33

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЦЕНТР ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

С.И. Наугольнов, А.М. Лев, С.В. Чайкин

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ГОРНОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ

Учебное пособие.

Допущено УМО по образованию в области прикладной

геологии для студентов дневного и заочного отделения

специальности 0807» Технология и техника разведки МПИ»

и 0905 «Открытая разработка МПИ», а также обучающихся по дистанционной системе образования

Москва 2005

Составители: С.И. Наугольнов, A.M. Лев, С.В. Чайкин

Термодинамические процессы в геологоразведочном производстве. Учебное пособие по курсу «Термодинамика». М., МГГРУ, 2005

Первая часть учебного пособия посвящена рассмотрению термодинамических процессов идеальных газов. Теоретический курс, методические указания и задания для самостоятельного решения предназначены для студентов дневного и заочного отделений специальности 0807 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых», 0902 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» и 0905 «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых» MГГРУ, а также студентов, обучающихся по дистанционной системе обучения.

Наиболее эффективным методом изучения технической термодинамики является решение задач. Это позволяет максимально приблизить теоретические знания к практическому изучению тепловых машин.

Оглавление

Введение ………………..4

Основные положения ………………..6

1. Основные законы идеальных газов………………………………………...9

1. Указания и примеры решения задач первого раздела ...…………….10

2. Задачи к первому разделу ………………11

2. Смеси идеальных газов ………………13

1. Указания и примеры решения задач второго раздела ………………15

2. Задачи к второму разделу . ………………17

3. Теплоемкость ………………18

1. Указания и примеры решения задач третьего раздела ………………21

3.2 Задачи к третьему разделу . ………………22

4. Первый закон термодинамики. Термодинамические процессы…………24

4.1 Указания и примеры решения задач четвертого раздела ………………28

4.2 Задачи к четвертому разделу ……………….30

5. Второй закон термодинамики. Энтропия.

Термодинамические процессы в T-s координатах ………………33

5.1 Указания и примеры решения задач пятому раздела ………………38

5.2 Задачи к пятому разделу ………………40

6. Термодинамические процессы поршневых компрессоров……………… 42

1. Указания и примеры решения задач шестого раздела ………………48

2. Задачи к шестому разделу ………………..49

7. Истечение газов ………………50

1. Указания и примеры решения задач седьмого раздела..............................53

2. Задачи к седьмому разделу ………………54

8. Итоговое задание ………………56

Список литературы ………………59

Введение.

Важность энергоресурсов и энергии в народном хозяйстве весьма велика. В современном производстве, практически, нельзя осуществить ни один технологический процесс без использования одного из видов энергии. На современном этапе запасы энергии не безграничны. Для обеспечения все более возрастающих потребностей человека, необходимо рациональное использование энергии в различных отраслях народного хозяйства.

Вопросами рационального использования энергии занимаются в различных странах целые институты. Они определяют пути снижения энергоемкости единицы национального дохода. Как правило, политику рационального использования энергоресурсов и контроль над ее использованием проводится на уровне государства.

Вопросы рационального использования энергии актуальны и для геологоразведочной отрасли.

Без знания процессов, происходящих в механизмах с использованием того или иного вида энергии, нельзя достоверно оценить рациональность ее потребления и определить пути ее снижения.

При ведении геологоразведочных и особенно горно-буровых работ широко используются установки производящие и использующие сжатый воздух (компрессоры, пневмодвигатели). Кроме этого, этот источник энергии часто транспортируется на значительные расстояния (пневмосети, вентиляционные сети). В качестве привода технологического оборудования, автомобильного транспорта используются двигатели внутреннего сгорания. Принцип действия пневмоустановок, ДВС, их конструкции и режим эксплуатации определяются сложными термодинамическими процессами, протекающими в них. Поэтому инженеры должны обладать знаниями, позволяющими разбираться в этих процессах, более грамотно и рационально использовать это оборудование в практической деятельности. Кроме этого, знания термодинамических процессов облегчает изучение курсов: стационарные установки, бурение, проведение горных выработок.

В развитии теории теплотехники, как базы термодинамики, важное место принадлежит ученым нашей Родины. Это Ломоносов М.В. - опровергнувший теорию теплорода, противопоставив ей механическую теорию тепла. Согласно ей, теплота является следствием движения мельчайших частиц вещества, молекул.

Г.И. Геес (1802 - 1850 г.г.), русский академик, открыл закон по термохимии, согласно которому, тепловой эффект реакции не зависит от условий реакции.

Ленц Э.Х. в 1884 г. открыл условия перехода электрического тока в тепло (закон Джоуля - Ленца).

Термодинамика - наука об энергии и ее свойствах. Она охватывает область физических, химических и других явлений, сопровождающихся тепловым эффектом в процессе превращения форм движения.

Термодинамика базируется на двух основных экспериментальных установленных законах и одном дополнительном (соответственно они называются - первый и второй законы (начала) термодинамики).

Третий закон (теорема Нернеста, открыт в 1906 – 1911 г.) служит фундаментом для части термодинамики рассматривающий свойства тел при очень низкой температуре. Сущность этого закона - недостижимость абсолютного нуля температуры.

Различают термодинамику физическую, химическую и техническую.

Физическая - изучает превращения в телах при протекании магнитных и электрических процессов.

Химическая - изучает превращение энергии в физико-химических и химических процессах.

Техническая термодинамика - используя законы термодинамики, изучает взаимное превращение теплоты и работы. .

Название от греческих слов "термос" - тепло, "динамис" - сила, т.е. термодинамика - наука о силах связанных с теплом. Основная задача технической термодинамики - разработка теория тепловых двигателей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Термодинамика является разделом теоретической физики. Для технических высших учебных заведений наибольший интерес представляет ее раздел - техническая термодинамика.

Техническая термодинамика рассматривает закономерности взаимопревращения тепла и работы. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами происходящими в пневматических или тепловых двигателях, в компрессорах и холодильных машинах. На основе законов термодинамики изучаются закономерности процессов, происходящих с газами или парами.

Преобразование теплоты в работу и обратно осуществляется с использованием рабочего тела. В качестве рабочего тела используется газ или перегретый пар.

Физическое состояние рабочего тела, характеризуется, физическими величинами, характеризующими данное состояние, которые в термодинамике называются параметрами состояния.

Основными параметрами состояния являются: удельный объем (v) или плотность (ρ), абсолютное давление (р), абсолютная температура (Т).

Используя основные параметры, можно определить и другие параметры состояния, которые будут рассмотрены в следующих разделах.

Удельный объем однородного вещества определяется объемом занимаемым единицей массы вещества

v = (1.1)

где: V- объем вещества, м³, m - масса этого вещества, кг.

Объем и масса вещества приведены в системе СИ. Следовательно, удельный объем в этой системе имеет размерность м³/кг.

Плотность однородного вещества определяется его массовым количеством в единице объема вещества и, соответственно, обратно пропорциональна удельному объему

ρ = , кг/м³ (1.2)

или ρ = (1.3)

Давление, с точки зрения молекулярно-кинетической теории, есть средняя нормальная составляющая силы ударов молекул газа, действующая на единицу площади стенки сосуда.

p = _(1.4)

где: F_н - нормальная составляющая силы ударов молекул;

S - площадь на которую действует сила.

Сила, в системе СИ, измеряется в Н, а площадь в м². Следовательно, давление есть нормальная сила, действующая на единицу площади. Единицей давления будет равнодействующая сила в 1Н равнораспределенная на площади

1м², называемая Паскалем (Па) 1Па=1Н/м². Возможно использование в практических расчетах кратных единиц давления: кПа, МПа (1кПа=1х10³Па; 1МПа=10⁶Па).

Для измерения давления используются следующие измерительные приборы: барометр, манометр, вакуумметр или мановакуумметр.

С помощью барометра измеряется давление атмосферы окружающей измерительный прибор. Барометрическое давление является абсолютным атмосферным давлением, и характеризует превышение атмосферного давления по сравнению с абсолютным нулем.

Манометр измеряет избыточное давление (P_и) и показывает превышение давления в замкнутой системе, куда он подключен, над абсолютным давлением газа окружающего измерительный прибор.

Вакуумметр измеряет вакуумметрическое давление (Р_в), характеризующее степень разрежения или величину уменьшения абсолютного давления в замкнутой системе, куда подключен вакуумметр, по сравнению с абсолютным давлением среды окружающем измерительный прибор.

Термодинамическим параметром состояния может быть только абсолютное давление (р).

В соответствии с вышеизложенным, абсолютное давление может быть определено по двум выражениям, в зависимости от соотношения абсолютного давления в системе и абсолютного давления газа окружающего измерительный прибор которое в дальнейшем будем называть атмосферным давлением (р_а).

При р>р_а

p = p_а+p_и (1.5)

При р<р_а

p = p_а-p_в (1.6)

Для измерения избыточного и вакуумметрического давления используются пружинные или жидкостные манометры.

Единицей измерения пружинных манометров является паскаль Па или единицы кратные ему - кПа, МПа. Но в настоящее время еще существуют приборы единицей измерения, которых являются: бар и кГс/см² (техническая атмосфера)

1бар=10Н/см²=10⁵Па

1 кГс/см²=9,81 Н/см²=9.81 х 10⁴=98.1 кПа

В жидкостных манометрах избыточное или вакуумметрическое давление характеризуется разностью высот уровня жидкости в левом и правом плечах манометра (в дальнейшем высота столба жидкости h) рис. 1.

Величину избыточного и вакуумметрического давления можно определяется по высоте столба жидкости по следующему выражению: р_u=ρgh; Па (1.7)

где: р - плотность жидкости, заполняющей манометр (кг/м³), при данной температуре;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - высота столба жидкости в жидкостном манометре, м.

а) б)

Рис. 1. Измерение давления с помощью жидкостного манометра, а) мано­метрического (давление в резервуаре больше атмосферного), б) вакуум-метрического (давление в резервуаре меньше атмосферного).

Плотность жидкости зависит от температуры. В технических расчетах необходимо использовать плотность жидкости при нормальных условиях t=20°C=293°K и р=760 мм.рт.ст.=101325Па.

При более точном определении давления показываемого жидкостным манометром необходимо рассчитать плотность жидкости при фактической температуре. Расчет производится по следующей формуле:

ρ=ρ₀(1-β_t х ∆t) (1.8)

где: р0- значение плотности жидкости при Т=293°К (табл. 1);

∆t- отклонение фактической температуры жидкости от 293°К.

βt- коэффициент температурного расширения (таб. 1).

Таблица 1.1

Жидкость	Плотность ρ 0,кг/м3	Коэффициент температурного расширения βtх10-3х 0С-1	Давление 1мм столба жидкости, Па
Ртуть	13546	0.18	132.89
Вода	998,2	0.2	9.79
Этиловый спирт	790	1.1	7.75
Глицерин	1260	0.49	12.36

∆t = Т_ф - 293°К = t_ф - 20°С (1.9)

Температура, как параметр состояния рабочего тела используется в абсолютном исчислении по шкале Кельвина (К). Абсолютная температура всегда положительна. При измерении температуры в градусах по Цельсию абсолютная температура определяется из соотношения

T = 273+t°C (1.10)