоемкость отдельного газа, Дж / (кг К); g i массовые доли газов, составляющих смесь; C i объемная теплоемкость отдельного газа, Дж / (м 3 К); r i объемные доли газов, составляющих смесь...5 Вопросы для самоконтроля Охарактеризуйте основные параметры рабочего тела. Какие виды давлений Вы знаете и какой из них используется в качестве термодинамического параметра? 3 С какой целью введено понятие «идеальный газ»? 3

15 4 Что характеризует уравнение Клапейрона? В чем заключается физическая суть газовой постоянной? 5 Газовая постоянная и универсальная газовая постоянная, отличие и связь между ними. 6 Охарактеризуйте особенности смесей идеальных газов и их основные характеристики. 7 В чем причина такого многообразия видов теплоемкостей?. Первый закон термодинамики.. Классификация термодинамических процессов Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое под воздействием окружающей среды называют термодинамическим процессом. Он может быть равновесным и неравновесным. Равновесный процесс процесс, проходящий через равновесные состояния, т.е. когда параметры газа одинаковы во всех точках объема. Равновесные процессы протекают настолько медленно, что в любой момент времени между рабочим телом и окружающей средой устанавливается равновесие. Основное условие равновесности - бесконечно медленное протекание процесса при бесконечно малой разности температуры и давления между окружающей средой и рабочим телом. Реальные процессы неравновесные. Неравновесность реальных процессов определяется, прежде всего, тем, что под влиянием внешних условий они протекают с конечными скоростями 4

16 и в рабочем теле не успевает устанавливаться равновесное состояние. Равновесные процессы для любого момента времени имеют фиксированные значения основных параметров, поэтому изображаются графически, с помощью диаграмм, например PVдиаграмм. Обратимые процессы процессы, протекающие через одни и те же равновесные состояния как в прямом, так и в обратном направлении. В термодинамике обратимым называют такой процесс, при совершении которого в прямом и обратном направлениях не происходит остаточных изменений ни в самой системе, ни в окружающей среде. Основные условия обратимости процессов: условие внешней обратимости - температурное и механическое равновесие, т.е. равенство температур и давлений рабочего тела и окружающей среды; условие внутренней обратимости - отсутствие трения, диффузии и других односторонне направленных процессов. Круговой процесс (цикл) ряд последовательных изменений равновесных состояний рабочего тела, в результате которых оно возвращается в исходное состояние. В природе и технике в чистом виде круговых процессов или циклов не существует, но абстрактное понятие о них позволяют решать многие задачи в теории тепловых двигателей... Работа расширения газа 5

17 Работа является количественной мерой передачи энергии одного тела другому путем механического (расширение, сжатие) или теплового (охлаждение, нагрев) воздействия. В технической термодинамике большое значение имеет работа, совершаемая системой при изменении объема. Чтобы получить представление об этой работе, выделим на воображаемой оболочке газа, определяющей границу термодинамической системы, элементарную площадку df. Подведем к газу тепло. Газ начнет расширяться и выполнять работу против внешних сил. Эта работа определяется как произведение силы (dn = P df) на величину перемещения dn: dl = Рdf dn или dl = P dv. Изобразим это на pv-диаграмме (рис..). P P P V dv V V Рисунок. PV-диаграмма На PV -диаграмме работа, которую совершил газ, определяется как площадь, находящаяся ниже линии процесса (линия -) и ограниченная ординатами удельного объема v и v. 6

18 v l p*dv v В общем случае, когда масса газа не равна кг, полная работа (L), совершаемая системой, определяется по формуле L = l m. Работу, совершаемую системой над окружающей средой, (расширение) принято считать положительной (полезной), а работу, совершаемую окружающей средой над системой, (сжатие) - отрицательной. Единицами измерения полной работы в системе СИ является джоуль (Дж), удельной работы Дж / кг. Работа всегда связана с перемещением тел в пространстве, поэтому она характеризует упорядоченную форму передачи энергии от одного тела к другому и является мерой переданной энергии. Поскольку величина работы пропорциональна увеличению объема, то в качестве рабочих тел, предназначенных для преобразования тепловой энергии в механическую, целесообразно выбирать такие, которые допускают значительные увеличения объема. Этим качеством обладают газы и пары жидкостей...3 Внутренняя энергия газа Внутренняя энергия системы включает в себя: кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц; потенциальную энергию взаимодействия частиц; энергию электронных оболочек атомов; 7

19 внутриядерную энергию. В большинстве теплоэнергетических процессов две последние составляющие остаются неизменными. Поэтому в дальнейшем под внутренней энергией мы будем понимать энергию хаотического движения молекул и атомов, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами. Кинетическая энергия молекул является однозначной функцией температуры, значение потенциальной энергии зависит от среднего расстояния между молекулами, следовательно, от занимаемого газом объема. Внутренняя энергия зависит только от основных параметров газа, поэтому является 4-м параметром состояния газа. Внутренняя энергия идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, не зависит от объема газа или давления, а определяется только его температурой. Обозначим полную внутреннюю энергию газа U (джоуль), а удельную, отнесенную к кг газа, - u (джоуль на килограмм). В термодинамике определяют не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение. Поэтому условно за нулевую точку отсчета произвольно взята температура Т = 73 К. U = U U, где U внутренняя энергия в начальном состоянии, Дж; U внутренняя энергия в конечном состоянии, Дж. Для бесконечно малого изменения состояния: du =C v dt. Изменение полной внутренней энергии для конечного интервала изменения температуры можно определить по формулам: u = С v (T T); U = m С v (T T). В этих формулах С v теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме, Дж / (кг К). 8

20 ..4 Аналитическое выражение -го закона термодинамики. Энтальпия Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Этот закон является фундаментальным законом природы, который получен на основе обобщения огромного количества экспериментальных данных и применим ко всем явлениям природы. Он утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую, причем убыль энергии одного вида дает эквивалентное количество энергии другого вида. Рассмотрим некоторое рабочее тело (газ) с объемом V и массой m, имеющее температуру Т и давление Р. Газу сообщается извне определенное количество тепла Q. В результате подвода теплоты газ будет нагреваться и расширяться. С энергетической точки зрения повышение температуры тела свидетельствует о увеличении внутренней энергии. Поскольку рабочее тело окружено средой, которая оказывает на него давление, то при своем расширении оно производит полезную работу против его внешнего давления. Так как никаких других изменений в системе не происходит, то по закону сохранения энергии можно записать: dq = du + dl (.) или, если масса равна кг, - dq = du + dl = du + p dv, (.3) т.е. теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение полезной работы. Полученное уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики. Рассмотрим уравнение (.3): работу запишем как произведение давления на изменение объема (dl=pdv) и, используя 9

21 математический прием (прибавление и вычитание одной и той же величины vdp), проведем математические преобразования: dq=du+pdv+vdp-vdp=du+d(pv)-vdp=d(u+pv)-vdp. Обозначим величину u+pv буквой h (энтальпия) и получим: dq = dh v dp. (.4) Энтальпия представляет собой полную энергию термодинамической системы, равную сумме внутренней энергии системы и потенциальной энергии, которая обусловлена тем, что газ находится под давлением. Единицы измерения полной энтальпии (Н) - джоуль, удельной энтальпии (h) джоуль на килограмм. Рассмотрим элементарное изменение энтальпии: dh = du + d(pv). Подставим в это уравнение du=c v dt и рv=rt: dh = C v dt + R dt = dt (Cv + R) = Cp dt или для конечного процесса при произвольной массе газа: H = m С p (T - T). (.5) Энтальпия это теплота, подводимая к телу в процессе нагрева его при постоянном давлении. Энтальпия является функцией основных параметров (u,p,v) и принята за 5-й основной параметр состояния рабочего тела...5 Первый закон термодинамики для потока газа Рассмотрим схематичную работу теплового двигателя. Поток газа массой кг с параметрами - давление р, удельный объем v и скорость - через входной патрубок поступает в тепловой 0

22 двигатель, где к нему подводится теплота извне q н. После совершения полезной работы газы выходят через выхлопной патрубок с параметрами p,v и скоростью. Запишем -й закон термодинамики в общем виде: q = u + l. (.6) Проанализируем каждый член уравнения (.6). Теплота q состоит из частей: теплоты, подводимой к потоку извне, q н и теплоты, возникающей за счет трения подвижных частей о неподвижные, q тр. Изменение внутренней энергии u определяется разностью внутренней энергии газа в конечном и начальном состоянии. Работа расширения газа состоит из 5 составных частей: - работа по вталкиванию порций газа во входном патрубке - работа выполняется за счет внешнего источника энергии, считается отрицательной, эта работа вталкивания равна р v ; - работа, которую выполняет газ после агрегата по выталкиванию предыдущей порции газа из патрубка - эта работа положительная и равна р v ; - часть работы расходуется на трение l тр; - полезная (техническая) работа, которая выполняется в агрегате l т; - работа, которая расходуется на увеличение кинетической энергии потока газа. Подставим полученную информацию в уравнение (.6) : q н +q тр = u -u - p v + p v + l тр + l т + (ω ω) /. В данном выражении q тр = l тр (согласно закону сохранения энергии), u + p v = h и u + p v = h, тогда q н = h - h + l т + (ω ω) /. (.7)

23 Уравнение (.7) является математическим выражением -го законa термодинамики для потока газа. В дифференциальном виде уравнение имеет вид dq н = dh + dl т + d. (.8) Количество теплоты, подводимое к потоку газа извне, расходуется на увеличение энтальпии потока газа, увеличение кинетической энергии и на выполнение технической работы...6 Энтропия газов Клаузиусом для более полного исследования термодинамических процессов был введен 6-й параметр состояния - энтропия. Величина dq=du+pdv не является полным дифференциалом. Действительно, чтобы проинтегрировать правую часть, нужно знать зависимость давления от объема, т.е. процесс, который совершает газ. В математике есть прием превращения в полный дифференциал путем умножения (или деления) на интегрирующий множитель (или делитель). Для элементарного количества теплоты dq интегрирующим делителем является абсолютная температура Т. Рассмотрим это на примере идеального газа. Подставим в уравнение (.3) выражения для внутренней энергии,а давление выразим через параметры газа: dq = C v dt + R T dv / v. (.9) Для превращения в полный дифференциал разделим обе части уравнения (.9) на абсолютную температуру Т: dq / T = C v dt / T + R dv / v. (.0)

24 Величина dq /T при равновесном изменении состояния газа есть полный дифференциал некоторой функции состояния и называется энтропией (ds). Единицы измерения полной энтропии (S) джоуль на кельвин, удельной энтропии (s) джоуль на килограмм-кельвин. Энтропия функция состояния термодинамической системы, которая характеризует хаотичность (неупорядоченность) системы. Энтропию часто называют приведенной теплотой, т.к. она показывает отношение теплоты до абсолютной температуры газа. После интегрирования уравнения (.0) получим: T S S Cv ln R ln T v. (.) Используя уравнение Клапейрона, можно легко получить выражения изменения энтропии через другие параметры рабочего тела: S P S C ln ln P C v v v v ; (.) T S S Cv ln R ln T v. (.3) Энтропия есть функция состояния рабочего тела, поэтому уравнениями (.) (.3) можно пользоваться вне зависимости от пути перехода рабочего тела между состояниями. Понятие энтропии позволяет ввести удобную для термодинамических расчетов TS-диаграмму, на которой состояние системы изображается точкой, а равновесный процесс линией (рис..). Из определения энтропии можно записать: dq=tds. (.4) v 3

25 Из уравнения (.) видно, что тепло и энтропия изменяются в одном и том же направлении, т.к. абсолютная температура всегда положительна: при нагревании тела (dq>0) его энтропия возрастает (ds>0), при охлаждении тела (dq<0) его энтропия убывает (ds<0). Т, К Т Т S ds S S, Дж/(кг К) Рисунок. TS-диаграмма Выделим на TS-диаграмме элементарное изменение энтропии ds. Произведение TdS характеризует площадь прямоугольника и равно элементарной теплоте. Проинтегрируем уравнение (.4). Геометрический смысл интеграла - это сумма элементарных площадей dst, т.е. получим площадь, ограниченную линиями S =const, S =const и линией процесса - (см. рис..): q S S TdS Таким образом, на TS-диаграмме площадь, ограниченная линий процесса, крайними ординатами и осью абсцисс, эквивалентна теплоте процесса.. 4

26 ..7 Термодинамические процессы идеальных газов -й закон термодинамики устанавливает связь между теплотой, изменением внутренней энергии и механической работой. При этом количество теплоты, подводимое к рабочему телу, зависит от способа подвода теплоты или характера термодинамического процесса. Выделяют следующие методы подвода теплоты к рабочему телу: изохорный - V = const; изобарный - P = const; изотермический - T = const; адиабатный - q = const; политропный - С = const. При исследовании термодинамических процессов необходимо: Построить процесс на PV- и TS-диаграммах. Определить начальные и конечные параметры рабочего тела. 3 Вывести уравнение процесса, устанавливающее связь между начальными и конечными параметрами рабочего тела в данном процессе. 4 Определить изменение внутренней энергии, энтропии и величину работы изменения объема газа. Рассмотрим по данной схеме основные термодинамические процессы. Изохорный процесс Изохорным называют процесс, протекающий при неизменном объеме рабочего тела, V=const, dv=0. 5

27 Связь между конечными и начальными параметрами выражается законом Шарля: при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре: Р / Р = Т / Т. (.5) Работа расширения в изохорном процессе равна нулю, так как изменение объема равно нулю. Следовательно, согласно -му закону термодинамики можно записать: dq = du = C v dt, (.6) или для конечного изменения температуры и произвольной массы газа: U = m С v (T - T). (.7) Все тепло, которое подводится к газу в изохорном процессе, расходуется на увеличение внутренней энергии газа, т.е. газ нагревается. Изменение энтропии в изохорном процессе можно определить следующим образом: S S = C v ln (Р /Р) = C v ln (T /T). (.8) Зависимость энтропии от температуры имеет логарифмический характер. Изобарный процесс Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении, p=const, dp=0. Связь между конечными и начальными параметрами выражается законом Гей Люссака: в изобарном процессе объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре: V / V = T / T. (.9) Работа, которую выполняет газ при расширении, в данном случае определяется следующим образом: L = p (V - V). (.30) 6

28 Количество теплоты, затраченное на расширение газа при постоянном давлении, равно изменению энтальпии газа: q = h = С p (T - T). (.3) Изменение энтропии можно определить, зная изменение температур или объемов рабочего тела: S S = C р ln (v /v) = C p ln (T /T). (.3) Т V=const P=const Рисунок.3 ТS - диаграмма изобарного и изохорного процессов Сравним на TS -диаграмме два процесса (рис..3) изохорный (линия -) и изобарный (линия -). Из рис..3 видно, что при нагревании газа до одной и той же температуры при постоянном давлении требуется затратить больше тепла, чем при постоянном объеме. Изотермический процесс Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре, Т=const, dt=0. Связь между конечными и начальными параметрами выражается законом Бойля-Мариотта: при изотермическом сжатии давление газа возрастает, а при расширении падает: Р / Р = V /V или РV = const. (.33) Изменение внутренней энергии равно нулю, т.к. Т= const. 7

29 В изотермическом процессе все тепло, подводимое к газу, расходуется на выполнение полезной работы. Работа изотермического процесса определяется: l = p v ln (v / v) = R T ln (v / v). (.34) Изменение энтропии можно определить по формуле S S = R ln (v /v) = R ln (P /P). (.35) Адиабатный процесс Адиабатным называют процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой, q=const, dq=0. Для осуществления такого процесса следует либо теплоизолировать газ, либо провести процесс настолько быстро, чтобы изменение температуры газа, обусловленное теплообменом, было пренебрежительно мало по сравнению с изменением температуры, вызванным расширением или сжатием газа. Уравнение адиабаты имеет следующий вид: р v к = const или p v к = p v к, (.36) где к - показатель адиабаты, зависящий от природы газа. Сравним изотермический и адиабатный процессы на PVдиаграмме (рис..4). Графиком изотермического процесса в pvкоординатах, как показывает уравнение (.33), является равнобокая гипербола, для которой оси служат асимптотами. Поскольку к >, то линия адиабаты (-3) идет круче линии изотермы (-). Р 3 8 V

30 Рисунок.4 РV-диаграмма изотермического и адиабатного процессов Для определения связи между основными параметрами адиабатного процесса решим совместно уравнение Клапейрона и уравнение адиабаты для состояний. В результате получим: T T V V K P P K K. Работа расширения при адиабатном процессе согласно -му закону термодинамики совершается за счет уменьшения внутренней энергии: q = u + l = 0 ; l = - u = C v (T - T). (.37) Работу расширения в адиабатном процессе можно вычислить и по другой формуле: l = R (T T) / (к-) = (p v p v) / (к -). (.38) Энтропия рабочего тела в адиабатном процессе не изменяется, т.к. dq=0. Следовательно, на TS-диаграмме адиабатный процесс изображается вертикальной линией. Политропные процессы Имеется группа процессов, которые протекают при постоянной теплоемкости. Условились эти процессы называть политропными. Они описываются уравнением вида р v n = const, где n показатель политропы, может принимать любое численное значение в пределах от - до +, но для данного процесса эта величина постоянная. 9

31 Учитывая внешнее сходство уравнений политропы и адиабаты, можно связь между основными параметрами представить в следующем виде: T T V V n P P n n. формуле Работа расширения в политропном процессе определяется по l = R (T T) / (n-) = (p v p v) / (n -). (.39) Количество подведенного (или отведенного) тепла можно определить с помощью -го закона термодинамики: q = C v (n - к) (T T) / (n -) = C n (T T), где C n - теплоемкость идеального газа в политропном процессе. Изменение энтропии в политропном процессе: S S = С n ln (T / T). Политропный процесс имеет обобщающие значения, т.к. охватывает всю совокупность основных термодинамических процессов. Рассмотрим это на диаграммах рис..5. P n=± T n=0 n= n=к n= n=0 n=± n=к V S 30

32 Рисунок.5 Частные случаи политропного процесса Из рис..5 видно: для изобарного процесса - n=0, С n = C p ; для изотермического процесса - n=, С n = ; для адиабатного процесса - n = к, C n = 0; для изохорного процесса - n = ±, C n =C v. Процессы, находящиеся правее изохоры, характеризуются положительной работой, процессы, расположенные левее изохоры отрицательной работой. Процессы, расположенные правее и выше адиабаты, идут с подводом теплоты к рабочему телу, процессы, лежащие левее и ниже адиабаты, протекают с отводом теплоты. Для процессов, расположенных над изотермой,характерно увеличение внутренней энергии; процессы, расположенные под изотермой, сопровождаются уменьшением внутренней энергии...8 Вопросы для самоконтроля Охарактеризуйте равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые термодинамические процессы. Каким образом можно определить работу расширения? 3 Какими свойствами обладает PV-диаграмма? 4 Что характеризует внутренняя энергия рабочего тела и как ее можно рассчитать? 5 В чем заключается сущность -го закона термодинамики? 6 В чем заключается особенность -го закона термодинамики применительно к потоку газа? 7 Что характеризует энтропия рабочего тела и каким образом ее можно определить? Свойства TS-диаграммы. 3

33 8 Какие этапы включает в себя исследование термодинамических процессов идеальных газов? 9 Дать характеристику изохорных процессов. 0 Какова особенность изобарных процессов? Сравните эти процессы на TS-диаграмме. Охарактеризуйте изотермические процессы. Какова особенность адиабатных процессов? Сравните изотермический и адиабатный процесс на p-v-диаграмме. 3 Покажите на диаграммах обобщающее значение политропного процесса..3 Реальные газы.3. Свойства реальных газов Реальные газы отличаются от идеальных тем, что молекулы этих газов имеют конечные собственные объемы и связаны между собой силами взаимодействия, имеющими электромагнитную и квантовую природу. Отличие свойств реальных газов от идеальных исключило возможность применения к ним в чистом виде законов идеального газа. При практических расчетах различных свойств реальных газов находит широкое применение отношение (.40), которое получило название коэффициента сжимаемости (с): с = рv / R T. (.40) Коэффициент сжимаемости характеризует отклонение свойств реального газа от свойств идеального. Для идеальных газов при любых условиях с=, для реальных газов значение коэффициента сжимаемости в зависимости от давления и температуры может быть больше или меньше и только при очень малых давлениях и высоких температурах оно практически равно единице. 3

34 Одной из первых попыток аналитически описать свойства реальных газов является уравнение Ван-дер-Ваальса (873 г.). Им было введено две поправки в уравнение Клапейрона: a P (v b) v 33 RT, где a и b - постоянные для данного газа. Слагаемое а / v в первом множителе учитывает влияние сил взаимодействия молекул; во втором множителе b учитывает влияние объема молекул. Легко видеть, что применительно к идеальному газу это уравнение принимает вид уравнения состояния Клапейрона. Практически пользоваться уравнением Ван-дер- Ваальса нельзя, т.к. оно дает результаты, недостаточно точные для нужд современной техники. Наиболее точным является в настоящее время уравнение состояния реальных газов, разработанное М.П.Вукаловичем и Н.И.Новиковым (939 г.) При выводе своего уравнения авторы учитывали влияние ассоциации и диссоциации молекул под влиянием межмолекулярных сил взаимодействия: a (P)(v b) RT 3 m v где a,b - постояные уравнения Ван-дер-Ваальса, приведенные в справочных таблицах; c,m - коэффициенты, зависящие от природы газа, определяются экспериментально и приводятся в справочных таблицах. Однако для практических целей пользоваться этим, как и другими уравнениями состояния реального газа, неудобно вследствие сложности их и необходимости выполнения трудоемких вычислений. Обычно пользуются готовыми данными, например для vt C,

35 водяного пара существуют таблицы водяного пара и энтальпийноэнтропийные диаграммы водяного пара. Во многих отраслях народного хозяйства в качестве рабочих тел используются пары различных веществ (воды, аммиака, углекислого газа, фреонов и др.) и атмосферный воздух. Наиболее часто используемые - это водяной пар и атмосферный воздух..3. Водяной пар Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием. Испарением называют парообразование, которое происходит всегда при любой температуре со свободной поверхности жидкости или твердого тела. Сущность процесса испарения: отдельные молекулы, имеющие большие скорости, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры. Процесс кипения заключается в том, что если к жидкости подводить теплоту, то при некоторой температуре, зависящей от физических свойств рабочего тела и давления, наступает процесс парообразования как на свободной поверхности жидкости, так и внутри. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Процесс конденсации, так же как и процесс парообразования, протекает при постоянной температуре, если при этом давление не меняется. Если воду поместить в закрытый сосуд, то молекулы, испаряющиеся со свободной поверхности, будут заполнять пространство над жидкостью. Одновременно часть молекул будет 34

36 снова возвращаться в жидкость. В некоторый момент количество молекул, вылетающих из жидкости, будет равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость. В этот момент в пространстве над жидкостью будет находиться максимально возможное количество молекул. Пар в этом состоянии имеет максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным водяным паром, т.е. паром, соприкасающимся с жидкостью и находящимся в термическом с ней равновесии. С изменением температуры жидкости равновесие нарушается, вызывая соответствующее изменение плотности и давления насыщенного пара. Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные высокодисперсные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара определяется только одним параметром - давлением, или удельным объемом, или температурой. Насыщенный пар, в котором содержатся взвешенные высокодисперсные частицы жидкой фазы, равномерно распределенные по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром. Отношение массы сухого насыщенного пара к суммарной массе влажного насыщенного пара называется степенью сухости пара или паросодержанием (х): для кипящей жидкости - х = 0; для сухого насыщенного пара - х = ; для влажного насыщенного пара - 0 < x <. Массовая доля кипящей жидкости во влажном паре, равная (- х), называется степенью влажности пара. Состояние влажного пара определяется двумя параметрами: температурой (или давлением) и степенью сухости пара. Если сухому насыщенному пару сообщить некоторое количество теплоты при постоянном давлении, то температура его будет возрастать. Такой пар называют перегретым, он при данном 35

37 давлении имеет более высокую температуру и удельный объем, чем сухой насыщенный пар. Теперь, вспомнив основные понятия, можно приступить к рассмотрению PV диаграммы процесса парообразования. Фазовая PV- диаграмма системы, состоящей из жидкости и пара, представляет собой график зависимости удельных объемов воды и пара от давления (рис..6). Р, Па Е К P N S A A B D В v 0 А v v v Рисунок.6 PV-диаграмма водяного пара Пусть вода при 0 о С и некотором давлении Р занимает удельный объем v 0 (отрезок NS). Вся кривая АЕ выражает зависимость удельного объема воды от давления при температуре 0 0 С. Кривая АЕ практически параллельна оси ординат, т.к. вода - вещество практически несжимаемое. Если при P=const сообщать воде теплоту, то ее температура и удельный объем будут расти. При некоторой температуре t н вода закипает, а ее удельный объем v` в точке A достигнет при данном давлении максимального значения. Кривая АК - зависимость удельного объема кипящей воды от давления, ее называют пограничной кривой жидкости (нижняя 36

38 пограничная кривая). Характеристикой кривой АК является степень сухости х=0. При дальнейшем подводе теплоты при P=const начнется процесс парообразования. При этом количество воды уменьшается, а количество пара растет. В момент окончания парообразования в точке В пар будет сухим насыщенным. Если процесс парообразования протекает при P=const, то температура его не изменяется и процесс А В является одновременно изобарным и изотермическим. Кривая КВ выражает зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления, называется пограничной кривой газа (верхняя пограничная кривая). Характеристикой кривой КВ является степень сухости х=. Точка А соответствует состоянию кипящей жидкости в тройной точке (t 0 =0.0 о C), а изобара АВ соответствует состояниям равновесия всех трех фаз, она практически сливается с осью абсцисс (Р 0 =0.006 бар). Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту при P=const, то его температура и объем будут расти, а пар из сухого насыщенного перейдет в перегретый (точка D). На диаграмме можно выделить следующие характерные зоны: между осью ординат и изотермой ЕА - "вода + лед"; между ЕА и нижней пограничной кривой АК - "жидкость"; между нижней и верхней пограничными кривыми АК и КВ - "вода + пар"; вправо и вверх от КВ - "перегретый пар". Точку А (вода находится одновременно в жидком, твердом и газообразном состояниях) называют тройной точкой воды, ее параметры: Р 0 = бар, Т = 0.0 о C, V 0 = 0.00 м 3 / кг. 37

39 Верхняя и нижняя пограничные кривые сходятся в одной точке К, которую называют критической точкой. Критическая точка является конечной точкой фазового перехода «жидкость пар», начинающегося в тройной точке воды. Выше этой точки существование вещества в двухфазном состоянии невозможно. Параметры критической точки для воды: T к = 374. о С; v к = м 3 /кг; p к =.5 МПа. Для практических расчетов теплоэнергетических процессов, в которых используется водяной пар, требуются термодинамические параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара. Эти данные берут из таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара, которые получены расчетами по уравнению Вукаловича- Новикова. В этих таблицах величины со штрихом относятся к воде, нагретой до температуры кипения, а величины с двумя штрихами - к сухому насыщенному пару. За нулевое состояние, от которого отсчитываются величины энтальпии и энтропии, условно принято состояние воды в тройной точке. Количество теплоты, затраченное на парообразование кг воды при температуре кипения до сухого насыщенного пара, называется удельной теплотой парообразования и обозначается - r, кдж/кг. Состояние кипящей воды и сухого насыщенного пара определяется только одним параметром, поэтому по известному давлению или температуре по таблице можно определить все эти значения. Удельная внутренняя энергия определяется из общей формулы для энтальпии: u = h p v. 38

40 Термодинамические величины влажного насыщенного пара определяются по правилу аддитивности: v x = x v + (x) v = v + x (v v); h x = h + x (h h) = h + r x; s x = s + x (s s) = s + r x/ T н; u x = h x p v x. Теперь рассмотрим TS-диаграмму процесса парообразования при заданном давлении Р (рис.7). Т, К Д В М С 73 А Т н S S x S S S, кдж/кг Рисунок.7 TS-диаграмма водяного пара при постоянном давлении На диаграмме линия АВ характеризует изменение энтропии воды в изобарном процессе; точка В - кипящая вода, параметры S` и T н - при данном давлении. Количество теплоты, затраченное на нагрев воды до температуры кипения, эквивалентно площади под кривой АВ, с некоторым допущением она равна удельной энтальпии кипящей воды h. 39

41 Линия ВС характеризует процесс парообразования (P=const, T=const).Количество теплоты, подведенное при парообразовании и равное r, определяется площадью под кривой ВС: r = T н (S S). Точка С характеризует конец парообразования - состояние сухого насыщенного пара. Если в конце испарения получаем влажный пар (например, точка М) со степенью сухости х, то количество теплоты определяется площадью под линией ВМ: (Sx S) T н = r x. Степень сухости можно найти из соотношения x = ВМ / ВС = (Sx S) / (S S). Линия СД характеризует нагрев сухого насыщенного пара, т.е. получение перегретого пара. Теплота, которая при этом затрачивается, равна площади под кривой СД. В общем, для любого давления TS-диаграмма водяного пара имеет следующий вид (рис..8). Т К Р х=0 Р Р 3 А В х=0. х=0.9 х=.0 40 S

42 Рисунок.8 ТS-диаграмма водяного пара На диаграмме точка А соответствует тройной точке воды (S 0 =0, T 0 =73,6 К); линия АК характеризует нижнюю пограничную кривую, соответствует кипящей воде; линия КВ-верхняя пограничная кривая, соответствует сухому насыщенному пару. Левее линии АК находится область жидкостей, между линиями АК и КВ - двухфазная область влажного насыщенного пара, вправо и вверх от линии КВ - область перегретого пара, точка К-критическая точка. Линия АВ - нулевая изотерма-изобара, ниже которой вода находится в виде льда и пара. На диаграмму наносят изобары, изохоры и линии постоянной степени сухости. На TS-диаграмме площадь под кривой процесса эквивалентна количеству теплоты, подведенной или отведенной от рабочего тела. Достаточно широко применяется диаграмма при теоретических исследованиях. Энтальпийно-энтропийная диаграмма водяного пара Эта диаграмма впервые предложена Молье. Достоинством диаграммы является то, что техническая работа и количество теплоты изображаются отрезками линий, а не площадями, как в TSдиаграмме. Диаграмма строится путем переноса числовых данных таблиц водяного пара в TS-координаты (рис..9). За начало координат принято состояние воды в тройной точке (s 0 =0; h 0 =0). Откладывая на диаграмме для различных состояний значения энтальпии и энтропии для воды при температуре кипения и сухого насыщенного пара, получают нижнюю и верхнюю пограничные кривые. Линии изобар-изотерм в области влажного пара представляют собой веер прямых наклонных линий, тангенс угла наклона которых 4

43 равен абсолютной температуре данного состояния. Крайняя изобара критического давления идет наиболее круто. Отсюда следует, что точка К лежит не на вершине, как в TS-диаграмме, а на левом склоне пограничной кривой. h, кдж/кг Р Р Т Р 3 Т Р 4 К Т 3 Т 4 В A S, кдж/ (кг К) Рисунок.9 hs-диаграмма водяного пара В области перегретого пара изобары и изотермы расходятся, изобары имеют логарифмическую зависимость, а изотермы постепенно переходят в горизонтальные прямые. На диаграмме наносят также линии постоянного объема, идущие круче изобар (пунктирные линии, на рис..9 не показаны). Рассмотрим, сколько необходимо знать параметров системы, чтобы однозначно определить ее положение на диаграмме: в области влажного пара - параметра: х и Р(Т) ; кипящая вода (линия АК) - параметр: Р(Т) ; сухой насыщенный пар (линия КВ) - параметр: Р(Т); перегретый пар - параметра: Р и Т. 4

44 Обычно всю диаграмму не выполняют, а строят только ее верхнюю часть, наиболее употребимую в практике расчетов. Это дает возможность изображать ее в более крупном масштабе. Для анализа работы паросиловых установок существенное значение имеют изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Расчеты этих процессов можно выполнить либо с помощью таблиц воды и водяного пара, либо с помощью hsдиаграммы. Первый способ более точен, но второй более прост и нагляден. Общий метод расчета по диаграмме заключается в следующем. По известным параметрам наносится начальное состояние рабочего тела, затем проводится линия процесса и определяются его параметры в конечном состоянии. Далее вычисляется изменение внутренней энергии, определяется количество теплоты и работы в данном процессе..3.3 Атмосферный воздух. h-d-диаграмма влажного воздуха В качестве рабочего тела широко используют влажный воздух. Влажный воздух - это смесь сухого воздуха и водяного пара. Он имеет одну особенность, в отличие от других газовых смесей: при одних и тех же температуре и давлении воздух может содержать разное количество водяного пара. Основные характеристики влажного воздуха: Абсолютная влажность - количество водяного пара в м 3 влажного воздуха, численно равное плотности пара (ρ п) при его парциальном давлении (Р п). Согласно закону Дальтона общее 43

45 давление влажного воздуха состоит из парциального давления водяного пара (Рп) и парциального давления сухого воздуха (Р в). Относительная влажность (φ) - отношение действительной абсолютной влажности ρ п к максимально возможной абсолютной влажности ρ п max при той же температуре: φ = ρ п / ρ п max. Для сухого воздуха φ =0, для насыщенного (смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара) φ =. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом. Температура, до которой нужно охладить ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал насыщенным, называется температурой точки росы. При охлаждении ниже данной температуры происходит конденсация водяного пара. Поэтому температуру точки росы часто используют как меру содержания в воздухе воды в парообразном состоянии. Ее определяют с помощью гигрометра. Влагосодержание воздуха - отношение массы водяного пара (m п), содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха (m B): d = m п / m B. Единицы измерения влагосодержания кг / кг или г / кг. Влагосодержание, в г / кг, можно рассчитать по уравнению d = 0.6 Р n / (P - P n), где Р п - парциальное давление пара, Па; Р - общее давление, Па. Из уравнения видно, что с увеличением парциального давления пара влагосодержание увеличивается. Максимальное влагосодержание зависит от температуры и давления влажного воздуха. 44

ТЕПЛОФИЗИКА План лекции: 1. Термодинамика (основные положения и определения) 2. Внутренние параметры состояния (давление, температура, плотность). Уравнение состояния идеального газа 4. Понятие о термодинамическом

ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Политропные процессы. Работа и теплота политропного процесса 3. Исследование политропных процессов 4. Определение показателя политропы 5. Характеристики политропных процессов

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Техническая термодинамика (основные положения и определения) 2. Внутренние параметры состояния (давление, температура, плотность). Понятие о термодинамическом

Сегодня среда, 9 июля 04 г. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Лекция 4 Содержание лекции: *Обратимые и необратимые процессы *Число степеней свободы молекулы *Закон Больцмана *Первое начало термодинамики

Лекция 6. Водяной пар и паровые процессы Водяной пар один из наиболее распространенных в теплотехнике газов. Он встречается в различных состояниях. В одних случаях, как это имеет место в процессах горения,

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Опыты Эндрюса. Критические параметры состояния 2. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении. Влажный воздух Лекция 14 1. ОПЫТЫ ЭНДРЮСА. КРИТИЧЕСКИЕ

Практическое занятие 4 Термодинамические процессы 5 марта 2016 Процессы идеальных газов: 1) Изохорный, происходящий при постоянном объеме газа (V=const); 2) Изобарный, происходящий при постоянном давлении

3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 Параметры состояния тела 5. Удельный объем и плотность 5.2 Давление 5.3 Температура 6 2 Идеальный газ, уравнение состояния идеального газа 7 3 Газовые смеси 9 3. Понятие о газовой

1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Основные положения и определения Два подхода к изучению вещества Вещество состоит из огромного числа микрочастиц - атомов и молекул Такие системы называют макросистемами

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ТЕРМОДИНАМИКА Распределение Максвелла Начала термодинамики Цикл Карно Распределение Максвелла В газе, находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Анализ уравнения первого закона термодинамики. Политропные процессы 3. Работа и теплота политропного процесса 4. Исследование политропных процессов 5. Определение

Теоретическая справка к лекции 3 Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) Газы принимают форму сосуда и полностью заполняют объѐм, ограниченный непроницаемыми для газа стенками Стремясь расшириться,

Основы термодинамики и молекулярной физики 1 Первое начало термодинамики. Теплоемкость как функция термодинамического процесса. 3Уравнение Майера. 4 Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. 5 Обратимые

Лекция 4 Основные положения молекулярнокинетической теории строения вещества. Термодинамические системы. Энтропия. Все вещества состоят из атомов и молекул. Атом наименьшая структурная единица химического

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Взаимодействие системы с окружающей средой. Уравнение первого закона термодинамики. Основные термодинамические процессы 3. Основные положения второго закона 4. Термодинамические

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Уравнение состояния реальных газов и паров. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении. Парогазовые смеси. Влажный воздух 4. Цикл воздушной холодильной

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Лекция 7 ТЕПЛОЕМКОСТЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Термины и понятия Возбудить Вымерзать Вращательная степень свободы Вращательный квант Высокая температура Дискретный ряд значений Классическая теория теплоемкости

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие......................................... 5 1. Основы технической термодинамики................... 6 1.1. Основные понятия и определения.................... 6 1.1.1. Параметры состояния

ТЕРМОДИНАМИКА Лекция План лекции:. Основные положения и определения термодинамики (термодинамическая система, термодинамический процесс, параметры состояния) 2. Внутренние параметры состояния (давление,

63 Лекция Основы термодинамики гл 9 5-54 План лекции Основные понятия термодинамики Число степеней свободы молекулы Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы 3 Внутренняя энергия

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Лекция 12 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА Термины и понятия Абсолютная температура газа Вакуум Длина свободного пробега Законы идеального газа Идеальный газ Изобара Изобарический

Температура 1. Термометрическое вещество и термометрическая величина (свойство). 2. Температура и давление 3. Постоянная Больцмана. Температура 2 m0 < v кв > p = n Из уравнения 3 2 следует, что давление

Условие задачи Решение 2.Молекулярная физика и термодинамика 7. Распределение Максвелла и Больцмана. Формула Больцмана характеризует распределение частиц, находящихся в состоянии хаотического теплового

Лекция 4. Термодинамические свойства и процессы реальных газов. Водяной пар и влажный воздух. 1. Уравнение состояния реальных газов. Газовые смеси. Реальные газы отличаются от идеальных тем, что их молекулы

ВОДЯНОЙ ПАР Основные понятия Газообразные тела (с примесью одноименной жидкости в виде взвешенных мелкодисперсных частиц или без нее) принято называть парами. Все пары являются реальными газами и подчиняются

Лекция 11 Кинетическая теория идеальных газов. Давление и температура. Опытные законы идеального газа. Молекулярно - кинетическая теория раздел физики, изучающий свойства вещества на основе представлений

Вариант 1. 1. Можно ли использовать статистические методы при изучении поведения микроскопических тел? Почему? 2. Может ли единичная молекула находиться в состоянии термодинамического равновесия? 3. Если

Газовые законы. Уравнение Клапейрона Менделеева (Лекция 1а, 2015-2016 учебный год) Температура и способы ее измерения Из повседневного опыта каждый знает, что бывают тела горячие и холодные. Опыты и наблюдения

6 Молекулярная физика и термодинамика Основные формулы и определения Скорость каждой молекулы идеального газа представляет собой случайную величину. Функция плотности распределения вероятности случайной

Лекция 4 Кинетическая теория идеальных газов. Давление и температура. Опытные законы идеального газа. Основное уравнение молекулярнокинетической теории газов. Адиабатический процесс. Термодинамика Термодинамика

Московский государственный университет им.м.в.ломоносова Химический факультет Успенская И.А. Конспект лекций по физической химии (для студентов биоинженерии и биоинформатики) www.chem.msu.ru/teaching/uspenskaja/

ВАРИАНТ 1 1. Два сосуда емкостью 0,2 и 0,1 л разделены подвижным поршнем, не проводящим тепло. Начальная температура газа в сосудах 300 К, давление 1,01 10 5 Па. Меньший сосуд охладили до 273 К, а больший

Лекция 10 Изопроцессы. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Работа и теплота в изопроцессах. Нурушева Марина Борисовна старший преподаватель кафедры физики 03 НИЯУ МИФИ Уравнение Менделеева

9. Примеры применения второго начала термодинамики Пример. огда газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большим запасом внутренней энергии: в момент проскакивания электрической искры или

Глава 6 Основы термодинамики 9 Число степеней свободы молекулы Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул Внутренняя энергия U это энергия хаотического движения микрочастиц системы

ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Взаимодействие системы с окружающей средой 2. Уравнение первого закона термодинамики 3. Анализ уравнения первого закона термодинамики 4. Термодинамические процессы (равновесие

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Введение. Основные положения термодинамики (термодинамическая система, термодинамический процесс). Параметры состояния (давление, температура, плотность) 4. Уравнение

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Термодинамика это наука, изучающая условия превращения различных видов энергии в тепловую и обратно, а также количественные соотношения, наблюдаемые при этом

5.4. Термодинамические процессы воды и водяного пара При анализе процессов изменения состояния воды и водяного пара следует иметь в виду, что все отмеченные здесь особенности характерны для расчета процессов

Профессор Сабылинский АВ Лабораторная работа - ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ОБЪЁМЕ МЕТОДОМ КЛЕМАНА-ДЕЗОРМА Студент: группа: Допуск Выполнение Защита Цель работы:

ФИЗИКО--ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Кафедра «Общая и теоретическая физика» Потемкина С.Н. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 7 ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА Тольятти 7 Содержание. Цель работы...3. Приборы

Практическое занятие 5 Термодинамические процессы Процессы идеальных газов: 1) Изохорный, происходящий при постоянном объеме газа (V=const); 2) Изобарный, происходящий при постоянном давлении (p=const);

Лекция 2 Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Политропные процессы Внутренняя энергия. Как известно, в механике различают кинетическую энергию движения тела как целого, потенциальную энергию тел

Лабораторная работа Определение отношения теплоемкостей газа Цель работы: Найти величину отношения C P /C V для воздуха. Оборудование: Закрытый стеклянный баллон с двумя трубками и краном; манометр; ручной

Education Quality Assurance Centre Институт Группа ФИО MODULE: ФИЗИКА (ТЕРМОДИНАМИКА_МОДУЛЬ 2) Ответ Вопрос Базовый билет Нас 1 2 Броуновское движение это движение 1) молекул жидкости 3) мельчайших частиц

Итоговый тест, Машиноведение (Теплотехника) 1. Идеальный газ отдал количество теплоты 300 Дж и при этом внутренняя энергия газа уменьшилась на 100 Дж. Работа, совершенная газом, равна 1) 400 Дж 2) 200

Физико-технический факультет Теория: Молекулярная физика. Термодинамика Шимко Елена Анатольевна к.п.н., доцент кафедры общей и экспериментальной физики АлтГУ, председатель краевой предметной комиссии по

Основы термодинамики и молекулярной физики Термодинамический цикл. Цикл Карно. 3 Второй закон термодинамики. 4 Неравенство Клаузиуса. 5 Энтропия системы. Тепловая машина Циклически действующее устройство,

Общая физика (молекулярная физика и термодинамика) Глава 3. Элементы термодинамики к.ф.-м.н., доцент Андрей Юрьевич Антонов направление 27.03.03 «Системный анализ и управление» 1. Основные законы термодинамики

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Условия устойчивости и равновесия в изолированной однородной системе. Условия фазового равновесия 3. Фазовые переходы Лекция. УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И РАВНОВЕСИЯ В

РАБОТА 2 ИЗУЧЕНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ ВОЗДУХА Цель работы: проверить выполнение закона Бойля-Мариотта при изотермических процессах. Введение Термодинамика имеет дело с термодинамической

Лекция 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Основные понятия Термодинамика является феноменологической теорией макроскопических систем, поэтому вcе её основные понятия берутся непосредственно из эксперимента. Термодинамическая

1 Лабораторная работа 601 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ВОЗДУХА Теоретическое введение Теплоемкостью тела называется величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания данного тела

Банк заданий. Изменение агрегатных состояний вещества. Газовые законы. Тепловые машины. 2.1. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха. К каждому из заданий даны 4 варианта ответа, из

1. Основные понятия и определения

1.1. Введение

Теплотехника - наука, которая изучает:

Методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты;

Принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Различают энергетическое и технологическое использование теплоты.

При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в электрических машинах - генераторах - создается электрическая энергия. Теплоту при этом получают на котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом использовании с помощью теплоты изменяют свойства тел (расплавление, затвердевание, изменение структуры и свойств).

Теоретическая основа теплотехники - термодинамика (ТД) - рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты и работы. ТД устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах , а также свойства этих тел при различных физических условиях.

Термодинамика опирается на два основных закона (начала) термодинамики .

Техническая ТД, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей и исследовать протекающие в них процессы.

Один из теоретических разделов теплотехники - технические основы теории теплообмена . В этом разделе исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты.

1.2. Термодинамическая система

Объект исследования ТД - термодинамическая система , которой могут быть группа тел, тело или часть тела. Находящееся вне системы называется её окружающей средой.

ТД система - это совокупность макроскопических тел, способных обмениваться энергией и веществом друг с другом и окружающей средой. Например, ТД система - это газ, находящийся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда - цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Закрытая система - ТД система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом, в отличие от открытой системы , которая обменивается с другими телами и энергией и веществом.

Изолированная система - система, не взаимодействующая с окружающей средой(не обменивающаяся с окружающей средой ничем).

Адиабатная (теплоизолированная) система - система с адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой.

Однородная система - система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

Гомогенная система - однородная по составу и физическому строению система, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

Гетерогенная система - система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел - газа, пара.

Теплотехника -это наука изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты. Тепловая энергия получается при сжигании органических вешеств, называемых топливом.

Основы теплотехники составляют.

1. Термодинамика - наука, изучающая превращение энергии тепла в другие вилы энергии (например: тепловая энергия в механическую, хими­ческую и т. д.)

2. Теплопередача - изучает теплообмен между двумя теплоносите­лями через поверхность нагрева.

Рабочим телом называется теплоноситель, с помощью которого про­исходит превращение тепловой энергии в механическую, т. е. совершают работу (например, пар в паровом насосе).

В котельной теплоносителем (рабочим телом) является горячая вода и водяной пар с температурой до 150°С или водяной пар с температурой до 250°С. Для отопления жилых и обще­ственных зданий используется горячая вода, это связано, с санитарно-гигиеническими условиями, возможностью легкого изменения ее темпера­туры в зависимости от температуры наружного воздуха. Вода обладает значительной плотностью по сравнению с паром, что позволяет передавать на большие расстояния значительное количество тепла при небольшом объеме теплоносителя. В систему отопления зданий вода подается с тем­пературой не выше 95°С во избежание пригорания пыли на приборах ото­пления иожогов от систем отопления. Пар используется для отопления промышленных зданий и в производственно-технологических системах.

Котельная- комплекс, связанных тепловых энергоустановок предназначенных для выработки теплоты.

Котельная установка =котельный агрегат+ вспомогательное оборудование.

Котельный агрегат=котел(паровой или водогрейный)+ экономайзер.

Вспомогательное оборудование - дымосос,вентилятор, питательный насос, топливное хозяйство (мазутное хозяйство или газовое) ХВП и КИПиА.

Котельные делятся на:

1. Отопительные, вырабатывающие тепло для отопления, вентиляции
и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, а также для
промышленных и коммунальных предприятий.

2. Отопительно-производственные, вырабатывающие тепло для отоп­ления, вентиляции и горячего водоснабжения, а также для технологических целей.

3. Производственные, вырабатывающие тепло только для технологических целей.

Технологический процесс производства пара : топливо при помощи горелочных устройств поступает в топку котла где сгорает. Воздух необходимый для горения топлива подается в топку дутьевым вентилятором, образовавшиеся дымовые газы отдав часть своего тепла поверхностям нагрева, расположенным в топку (радиоционным) поступают на конвективные поверхности нагрева, охлаждаются и дымососом удаляются в атмосферу газозаборником в дымовую трубу.

Поверхности нагрева в котле- стенки труб. Внутри труб движется вода, снаружи трубы омываются дымовые газами. Через стенки труб происходит теплообмен, газы отдают тепло воде. В верхнем барабане вода кипит и получается насыщенный пар между котлом и дымососом установлен водяной экономайзер (теплообменник, для использования тепла в дымовых газах. Поверхности нагрева называют еще хвостовыми. Вода для питания котлов специально готовится ХВП и подается в верхний барабан питательным насосом. Котельная работающая на жидком топливе специальное мазутное хозяйство.

Параметры рабочего тела

Теплоноситель, получая илиотдавая тепловую энергию, изменяет свое состояние.

Например: Вода в паровом котле нагревается, превращается в пар. ко­торый имеет определенную температуру и давление. Пар поступает в па­роводяной подогреватель, сам охлаждается, превращается в конденсант Температура нагреваемой воды увеличивается, температура пара и конден­сата понижается.

Основными параметрами рабочего тела являются температура, давление, удельный объем, плотность.

1.Температура - это степень нагретости тела, определяет направление са­мопроизвольной передачи тепла от более нагретого к менее нагретому те­лу (мера средней кинетической энергии молекул вещества).

Передача тепла будет иметь место до того момента пока температуры не станут равными, т. е. наступит температурное равновесие. Температура измеряется в градусах.

Используются две шкалы: международная-Кельвина и практическая Цельсия t °С.

За ноль в этой шкале принята температура плавления льда,за сто градусов –температура кипения воды при атм. давлении (760 мм рт. ст.).

За начало отсчета в термодинамической шкале температур Кельвина применят абсолютный нуль (низшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул). Обозначается Т.

1 Кельвин по величине равен 1° шкалы Цельсия

Температура таяния льда равна 273К. Температура кипения воды равна 373К

Т=t + 273; t = T-273

Температура кипения зависит от давления.

Например, При Р а, c = 1,7 кгс/см 2 . Вода кипит при t = 115°С.

2. Давление - эта сила, действующая перпендикулярно на единицу площади поверхности тела.

Давление силы, равной 1Н, равномерно распределенное на поверх­ности 1м 2 принято за единицу давления и равно 1Па (Н/м 2) в системе СИ.

В технике применяются более крупные единицы измерения

1кПа=10 3 Па 1МПа=10 б Па 1ГПа=10 9 Па

Вне системные единицы измерения давления кгс/м 2 ; кгс/см 2 .

1 кгс/м 2 = 1 мм.в ст =9,8 Па

1 кгс/см 2 = 9,8 . 10 4 Па ~ 10 5 Па = 10 4 кгс/м 2

Давление не редко измеряют в физических и технических атмосферах. Физическая атмосфера - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С

1атм = 1,01325 . 10 5 Па = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод. ст = 1,0330 мм в. ст. = 1,033 кгс/ см 2 .

Техническая атмосфера (ат)

1ат = 735 мм рт. ст. = 10 м. в. ст. = 10.000 мм в. ст. = =0,1 МПа= 1 кгс/см 2

1 мм в. ст. - сила, равная гидростатическому давлению водяного сто­лба высотой в 1 мм на плоское основание 1мм в. ст = 9,8 Па.

1 мм. рт. ст - сила, равная гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание. 1 мм рт. ст. = 13,6 мм. в. ст.

В технических характеристиках насосов вместо давления употреб­ляется термин напор.

Единицей измерения напора является м. вод. ст.

Например: Напор создаваемый насосом равен 50 м вод. ст. это значит, он может поднять воду на высоту 50 м.

Давление в закрытых сосудах и трубопроводах различают: избыточ­ное, разрежение (вакуум), абсолютное, атмосферное

Атмосферное давление - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С и нормальном атмосферном Р =760 мм. рт. ст.

Избыточное давление - давление выше атмосферного (в замкнутом объеме).В котельных под избыточным давлением находятся вода, пар в котлах и трубопроводах. Р ИЗб. измеряется приборами манометрами.

Разрежение - давление в замкнутых объемах меньше атмосферного (вакуум). Топки и дымоходы котлов находятся под разрежением.Разрежение измеряется приборами тягомерами.

Абсолютное давление - избыточное давление или разрежение с уче­том атмосферного давления.

Рабс = Р атм +Ризб

Рабс = Р атм -Рразр

Например: Р И3б в барабане котла ДКВр = 13 кгс/см 2 ; Р гбс = 13 + 1 = = 14 кгс/см 2 .

Р вак в деаэраторе = 0,3 кгс/см 2 ; Рабс = 1 - 0,3 = 0,7 кгс/см 2

В технике принято:

Р атм= 1 кгс/см 2 или 1 атмосфера

Для котлов имеются такие виды Р как:

1). Расчетное Р –максимально избыточное давление на котором производится расчет прочность элементов котла.

2). Рабочее – максимально избыточное Р в котле при котором обеспечивается длительная работа котла при нормальных условиях эксплуатации.

3). Разрешенное Р- максимально допустимое Р в котле после технологического осведительствования.

4). Пробное Р- избыточное Р которым производят гидравлические испытания элементов котла на прочность и плотность (техн. освидетельствование)

3. Плотность - отношение массы вещества к его объему.

Где V- объем занимаемый массой(м 3)

m- масса вещества (кг)

Теплота.

Теплота -энергия, которая может передаваться от более нагретого те­ла к менее нагретому при соприкосновении или излучением.Перенос теплоты от твердого тела (стенки) к обтекающей его жидкости или газу называется теплопередачей.

В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Джоуль(Дж). Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).

1 ккал. = 1000 кал. 1 Мкал= 10 6 кал 1 Гкал. = 10 9 кал

Теплота -энергия, которая может передаваться от более нагретого те­ла к менее нагретому при соприкосновении или излучением.

В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Дж. Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).

1 ккал. = 1000 кал. 1 Мкал= 10 6 кал 1 Гкал. = 10 9 кал

1 килокалория-это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1°С при нормальном атмосферном давлении.

1 кал. - количество теплоты для нагрева 1 г Н 2 О на 1°С при

Р = 760 мм. рт.ст.

1 кал. =4,19Дж

1 к.к ал. = 4,19 кДж кВт . ч = 860 ккал