Теоретические основы теплотехники -УКР

Конспект лекцій призначений для студентів, що вивчають курс "Теоретичні основи теплотехніки"

Конспект лекцій присвячений викладу теоретичних основ теплотехніки в короткій і дохідливій формі з урахуванням вивчення матеріалу студентами спеціальності автомобілі й автомобільне господарство. Курс, крім забезпечення сучасної енергетичної підготовки інженерів-автомобілістів, має і свою особливу методику узагальненого розкриття матеріалу, що дозволяє зосередити головну увагу на виявленні більш широких закономірностей і нових можливостей розвитку енергетики.

Викладено теоретичні основи технічної термодинаміки, теорії тепломасообмiну, особлива увага приділена термодинамічним циклам теплових машин. Приводяться загальні зведення про теплопостачання і використання вторинних енергоресурсів, що мають метою максимально ощадлива витрата енергетичних ресурсів

Вивчення цього курсу необхідно для глибокого розуміння фізичної сутності термодинамічних процесів теплових двигунів, ясного представлення про закономірності eнергоперетворень у двигунах внутрішнього згоряння.

Для студентів спеціальності 7.090258 "АВТОМОБІЛІ Й АВТОМОБІЛЬНЕ ГОСПОДАРСТВО".

1. ВСТУП. РІВНЯННЯ СТАНУ. ТЕПЛОЄМНІСТЬ

1.1 Теплотехніка, її предмет і метод

Теплотехніка - наука, що вивчає теорію і засоби перетворення енергії природних джерел у теплову механічну й електричну енергії, а також використання тепла для практичних цілей.

Теоретичні основи теплотехніки включають термодинаміку і теорію тепломасообмену.

Основним методом теплотехніки є термодинамічний метод. Сутність його полягає в тому, що на основі вивчення eнергоeнтропiйних балансів у макроскопічних системах встановлюють умову максимальної ефективності теплових машин і установок. Потім визначають шляху наближення до цих умов.

1.2. Основні поняття і визначення термодинаміки

Термодинаміка - наука про закономірності перетворення енергії в макроскопічних фізичних системах.

Технічна термодинаміка - роздягнув термодинаміки, що розглядає закономірності перетворення теплової енергії в інші види.

Назва "термодинаміка" уперше застосував Сарі Карно (1824 р.) у роботі "Міркування про рушійну силу вогню і про машини, здатних розвивати цю силу".

"Терме" - тепло, жар, вогонь. "Динамикос" - сила, рух.

"Термодинаміка" - рушійна сила вогню - дослівний переклад із грецького.

В основу термодинаміки покладені два основних закони (початку), установлених досвідченим шляхом.

-закон характеризує кількісну сторону процесів перетворення енергії.

-закон характеризує, установлює якісну сторону (спрямованість) процесів у фізичних системах.

1.3.Термодинамічна система. Термодинамічний процес.

Термодинамічна система - сукупність макроскопічних тіл, що обмінюються енергією

між собою і з навколишнім середовищем.

Термодинамічний процес - сукупність змін стану термодинамічної системи при переході з одного стану в інше.

1.4. Оборотні і необоротні процеси.

Рівноважний стан тіла - таке, при якому у всіх крапках обсягу параметри стани однакові.

Рівноважний процес - процес переходу термодинамічної системи з одного стану в інше через рівноважні стани тіла в будь-який момент часу.

Нерівновагий процес - процес, що включає нерівновагі стани.

Оборотний процес - процес, що протікає в прямому і зворотному напрямку через ті самі рівноважні стани.

Умови оборотності:

1.Відсутність хімічних реакцій.

2.Відсутність внутрішнього і зовнішнього тертя.

3.Нескінченно повільна зміна стану робочого тіла.

Необоротний процес - процес, що мимовільно протікає тільки в одному напрямку.

1.5. Робоче тіло. Термодинамічні параметри стану

Взаємне перетворення теплоти в механічну енергію в теплових машинах здійснюються за допомогою робочого тіла.

Як робоче тіло звичайно використовують чи пара газ, тому що вони мають значно великий коефіцієнт об'ємного розширення в порівнянні з рідинами і твердими тілами.

Для однозначного визначення стану речовини уводяться фізичні характеристики стану речовини - параметри стану.

Параметри стану можуть бути інтенсивними й екстенсивними. Інтенсивні параметри не залежать від кількості речовини, екстенсивні - залежать. Приклад - обсяг і температура.

Екстенсивні параметри, віднесені до одиниці кількості речовини, набувають сенсу інтенсивних. Їх називають питомими.

Термодинамічні параметри стану - інтенсивні властивості, що визначають стан чи тіла групи тел.

Звичайний стан однорідного тіла може бути однозначно визначено трьома параметрами - тиском, температурою і питомим обсягом.

При наявності силових полів (гравітаційного, електромагнітного й ін.) стан визначається неоднозначно.

1.6. Тиск.

Тиск - сила, що діє на одиницю поверхні тіла по нормалі до цієї поверхні.

H

[р] = Па =

м2

1 Па величина порівняно невелика. Тому вводять кратні величини

1 МПа = 106 Па = 103 кПа 1 бар = 105 Па = 102 кПа Внесистемнi одиниці

1 мм Нg ( 133.3 Па.

1 мм вод. ст. ( 9.81 Па.

Види тиску 1. Абсолютне, тобто повний тиск, відлічуваний від абсолютного вакууму.

рабс

2.Атмосферне (барометричне) - абсолютний тиск атмосфери Землі в даній крапці

рабс = В.

3.Надлишковий тиск - різниця між абсолютним і атмосферним. Параметром стану не

є.

pизб = pабс – B.

Надлишковий тиск іноді називають манометричним (тому що виміряється манометрами).

4. Вакууметричний тиск - різниця між атмосферним і абсолютним. pвак = B - pабс.

1.7. Температура

Температура характеризує тепловий стан тіла - ступінь "нагрiтостi" тіла. Температура - усереднена величина кінетичної енергії хаотичного руху молекул. Температура, при якій цілком припиняється рух молекул, прийнята за початок

відліку. Температура потрійної крапки води прийнята рівної 273, 16 ДО (0, 010С).

[T]=K - одиниця виміру абсолютної температури. Температуру часто вимірюють по шкалі Цельсiя.

[t]=C - одиниці виміру температури в обох шкалах чисельно рівні. Температура по шкалі Цельсiя термодинамічним параметром стану не є.

Щільність - величина зворотна питомому обсягу.

1.9. Рівняння стану ідеального газу Менделеєва-Клапейрона

Ідеальний газ - модель газу, у якій молекули не мають обсягу і не взаємодіють один з

одним.

Спільний розгляд законів Бойля-Маріотта і Гей-Люссака дозволило Клапейрону в 1834 р. вивести рівняння стану ідеального газу

pv=RT - рівняння для 1 кг. газу (рівняння Клапейрона) R - газова постійна

Бойль Роберт (1627-1691). Англія. Фізика, хімія. Разом з Маріоттом не працював. Маріотт Эдм (1620-1684). Франція. Механіка рідини і газу. Оптика. Гей-Люссак Жозеф-Луі (1778-1850). Франція. Фізика, хімія.

Клапейрон Бенуа Поль Эміль (1799-1864). Франція. Вивів рівняння КлапейронаКлаузиуса для водяної пари. Першим звернув увагу на роботи С. Карко, у яких був установлений II закон термодинаміки.

p=mRT- рівняння для газу масою m.

p = RT- рівняння для 1 кіломоля (рівняння Менделєєва). V - обсяг кіломоля газу

R 8315 - формула для обчислення газової постійної.

1.10. Особливості реальних газів. Рівняння стану реальних газів Ван-дер-Ваальса

Рівняння стану ідеального газу можна застосовувати в розрахунках для реактивних газів при низьких тисках і високих температурах. При нормальних умовах воно застосовно для:

H2, He, O2, N2.

Вуглекислий газ (СО2) і деякі інші дають відхилення до 2-3%.

Рівняння стану реальних газів, що враховують розмір молекул, сили взаємодії між ними, утворення комплексів молекул (асоціацій) і ін. мають складний вид.

Упрактиці звичайно використовуються таблиці і номограми, побудовані на основі цих рівнянь.

Узагальній формі в 1937-46 р. у СРСР (Н.Н.Прочан) і США (Дж. Мейер) були виведені рівняння стану реальних газів.

Найбільш простим, що якісно правильно відображає поводження реальних газів, є рівняння Ван-дер-Ваальса (1873 р.).

(p a )(v b) RT, v2

де b - виправлення на обсяг молекул газу; a

v2 - виправлення на тиск газу, що враховує сили взаємодії молекул.

Рівняння Ван-дер-Ваальса дозволяє якісно аналізувати поводження газів поблизу границь фазових переходів.

1.11. Суміші ідеальних газів. Закони Дальтона та Амага

Парціальний тиск - тиск окремого компонента суміші газів.

n

pсм pi - закон Дальтона

i 1

Абсолютний тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків компонентів суміші.

n

Vсм Vi - закон Амагá

i 1

Повний обсяг суміші газів дорівнює сумі приведених до тиску і температури суміші обсягів компонентів (парціальних обсягів).

Закони Дальтона та Амагá дозволяють одержати рівняння стану суміші газів.

pсмVсм=mсмRсмTсм ,

8314

де Rсм см .

Удавана молярна маса суміші визначається з рівняння

n

см i ri , де ri - об'ємні частки компонентів суміші

i 1

Приклад: Думаючи, що в повітрі 80% N2 і 20% ПРО2

возд = 0,8 28 + 0,2 32 = 28,8 кг/моль Газова постійна суміші може бути встановлена з рівняння

Rсм giRi , де gi - масові частки компонентів суміші.

Співвідношення між масовими й об'ємними частками визначається вираженням

Слід зазначити, що завжди

n n

gi 1; ri 1.

i 1 i 1

У довідковій літературі звичайно приводяться значення щирої теплоємності при різних температурах, або середні значення теплоємності в інтервалі температур 00С до t0C.

Тоді середнє значення теплоємності в інтервалі температур від t1 до t2 визначається вираженням:

Ця формула застосовувана до масової, об'ємної і мольної теплоємностям. Нагрівання чи газів пар може здійснюватися при різних умовах. Серед них

можна виділити: 1. Нагрівання при постійному обсязі;

2.Нагрівання при постійному тиску.

Упершому випадку теплоємність процесу називають ізохорної, у другому -

ізобарній.

В другому випадку потрібно підведення більшої кількості тепла, чим у першому, тому що в процесі підведення теплоти при постійному тиску відбувається робота проти зовнішніх сил.

Ізобарна й ізохорна теплоємності зв'язані рівняннями: Порівн - Сv = R- Майєра

СР K - Пуассона

СV

К- коефіцієнт Пуассона.

Теплоємність газових сумішей обчислюється на основі рівняння теплового балансу, з якого випливає:

n

1. Для масової теплоємності суміші: Cсм Cii gi .

i 1

n

2. Для об'ємної теплоємності суміші: Cсм/ C/i ri .

i 1

2.ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

2.1Теплота і робота

Енергія - єдина скалярна міра різних форм руху матерії. Характеризує здатність систем робити роботу.

Теплота - енергія хаотичного руху і взаємодії часток тел. Теплота є мікрофізичною формою передачі енергії від одного тіла до іншого при наявності різниці температур між ними, причому при цьому має місце обмін кінетичною енергією між молекулами дотичних тіл, або перенос тепла електромагнітними хвилями.

Робота - макрофізична форма передачі енергії, зв'язана з подоланням зовнішніх силових полів, або сил тиску.

2.2. Внутрішня енергія

У технічній термодинаміці вважають, що внутрішня енергія включає:

1. Кінетичну енергію поступального, обертального і коливального руху молекул. 2. Потенційну енергію взаємодії молекул (для реальних газів).

У більш широкому змісті внутрішня енергія включає також внутрішньоатомну (наприклад, енергію руху електронів), внутрішньоядерну енергію й ін. У термодинаміку ці види енергії не розглядаються.

Для ідеальних газів сили взаємодії між молекулами прийняті рівними нулю, тому u = u(T) - внутрішня енергія є однозначною функцією температури.

Розмірність питомої внутрішньої енергії u дЖ.

кг

У технічній термодинаміці знання абсолютного значення внутрішньої енергії не потрібно.

Звичайно в технічній термодинаміці внутрішню енергію відраховують від 0 З, а в теоретичної - від 0 ДО - абсолютного нуля температур.

Для нескінченно малих змін температури в якому-небудь процесі du=CV• d.

Після інтегрування одержимо u=u2-u1=CV(T2-T1). (

Звідси випливає, що зміна внутрішньої енергії не залежить від шляху процесу, а цілком визначається початковим і кінцевим станами.

2.3. Робота розширення робочого тіла

При підведенні тепла до робочого тіла в загальному випадку крім зміни його внутрішньої енергії може відбуватися робота.

Елементарна робота, віднесена до 1кг робочого тіла (питома робота) визначається зі співвідношення

dl = pdv - елементарна робота розширення.

На мал. 2.1 як приклад показаний циліндр із поршнем . При переміщенні поршня з положення А в положення У відбувається робота розширення газу, обумовлена зі співвідношення