Основи теплотехніки
Предмет та метод технічної термодинаміки. Термодинамічний стан та термодинамічний процес. Термічні та калоричні параметри стану. Закони бездоганних газів. Робота зміни обсягу газу. Обчислення роботи у термодинамічному процесі.
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
ЧАСТИНА 1. ТЕХНІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА
Тема 1. ОСНОВНІ ТЕРМОДИНАМІЧНІ ПОНЯТТЯ І ЗАКОНИ
1.1 Предмет та метод технічної термодинаміки
Історично термодинаміка виникла як наука, що вивчає перехід теплоти у механічну роботу, що диктувалося необхідністю дати теоретичні засади роботи теплових машин.
Принцип побудови термодинаміки є досить простим. В її основу покладено три експериментальні закони та рівняння стану: перший закон (перший початок термодинаміки) - закон збереження та перетворення енергії; другий закон (друге початок термодинаміки) показує напрям, яким протікають природні явища у природі; Третій закон (третій початок термодинаміки) стверджує, що абсолютний нуль температури недосяжний.
1.2 Термодинамічна система
Термодинамічна система - тіло (сукупність тіл), здатне (здатних) обмінюватися з іншими тілами (між собою) енергією та речовиною.
Термодинамічна система має межі, що відокремлюють її від довкілля. Межі термодинамічної системи може бути як реальними (газ у резервуарі, межа розділу фаз), і суто умовними як контрольної поверхні.
Термодинамічна система може енергетичновзаємодіяти з навколишнім середовищем та іншими системами, і навіть обмінюватися із нею речовиною. Залежно від умов взаємодії з іншими системами розрізняють ізольовану, замкнуту, відкриту та адіабатно ізольовану термодинамічні системи.
Термодинамічна система, яка не може обмінюватися енергією та речовиною з іншими системами, називається ізольованою. У такій системі окремі частини (підсистеми) можуть взаємодіяти між собою. Термодинамічна система називається закритою, якщо вона може обмінюватися речовиною коїться з іншими системами. Термодинамічні системи, які можуть обмінюватися речовиною коїться з іншими системами, називаються відкритими.
Термодинамічна система, яка не може обмінюватися теплотою з іншими системами (довкіллям), називається теплоізольованою або адіабатно ізольованою.
З довкіллям термодинамічна система може енергетично взаємодіяти за допомогою передачі теплоти та роботи.
За роллю окремих тіл, що входять до термодинамічної системи, їх ділять на робочі тіла (РТ), джерела теплоти (ІТ) та об'єкти роботи (ОР).
Робочими тілами є, як правило, газоподібні речовини – гази та пари, які здатні значно змінювати свій обсяг при зміні зовнішніх умов.
У тих станах, коли можна знехтувати впливом сил взаємодії між молекулами та обсягом самих молекул (сильно нагрітий газ при невеликих тисках), газ називають ідеальним. Інакше газ називається реальним.
Робоче тіло в тепловій машині отримує або віддає теплоту, взаємодіючи з більш нагрітими або холоднішими зовнішніми тілами. Такі тіла звуться джерел теплоти.
Тіло, яке віддає теплоту робочому тілу та не змінюєсвою температуру називається верхнім джерелом теплоти (ВІТ) або тепловіддавачем. Тіло, яке отримує теплоту від робочого тіла та не змінює свою температуру, називається нижнім джерелом теплоти (НІТ) або теплоприймачем.
1.3 Термодинамічний стан та термодинамічний процес
Сукупність фізичних властивостей системи у умовах називають термодинамическим станом системи.
Розрізняють рівноважний (стаціонарний) і нерівноважний (нестаціонарний) стан термодинамічної системи.
Макроскопічні величини (тобто величини, що характеризують тіло загалом), що характеризують фізичні властивості тіла у цей час, називаються термодинамическими параметрами стану. Останні поділяються на інтенсивні (не залежні від маси тіла) і екстенсивні (пропорційні масі тіла).
До основних параметрів стану, що піддаються безпосередньому виміру простими технічними засобами, відносяться абсолютний тиск, питомий об'єм та абсолютна температура. Ці три параметри звуться термічних параметрів стану.
До параметрів стану відносяться також внутрішня енергія, ентальпія та ентропія, які звуться калоричних параметрів стану.
Рівноважним станом термодинамічної системи називається такий стан, який характеризується за постійних зовнішніх умов незмінністю параметрів у часі та відсутністю в системі потоків. Стан термодинамічної системи, у якому в її частинах температура однакова, називають термічним рівноважним станом.
Ізольована термодинамічна система незалежно від свого початкового стану з часом завжди входить у стан рівноваги. Ніколи мимоволі вийтиз нього система не може (основний постулат термодинаміки - нульовий початок).
Стан термодинамічної системи, при якому значення параметрів у всіх частинах її залишаються незмінними в часі завдяки зовнішньому впливу потоків речовини, енергії, імпульсу, заряду тощо, називається стаціонарним. Якщо значення параметрів змінюються у часі, стан термодинамічної системи називається нестаціонарним.
Будь-яка зміна в термодинамічній системі, пов'язана зі зміною хоча б одного з її параметрів, називається термодинамічний процес. Якщо одна система здійснює роботу над іншою системою за допомогою механічних та електричних сил, то взаємодія називається механічною. Взаємодія, що призводить до зміни енергії і відбувається у формі передачі теплоти за допомогою теплопровідності або теплової радіації, називається тепловою. Взаємодія, що веде до зміни енергії і вчиняється у формі передачі маси, називається масообмінним.
Розрізняють рівноважні та нерівноважні процеси.
Рівноважним процесом називається термодинамічний процес, що є безперервною послідовністю рівноважних станів. У цьому процесі фізичні параметри змінюються нескінченно повільно, отже система постійно перебуває у рівноважному стані. Крім того, всі частини системи мають однакові температуру та тиск.
Нерівноважним процесом називається термодинамічний процес, що є послідовністю станів, серед яких не всі є рівноважними. У нерівноважному процесі різні частини системи мають різні температури, тиск, щільність, концентрації.
Якщо термодинамічна система виведена зі стану рівноваги та надана сама собі, то через деякий проміжокчасу вона знову прийде у стан рівноваги. Процес переходу системи з нерівноважного стану до рівноважного називається релаксацією, а час переходу у стан рівноваги - часом релаксації.
1.4Термічні та калоричні параметри стану
До термічних параметрів стану відносяться тиск, об'єм, температура.
До калоричних параметрів стану належать такі основні термодинамічні величини: ентропія, внутрішня енергія та ентальпія
1.4.1 Термічні параметри стану
Тиск - фізична величина, чисельно рівна відношенню нормальної складової сили до площі, на яку діє ця сила.
Одиницею тиску в СІ є паскаль - тиск, що викликається силою в 1 Н, рівномірно розподіленою поверхнею площею 1 м2 (1Па=1 Н/м2). Часто доводиться вимірювати тиск висотою стовпа будь-якої рідини (води, ртуті та ін.).
У табл. 1.1 наведені співвідношення між одиницями вимірювання тиску, що раніше застосовувалися, і одиницями тиску в СІ.
Розрізняють атмосферний, або барометричний, тиск, абсолютний тиск, манометричний, або надлишковий, розрідження, або вакуум.
Тиск, створюваний атмосферним повітрям, називається барометричним, або атмосферним.
Абсолютним тиском називається тиск, що відраховується від нуля (абсолютного вакууму).
Надлишковим, чи манометричним, тиском називається тиск понад атмосферного, тобто надлишковий тиск - це різницю між абсолютним і барометрическим тисками: .
Розрідженням, або вакуумом, називається різниця між атмосферним тиском та абсолютним тиском того середовища, де вимірюється тиск. Якщо абсолютний тиск газу або пари в посудині нижче барометричного, тобто , то різницяназивається розрідженням, або вакуумом.
Вакуум показує, наскільки тиск газу (пара) менший за тиск навколишнього середовища. Тиск атмосферного повітря вимірюється барометрами, надлишковий тиск – манометрами, а тиск розрідження – вакуумметрами.
У термодинамічних рівняннях завжди використовують значення абсолютного тиску з огляду на те, що воно є параметром, що характеризує стан термодинамічної системи.
Атмосферний тиск - величина змінна, тому в техніці застосовується нормальний атмосферний тиск (760 мм рт. ст.).
Температура тіла є мірою його нагрітості. Температура визначає напрямок передачі теплоти. Якщо два тіла А і мають відповідно температуру Т1 і Т2 і Т1>Т2, то теплота переходить від тіла А до тіла В. При цьому температура тіла А зменшується, а тіла В - збільшується.
З погляду молекулярно-кінетичної теорії температура є міра інтенсивності теплового руху молекул.
У термодинаміці розглядають температуру як середньостатистичну величину, яка характеризує систему, що складається з дуже великої кількості молекул (часток), що перебувають у хаотичному (тепловому) русі. Тому до одиничних молекул поняття температури не застосовується. При температурі абсолютного нуля теплове рух молекул відсутнє. Ця гранична мінімальна температура називається абсолютним нулем і є початком відліку температур. Зрозуміло, що може бути , тобто абсолютна температура завжди позитивна.
Температура, яка відраховується від абсолютного нуля, називається абсолютною, а шкала температур називається шкалою Кельвіна.
Практично вимірювати кінетичну енергію молекул газу безпосередньо неможливо. Тому для вимірювання температури використовують різнінепрямі методи. Температура вимірюється за допомогою різних термодинамічних пристроїв – термометрів).
Використання термометрів засноване на тому факті, що два тіла, що стикаються, з різними температурами через деякий час приходять до стану теплової рівноваги і приймають однакову температуру.
Чисельний відлік температури провадиться за шкалою температур. За основну одиницю вимірювання температури приймають градус, що має різну величину різних температурних шкалах. Шкала температур встановлюється шляхом поділу різниці показань термометра у двох довільно вибраних постійних температурних точках, званих реперними чи опорними, на кілька рівних частин - градусів.
Зважаючи на те, що вибір постійних температурних точок та ціни поділу шкали є довільним, є ряд різних шкал температури.
Нині застосовуються різні температурні шкали: Цельсія, Фаренгейта, Реомюра, Ранкіна.
За шкалою Цельсія () прийняті такі постійні температурні точки: ° C - температура танення льоду, 100 ° C - температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску.
У 1724 р. Фаренгейт запропонував термометр, як реперні точки якого прийняті: +212°F - температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску; +32°F - температура танення льоду. Різниця температур кипіння води та танення льоду за шкалою Фаренгейта дорівнює 212 ° - 32 ° = 180 ° F, а за шкалою Цельсія - 100 ° C. Отже, 1°F відповідає 5/9°C, а 1°C - 1,8°F.
Шкала Реомюра () має наступні реперні точки: О°R – температура танення льоду, 80°R – температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску.
Шкала Ранкіна () - це шкала Фаренгейта, відрахована від абсолютного нуля. У цій шкалітемпература танення льоду (T0 = 273,15 К) відповідає 491,67 ° Ra, а температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску (T0 = 373,15 К) відповідає 671,67 ° Ra.
Рішенням Міжнародного комітету заходів та ваг прийнято дві шкали: термодинамічна температурна шкала, яка прийнята основною, та Міжнародна практична температурна шкала (МПТШ-68), обрана таким чином, щоб температура, виміряна за цією шкалою, була близька до термодинамічної. В основу побудови термодинамічної шкали покладено той факт, що в циклах Карно, що розташовуються між двома адіабатами, різниця температур ізотерм вважається постійною, якщо на механічну роботу перетворюються однакові кількості теплоти. Найбільш універсальною шкалою температур є абсолютна термодинамічна шкала температур – шкала Кельвіна.
У шкалі Кельвіна використовується єдина експериментальна реперна точка - потрійна точка хімічно чистої води (у термодинамічній рівновазі знаходяться три агрегатні стани; лід, рідка вода та пара). Цьому стану відповідає температура 273,15К (0,01°С). Другою постійною точкою є абсолютний нуль температур (0К). Кельвін - одиниця виміру температури за термодинамічною температурною шкалою, що дорівнює 1/273,15 частини інтервалу від абсолютного нуля температури до температури потрійної точки води.
Практичним здійсненням термодинамічної шкали температур є Міжнародна практична температура. У цій шкалі використовується одинадцять реперних точок. У табл. 1.2 наведено значення основних реперних точок.