Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Text_lektsiy_z_TTD_chastina_1__3-y_sem_ukr_2015

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
17.03.2016
Размер:
4.53 Mб
Скачать

Розділ 1

Лекція №5

41

В процесі розширення РТ джерело роботи отримує меншу роботу, чим в разі відсутності тертя, а при стисканні РТ, джерело роботи витрачає більше роботи, чим за відсутності тертя. Таким чином необоротний процес,

що обумовлений тертям є енергетично менш досконалим, чим процес без тертя.

СПОСОБИ ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ

1.Рівняння 1-го закону ТД

2.Рівняння 2-го закону ТД

3.Вирази, що використовують поняття теплоємності

1. - вивчатимемо в Темі 2.

2

2. - q + qr = Tds ( рівняння 2-го закону в питомих величинах. Це рів-

1

няння широко використовується при розрахунку рівноважних процесів (без тертя lr = qr = 0 )

2

q = Tds

1

Найпростіше інтеграл вирішується при T = const (ізотермічний рівноваж-

ний процес)

2

q = Tds = T ( s2 s2 ) = T s

1

У випадку коли T = var ( T -змінна), то часто для рівноважних проце-

сів вводять поняття середньої термодинамічної температури. Вираз для неї отримують на підставі математичної теореми про середнє

2

q = Tds = Tm ( s2 − s1 ) = Tm s

1

Tm = q1− 2 - залежність для визначення. Tm визначається як відношен-

s1− 2

ня кількості теплоти в даному процесі до зміни ентропії в цьому ж процесі.

ГРАФІЧНА ІНТЕРПРИТАЦІЯ РІВННЯННЯ

T

1

 

 

 

 

 

 

 

Tm

a

 

б

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

q

 

T

 

 

 

 

 

s

 

s2

s

 

1

s

 

 

 

 

q1− 2 = qa б = q

s1− 2 = sa б = s

неізотермічний процес 1-2 замінюємо еквівалентним ізотермічним процесом а-б, в якому величини s и q ,такі ж як і в процесі 1-2.

Тобто середня термодинамічна температура неізотермічного процесу 1-2

це така температура ізотермічного процесу а-б, в якому величини s и q ,такі ж як і в процесі 1-2

ТТД (3-й семестр)

2015р.

Розділ 1

Лекція №6

42

Лекція № 6

 

Дата:_________

Повна теплоємність Теплоємністю тіла (системи) називається фізична величина, що дорі-

внює кількості теплоти, необхідної для нагріву тіла (системи) на один Кельвін. (З курсу Фізики!)

Визначаємо як кількість теплоти в даному процесі ( х), що віднесена до зміни температури в цьому ж процесі ( х).

 

 

 

 

С x

=

δ Q x

 

(1)

 

 

 

 

 

dT x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dT

x

= dt

- безкінечна мала зміна температури.

 

 

x

 

 

 

 

 

Теплоємність залежить від характеру процесу. У ТТД велике значення мають теплоємності при постійному об'ємі і постійному тиску

У формулі (1) - індекс, вказує на характер процесу (p=const - ізобарний процес і v=const - ізохорний процес)

Пригадаємо:

Величини, що відносяться до вмісту речовини, тобто такі, що явля-

ються його мірою -1) маса, 2)кількість речовини, 3)об’єм при НУ.

Теплоємність одиниці міри речовини (вмісту речовини) називається

питомою теплоємністю.

Повну теплоємність відносять до відповідної міри речовини (маса [кг], кількості речовини [кмоль], об'єму за нормальних умов (НУ [ мн3 ])

НУ: p = 760 мм. рт.ст. T = 273 K ( 0 о С )

Наприклад, якщо віднести до маси m[кг] те отримаємо:

c

 

=

C x

 

[Дж/(кгК)] - - питому масову теплоємність (або в де-

x

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

якій літературі - питому)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і відповідно c x

=

C

x

 

 

Дж

- питому молярну теплоємність

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

кмоль К

 

/

=

 

C x

 

Дж

і відповідно c x

 

 

 

 

- питому об'ємну теплоємність

 

 

 

 

 

 

Vн

 

мн3 К

Якщо врахувати, що Q = q m , то

δq x = c x dTx = c x dt

 

 

2

 

 

 

q x

= c x dTx

 

 

1

 

 

 

Теплоємність не є постійною величиною. Вона змінюється із зміною

температури.

Залежно від інтервалу температур розрізняють:

а) дійсну теплоємність (віднесена до нескінченно малої зміни температури)

ТТД (3-й семестр)

2015р.

Розділ 1 Лекція №6 43

 

 

 

 

c x

=

δ q x

 

 

 

 

 

 

dt x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dT

x

= dt

- безкінечна мала зміна температури.

 

 

x

 

 

 

 

 

б) Середню теплоємність (віднесена до кінцевої зміни температури в даному процесі t x = T x )

 

 

 

t 2

 

t 2

 

t 2

 

t 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

=

c x d t x =cxm

 

( t 2 t 1 ) = cxm

t2 cxm

t1

x

 

t 1

0

0

 

 

t1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qx

 

c

xm

t 2 t

2

c

xm

t 1 t

1

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

0

 

0

c

xm

=

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

t x

 

 

 

t2

t1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Постійну теплоємність с = соnst

 

 

 

 

 

 

Якщо теплоємність не залежить від t , відмінність між c x и cxm зникає.

У загальному випадку c x міняється (залежно від характеру процесу)

від 0 при Qx = 0 (адіабатний процес) до ± ∞ при T = const (ізотермічний процес). Знак «-»,коли знаки теплоти і зміни температури різні.

c x

cx

 

 

 

cx

− ∞

 

 

 

 

+ ∞

 

 

 

 

0

Cv

Cp

Ми частіше стикатимемося з: cv > 0 - ізохорна

c p > 0 - ізобарна

 

 

Дж

 

c p cv

= R

 

 

- рівняння Майєра

 

 

 

кгK

 

Помножимо обидві частини рівняння на

c p c v = R = R

= 8314

 

Дж

 

 

 

 

 

 

 

кмоль K

Якщо повернутися на початок лекції то слід зазначити, що всі три типи розрахунку теплоти повинні давати один і той же результат.

ТТД (3-й семестр)

2015р.

Розділ 1

Лекція №6

44

Таблиця теплоємкостей

C(повна теплоємність тіла, кДж )

K

 

cx

 

cx/

 

 

 

 

 

c x

 

 

 

(питома масова

кДж

)

(питома обємна кДж

)

(питома молярна

кДж

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кмоль

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

K

 

кг K

 

 

 

мн K

 

 

 

 

 

 

ізобарна

ізохорна

 

ізобарна

ізохорна

 

ізобарна

 

ізохорна

( p = const )

( v = const )

( p = const )

( v = const )

( p = const )

( v = const )

c p

cv

c /

c /

c p = c p

c v = cv

 

 

p

v

 

 

середня питома відповідно масова, обємна та молярна у заданому діапазоні температур t1 та t2

 

t2

t2

t2

t2

t2

 

t

2

t2

t2

 

c

 

c

c /

c /

c

 

= c

 

c

 

= c

pm

pm

pm

vm

 

vm

pm

vm

 

 

 

vm

 

t1

t1

t

1

t1

t1

 

t1

t1

t1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.9 ДЕЯКІ МАТЕМАТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНУ (ПАРАМЕТРІВ) І ХАРАКТЕРИ-

СТИК ПРОЦЕСУ (ТЕПЛОТИ І РОБОТИ)

1. ПАРАМЕТРИ.

а) p , v , T - термічні.

 

p - абсолютний тиск

[Па]

v - питомий об'єм

3/кг]

T - термодинамічна температура

[K]

Для простих тіл термічні параметри зв'язуються рівнянням: F (p, v,T )= 0 - Термічне рівняння стану.

б) u , h , s - калоричні.

u = U - питома внутрішня енергія. Енергія мікрочасток (молекули,

 

 

m

[Дж/кг]

атоми), з яких складається тіло.

h = u + pv - питома ентальпія

[Дж/кг]

h =

H

 

 

m

 

 

 

 

s =

S

- питома ентропія

[Дж/кг K]. Фізичний зміст ентропії

 

 

m

 

 

 

- міра степені хаотичності руху мікрочасток, з яких складається тіло.

Окрім цих шести параметрів до характеристик стану відносяться:

 

K

 

w 2

k =

 

=

 

- питома кінетична енергія [Дж/кг] ( K кінетична енергія,

m

2

 

 

 

w- швидкість).

 

 

gz - питома потенційна гравітаційна (або сил тяжіння) енергія, де g=9,81м/с2- прискорення сили тяжіння, z- висота положення тіла [м]

pv - питома потенційна енергія сил тиску [Дж/кг]

(довідковий матеріал з фізики)

Повна енергія макротіла може бути представлена як енергія зовнішня і вну-

трішня.

 

Eповна = Eзовн. + Eвнутр.

(1)

 

Eвнутр. = U химіч. + U ядерн. + Uтеплов. ( терміч.)

(2)

В (2) U химич. + U ядерн. = U0 - нульова енергія ( в процесах без протікання

хімічних і ядерних реакцій не змінюється).

ТТД (3-й семестр)

2015р.

Розділ 1

Лекція №6

45

Uтеплова - теплова енергія, в яку, зазвичай, включають енергію, пов'язану з тепловим, хаотичним рухом мікрочасток тіла (молекул ато-

мів), а також потенційну енергію взаємодії між молекулами.

Надалі в ТТД цю теплову енергію будемо називати просто внутрішньою

енергією

U = Uтеплова .

Оскільки відстань між молекулами визначається об'ємом, який за- ймає газ, то в загальному випадку внутрішня енергія залежить від темпе-

ратури T і об'єму v , тобто u = f (T , v) . Для реальних газів внутрішня енергія є однозначною функцією стану тіла і визначається будь-якою парою параметрів p , v , T . У ідеальному газі сили взаємодії між молекулами від-

сутні і потенційна енергія взаємодії між молекулами дорівнює нулю. Отже, внутрішня енергія ідеального газу складається лише з кінетичної енергії руху

молекул і визначається температурою T , тобто u = f ( T ) .

Eзовн. = Eкінет. + Eполей - пов'язана з переміщенням тіла і взаємодією його із зовнішніми полями (наприклад, поле земного тяжіння).

Таким чином, повна енергія системи (тіла) пов'язана з її внутрішньою енергією U рівнянням

 

mw 2

Eповн. = U + Eкінет. + Eполей = U +

 

+ mgz (3)

2

2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕСУ

Основні (зовнішні) кількісні енергетичні характеристики процесів - Q - теп-

лота процесу, Дж; L - робота процесу, Дж; ( q -питома теплота, Дж/кг; l - питома робота, Дж/кг).

Lr -

работа тертя,

Qr - теплота тертя ( Lr

= Qr

> 0 )

 

 

 

 

Характеристики стану та процесу (порівняльна таблиця мат. властивостей)

 

 

 

Характеристики стану

 

Характеристики процесу

 

 

 

(параметри)

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

1)

 

 

dp = p2 p1 = p

1)

δq = q1− 2 = q

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

dz = z2 z1 = z ,

 

δl = l1− 2 = l

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

де z - будь-який параметр.

2

2

 

δl , δq - сума елементарних теплот і робіт

Зміна параметрів (будь-якого з параметрів)

не залежить від рівняння (графіка) процесу і

1

1

 

визначається лише значеннями його в кін-

Кількість теплоти і роботи залежить від рів-

цевій і початковій точках.

няння процесу

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δq = q2 q1 = q

Суперечить поняттю

 

 

 

 

 

 

 

1

 

теплоти і роботи

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δl = l2 l1 = l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2) Цикл.

Зміна параметра за

2) Цикл.

 

p

 

 

 

 

 

цикл = 0

δq 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

dp = 0 dz = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

у загальному випадку.

 

 

 

 

 

 

δl 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТТД (3-й семестр)

2015р.

ТИХ СИСТЕМ

Розділ 2:

Лекція №7

46

Лекція №7

 

Дата:__________

РОЗДІЛ 2: ЗАКОНИ ТЕРМОДИНАМІКИ

Перший закон термодинаміки - це застосування закону збереження енергії до термодинамічних процесів. Він записується у вигляді рівняння енер-

гобалансу для відкритих і закритих систем.

Другий закон термодинаміки характеризує спрямування природних (реальних) процесів і визначає якісну відмінність теплоти від інших форм передачі енергії. Цей закон пов'язаний з принципом існування ентропії. Другий закон враховує особливості реальних процесів у зв'язку з їх необоротністю. Зниження необоротності веде до підвищення енергетичної ефективності про-

цесів, а значить до економії енергоресурсів

2.1. МАТЕМАТИЧНІ РІВНЯННЯ ПЕРШОГО ЗАКОНУ ТЕРМОДИНАМІКИ ДЛЯ ЗАКРИ-

(ЗС).

Пригадаємо: повна енергія тіла (закритої системи)

Eповн. = U + Eкінет. + Eполей = U + mw 2 + mgz -

2

Закрита система - це, коли немає обміну речовиною системи із зовнішнім середо-

вищем.

Енергобаланс для ЗС складається:

а) відносно координат, жорстко пов'язаних з центром мас тіла (або ЗС).

E зс xy = Eвнутр. = U - енергія закритої системи

енергія закритої

Внутрі-

системи відносно

шня

координат х y

енергія

б) відносно нерухомих координат (розташованих на Землі)

Енергія закритої системи (магнітну, електричну і ін. енергії враховувати не будемо):

Езс x / y /

= U + Eкін.

+ Епот. -

енергія

Кіне-

Потенційна граві-

закритої

тична

таційна енергія

системи

енер-

(сил тяжіння)

відносно

гія

 

координат

тіла

 

х /у/

як

 

 

цілого

 

Для закритої системи енергобаланс складається зазвичай відносно координат

ху.

ТТД Лекції (3-й семестр)

2015 р.

Розділ 2: Лекція №7 47

Хай в початковому стані внутрішня енергія ЗС має значення U1. Під впливом зовнішнього енергообміну (теплоти Q і деформаційної роботи L) ве-

личина U1 змінилася і стала U2, тобто внутрішня енергія змінилася на величину

U = U2 – U1

Виведемо рівняння енергообміну для ЗС при Q > 0 та L > 0 .

U = Q – L або Q = U+ L

Для узагальнення отриманого рівняння на випадок Q більше або менше нуля і L більше або менше нуля досить прийняти, що величини Q, L- алгебраїчні. Тоді базове рівняння має вигляд:

Q = U + L

при Q більше або менше нуля; L більше або менше нуля; ; U більше або мен-

ше нуля.

Формулювання першого закону термодинаміки:

Зміна внутрішній енергії ЗС дорівнює алгебраїчній сумі зовнішніх енер-

гетичних дій (впливів) у формі теплоти і деформаційної роботи.

Алгебраїчна сума – вираз, утворений з величин, об'єднаних між собою знаками

«+» та/або «-», тобто . знаками операцій додавання і віднімання.

ТТД Лекції (3-й семестр)

2015 р.

Розділ 2:

Лекція №7

48

2.1.1 РІВНЯННЯ ЕНЕРГОБАЛАНСУ ДЛЯ ЗАКРИТОЇ СИСТЕМИ ЧЕРЕЗ ДЕФОРМАЦІЙНУ

РОБОТУ.

Q = U + L , где

2

 

L = pdV Lr

В повних величинах

1

 

δQ = dU + δ L ,где

δL = pdV δ Lr

Якщо врахувати, що Q = q m , L = l m , Lr = lr m и V = v m , то: (1)

2

q = u + l , где l = pdv lr

1

У питомих величинах

 

δq = du + δ l , де

δl = pdv δ lr

(1)Рівняння енергобалансу для ЗС через деформаційну роботу.

2.1.2 РІВНЯННЯ ЕНЕРГОБАЛАНСУ ДЛЯ ЗАКРИТОЇ СИСТЕМИ ЧЕРЕЗ РОБОТУ ПЕРЕМІ-

ЩЕННЯ.

Пригадаємо, що

h = u + pv (введено Гібсом для полегшення розрахунків)

тоді

dh = du + pdv + vdp du = dh pdv vdp

підставимо du у вихідне диференціальне рівняння δ q = du + pdv δ lr

Отримаємо:

δ q = dh pdv vdp + pdv δ lr = dh vdp δ lr

 

δ lп

Позначимо комплекс величин δ lп = −vdp δ lr де δ lп – елементарна робота переміщення.

Тоді:

ТТД Лекції (3-й семестр)

2015 р.

Розділ 2: Лекція №7 49

δ q = dh + δ lп

, де δ lп = −vdp δ lr

 

 

 

 

 

2

У питомих величинах

 

q =

h + lп

де

lп = − vdp lr

 

 

 

 

 

1

 

 

Якщо ліву і праву частину цих рівнянь помножити на m (кг), то отримаємо:

(2)

δ Q = dH + δ Lп , де

 

 

δ Lп

= −Vdp δ Lr

У повних величинах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Q =

H + Lп

, де

Lп = −Vdp Lr

 

 

 

 

 

1

 

 

(2) Рівняння енергобалансу для ЗС через роботу переміщення.

Зауваження до рівнянь (1) і (2):

1). Рівняння записані відносно координат, жорстко пов'язаних з центром мас закритої системи (m = const).

Вони застосовуються для поточних і не поточних процесів:

а) не потокові процеси

РТ

закрытая система

б) потокові процеси

y

x

переміщення тіла (РТ), як єдиного цілого прак-

тично немає. Типовий приклад: РТ в циліндрі з

поршнем. В цьому випадку Lп фізичного сенсу

не має і під величиною Lп слід мати на увазі по-

значення комплексу величин

закрита система (ЗС) пере-

міщається разом зі своїми координатами, які жорстко по- в'язані з центром мас закритої

системи.

Поток

Закрытая система (m=const)

вещества

 

Для цього випадку Lп має фізичний зміст, який розглянемо пізніше ( розділ 2.3).

2). Пам'ятаємо, що в рівняннях (1) і (2) всі величини алгебраїчні.

ТТД Лекції (3-й семестр)

2015 р.

Розділ 2:

Лекція №8

50

Лекція №8

 

Дата:__________

2.2. РІВНЯННЯ ЕНЕРГОБАЛАНСУ ДЛЯ СТАЦІОНАРНИХ ПОТОКОВИХ ПРОЦЕСІВ (ДЛЯ

ВІДКРИТИХ СИСТЕМ).

Ця форма енергобалансу складається відносно нерухомих координат відносно Землі і найбільш зручна для інженерних розрахунків потокових процесів (потокових пристроїв). Ці процеси переважають в техніці, звідси і важливість 3- ої форми рівняння енергобалансу.

Розглянемо особливості потокових процесів і з'ясуємо, які величини входитимуть в рівняння енергобалансу.

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w1 , w2

– Швидкості потоків ре-

 

W1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

човини на вході і виході з при-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Епв1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

строю [м/с].

1

 

 

Lтехн

 

 

 

 

 

 

 

 

z1 , z2

- Рівні вхідного і вихід-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ного перетинів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z1

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

W2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Епв2

Z2

2

Y

X

При проходженні через пристрій (відкриту систему) робоче тіло (РТ) може обмінюватися із зовнішнім середовищем енергією у формі теплоти і технічної роботи., а також енергія може передаватися (як ми пам’ятаємо !) з потоками речовини.

а) Lmex – технічна робота є енергообміном між робочим тілом (РТ) і зовні-

шнім середовищем у формі механічної роботи в потокових процесах.

Зовнішнє середовище являє собою рухливі елементи каналу - найчастіше це лопатки турбін, компресорів, насосів.

Робоче тіло може передавати технічну роботу лопаткам, які жорстко пов'я- зані з валом (наприклад: турбіни).

Робота може передаватися, навпаки, від лопаток до робочого тіла (компресори, насоси).

Ознака технічної роботи - наявність валу звідси технічна робота або робота валу.

б).Q – кількість теплоти, яка підводиться або відводиться від робочого тіла між перетинами 1-1, 2-2.

ТТД Лекції (3-й семестр)

2014 р.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]