Термодинамические основы рабочих тел

Физическая природа теплоты и холода одна и тажа, разница в скорости движения молекул.

Когда теплота отводится, движение молекул замедляется и тело охлаждается, и наоборот.

Термодинамическая система - система материальных тел, находящихся как в механическом, так и в тепловом взаимодествии друг с другом и окружающей средой.

Для исследования термодинамических процессов и рассмотрения разделов термодинамики вводят следующие параметры:

Р - давление; V - удельный объем

Т - температура; U - энергия;

I - энтальпия; S - энтропия.

Р - является результатом удара его молекул, о стенки сосудов, в котором находится газ; давление численно равно силе, действующей на единицу поверхности сосуда

: [P]- [Па]

T=t+273,15 ⁰ : T - [ ⁰ K, ⁰ С]

V - отношение объема к единице массы;

: V - [м³/кг]

Масса единицы объема называется плотностью

U - энергия тела (газа) есть энергия, которая обладает газ которой он при своем изменении. От некоторого состояния принятого за 0, газ способен отдать в виде теплоты и произведенной им работой.

[U]=[Дж]=[H/м]

Единицей удельной величины внутренней энергии является [ кДж/кг]

1 кДж = 0,239 ккал = 0,00278 квтч

1 ккал = 4,1808 кДж = 0,00116 квтч

i - энтальпия - это есть количество тепла, которой необходимо подвести к 1 кг рабочего тела, чтобы перевести его при р=соnst из начального состояния, характеризуемого температурой 0 ⁰С в данное состояния, характеризуемое температурой t.

[i]=[кДж/кг]=[ккал/кг·· с]

Введение параметра i значительно упрощает расчеты многих термодинамических процессов.

Вид и структура ряда формул позволяет ввести графический метод в исследовании процессов.

S = [кДж / к ] · [ккал / кгс· ⁰ С]

Всякая затрата энергии равная произведению разности потенциалов (температур, давлений , эектрических напряжений ) на приращение некоторой величины.

Удельная теплоемкость <c>

Удельная теплоемкость - это количество теплоты, необходимое для нагревания или охлаждения 1 кг вещества на 1⁰ К.

[c] = [Дж / кг · ⁰ К]

Удельная теплоемкость у газов показывает изменение энтальпии вещества отнесенное к единице массы, при изменении температуры, на 1 К.

С уменьшением температуры, теплоемкость падает.

Лекция № 2

ПЛАН

1. Способы получения низких температур. Плавление. Кипение.

Охлаждение расширением газов. Дросселирование.

Охлаждение вихревым эффектом. Термоэлектрический эффект.

Способы получения низких температур

Агрегатное состояние вещества характеризуется следующими фазами:

• твердая

• жидкая

• газообразная

которые зависят от температуры и давления.

Диаграмма фазового состояния диоксида углерода (СО₂).

Р, кПа Д С

7346

I II

III

517. B

A

- 56,6 + 31 t (⁰C)

I - твердая фаза

II - жидкая фаза

III - газообразная фаза (перегретый газ, пар)

Пограничная линия между этими агрегатными состояниями представляет собой совокупность точек, в которых могут находиться в термодинамическом равновесии какие - либо две фазы:

твердое тело - пар (АВ),

жидкость - пар (ВС),

жидкость - твердое тело (ВД).

Кривая АВ - характеризует давление насыщенных паров диоксида углерода (СО₂).

Из диаграммы видно, что при давлении ниже 517 Па, или при температуре ниже - 56,6 ⁰C СО₂ может, находится лишь в твердой фазе и газообразной фазах. Только при этих давлениях (Р) возможна сублимация твердого СО₂ (тв. -газ). t сублимации является функцией давления.

Кривая ВС - характеризует давление насыщенных паров жидкой углекислоты

Р _{критическая} = 7846 кПа

t = 31 ⁰C

Кривая ВД - плавления (затвердевания) СО₂

В отличие от аналогичной кривой для водного льда кривая ВД имеет положительный наклон к оси абцис.

В (·) В термодинамическое равновесие находится одновременно в трех фазах.

Параметрами этой (·) - называемой тройной точкой является давление 517 кПа и температура -56,6 ⁰C.

При давлении 702 кПа и подводе теплоты, твердый СО₂, как и водный лед последовательно переходит в жидкую, а из жидкой в газообразную фазу.

При давлении больше 517 кПа жидкой фазы СО₂ не существует .

Сведения о термодинамических свойствах СО₂ (энтальпия и энтропия) содержится в диаграммах i (t) и S (t).

Однако, эти даграммы непозволяют судить о количественном соотношении фаз в тройной точке, а значит не дает возможность определить энтропию и энтальпию в трех фазной смеси.

Поэтому, для определения энтальпии трехфазной смеси пользуются уравнениями:

г де: - энтальпии соответственно жидких, газообразных и твердых фаз.

x,y,z - массовые доли этих фаз.

Холодопроизводительность 1 кг СО₂ равна разности энтальпий парообразной фазы имеющий Р и t охлаждающей среды и твердых фаз.

Теплота плавления (замерзания) СО₂ в тройной точке равна разности энтальпий жидкой и твердой фазы при давлении 517 кПа. Значение теплоты плавления тройной точки составляет 195,7 кДж / кг.

При давлении выше 517 кПа и температурах выше -56,6 ⁰C теплота плавления практически мало отличается от теплоты плавления в тройной точке.

Удельная теплоемкость твердого диоксида углерода (кДж / кг· к) СО₂ в диапазоне температуре от 57 до -110 ⁰C определяется по формуле:

Теплопроводность СО₂ при =1400 кг/м³ составляет 0,384 Вт/ м·К.

Лучшим сырьем для заводов сухого льда является углекислота спиртового брожения (почти 100 % СО₂).

Фазовые превращения является физические процессы (плавление, кипение, сублимация) в которых вещества поглощают относительно большое количество теплоты при низкой температуре, что позволяет применить их для получения охладительного эффекта.