- •Предисловие
- •Введение
- •1. Техническая термодинамика
- •1.1 Основные понятия термодинамики
- •1.3 Теплота и работа как формы передачи энергии.
- •1.4 Вычисление работы деформации газа.
- •1.5 Теплоемкость. Количество тепла в термодинамических процессах.
- •1.6 Изменение внутренней энергии рабочего тела.
- •1.7. Энтальпия рабочего тела.
- •1.8. Энтропия рабочего тела
- •1.9 Первый закон термодинамики.
- •1.10 Исследование термодинамических процессов с идеальным газом.
- •Обратимый изотермический процесс.
- •1.11 Термодинамические циклы Круговые процессы
- •Цикл Карно
- •1.12. Цикл Карно.
- •3) Цикл со смешенным подводом тепла (цикл Тринклера).
- •Сравнение циклов двс.
- •1.13 Водяной пар.
- •Диаграмма I-s водяного пара.
- •Графоаналитический метод расчета процессов с водяным паром.
- •1.14 Паротурбинные установки
- •Тесты для самостоятельной работы
- •Термодинамические процессы
- •Вычисление работы деформации газа.
- •Идеальные циклы д.В.С.
- •2.Основы теории теплообмена
- •2.1 Способы распространения тепла.
- •2.2 Теплопроводность
- •Теплопроводность через плоскую однородную стенку.
- •Теплопроводность через многослойную стенку.
- •Удельный тепловой поток через многослойную стенку определяется по формуле:
- •Теплопроводность через цилиндрическую стенку
- •2.3 Конвективная теплоотдача
- •Теплоотдача при вынужденной конвекции
- •2.4 Излучение. Закон Стефана-Больцмана.
- •2..5 Сложный вид теплообмена теплопередача
- •Теплообменные аппараты:
- •Контрольные вопросы.
- •Тестовые задания для самостоятельной работы Понятие теплового потока, плотности теплового потока.
- •Теплопроводность в плоских одно- и многослойных стенках.
- •Теплопроводность в цилиндрических одно- и многослойных стенках.
- •Уравнение теплоотдачи.
- •Критерии подобия.
- •Теплообмен при свободной конвекции среды. Теплообмен при вынужденном движении среды в трубах.
- •Теплопередача через плоские одно- и многослойные стенки.
- •Теплопередача через многослойные стенки.
- •Назначение и классификация теплообменных аппаратов по способу передачи тепла.
- •Тепловой расчёт теплообменных аппаратов.
- •3. Теплоэнергетические установки.
- •3.1.Топливо и процессы его горения
- •Процесс горения топлива
- •3.2. Котельные установки.
- •3.3 Газотурбинные установки.
- •3.4 Турбореактивные двигатели.
- •3.5. Холодильные машины
- •3.6. Магнитогидродинамические генераторы
- •3.7. Тепловые электростанции (тэс)
- •3.8. Атомные электростанции Физические основы получения ядерной энергии
- •Ядерные реакторы
- •Контрольные вопросы.
- •4 Экологические вопросы энергетики
- •4.1 Тепловая энергетика.
- •4.2 Атомная энергетика.
- •4.3 Гидроэнергетика.
- •4.4 Антропогенное влияние на тепловой баланс Земли.
- •Контрольные вопросы.
- •Глава 1. Техническая термодинамика…………………………………….3
- •Глава 2. Основы теории теплообмена…………………………………...57
- •Глава 3. Теплоэнергетические установки……………………………….86
- •Глава 4. Экологические вопросы энергетики………………………….106
1.5 Теплоемкость. Количество тепла в термодинамических процессах.
Теплоемкость тела – это количество тепла, подводимого к 1 кг или 1 м3 вещества рабочего тела для изменения его температуры на один градус .
Пусть при бесконечно малом изменении состояния тела количество теплоты dQ вызывает изменение температуры тела dT, тогда теплоемкость тела в данном процессе выразится отношением:
C=dQ/dT. (1.16)
Единицей измерения теплоемкости в системе СИ является [Дж/К].
Теплоемкость зависит от характера процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты. Так например теплоемкость СV отличается от удельной теплоемкости газов Сp, когда подвод тепла происходит при постоянном давлении.
Удельная теплоемкость есть отношение теплоемкости к массе вещества.
Молярная теплоемкость есть произведение удельной теплоемкости вещества на его молярную массу.
В зависимости от выбранной единицы рабочего тела различают три вида теплоемкости.
Таблица 1
Вид теплоемкости |
P=const |
V= const |
Массовая теплоемкость ci=C/m , [Дж/кг*К] |
ср |
cv |
Объемная теплоемкость c΄=C/V=Ci∙ρ,[Дж/кг*К] |
cp |
cv |
Молярная теплоемкость cμ=ci∙μ, [Дж/кг*К] |
μ∙ср |
μ∙cv |
Связь между теплоемкостями задается уравнением Майера:
cp-cv=R , (1.17)
где R-удельная газовая постоянная .
Существует две теории теплоемкости: молекулярно-кинетическая и квантовая.
Согласно молекулярно-кинетической теории теплоемкость не зависит от температуры, а только от вида процесса, то есть C=const . В данном случае массовая теплоемкость определяется выражением:
, (1.18)
где μс – молярная теплоемкость;
μi – молярная масса газа.
Объемная теплоемкость
, (1.19)
где Vμ – молярный объем, то есть объем 1-го кмоля идеального газа.
Для нормальных условий (t=0ºC; p=760 мм.рт.ст.) Vμ = 22,4 м3/кмоль.
Объемная и массовая теплоемкости связаны соотношением:
, (1.20)
где ρ-плотность газа.
Соответственно для различных процессов запишем:
P=const: cp= c’p= (1.21)
V=const: cv= c’v= (1.22)
Теплоемкость идеальных газов зависит не только от характера процесса, но и от их атомности (степени свободы).
Для приближенных расчетов и при высоких температурах можно принимать следующие значения мольных теплоемкостей:
Таблица 2
|
|
|
k |
Одноатомный газ |
5 |
3 |
1,67 |
Двухатомный газ |
7 |
5 |
1,4 |
Многоатомный газ |
9 |
7 |
1,29 |
Для пересчета в систему СИ: 1 ккал = 4,1868 кДж
Рассмотрим квантовую теорию теплоемкости, согласно которой для двух- и многоатомных газов теплоемкость зависит от температуры рабочего тела.
Здесь вводится два понятия теплоемкости:
Истинная теплоемкость:
, (1.23)
равна количеству тепла, которое необходимо сообщить телу единичной массы для повышения его температуры на 1оС при любой температуре.
Средняя теплоемкость:
(1.24)
Средняя теплоемкость есть количество тепла, необходимое для повышения температуры рабочего тела от температуры t1 до температуры t2.
Данные теплоемкости находятся опытным путем, систематизируются, и для определенных температур представляются в виде так называемых температурных рядов.
Нелинейную зависимость истиной теплоемкости от температуры представляют обычно уравнением вида:
. (1.25)
Часто в теплотехнических расчетах нелинейную зависимость заменяют близкой к ней линейной зависимостью:
, (1.26)
где постоянные a, b, e зависят от вида процесса, вида теплоемкости, от свойств рабочего тела и являются справочными данными.
а) нелинейная зависимость; б)линейная зависимость; в) c=const.
Рис.1.2 - графическое изображение зависимости теплоемкости от температуры.
Поскольку вычисление истинной теплоемкости по предложенным зависимостям для каждого конкретного случая довольно сложно, то переходим к понятию средней теплоемкости.
Линейная зависимость для средней теплоемкости оределяется:
, (1.27)
,нелинейная (1.28)
где – средние теплоемкости (находятся в справочнике или по эмпирическим формулам).
Таким образом, удельное количество тепла, подводимое к рабочему телу в интервале температур можно определить по формулам:
Через истинную теплоемкость: q = ci(t2-t1) (1.29)
Через среднюю теплоемкость:
для линейной зависимости: q = cm(t2-t1) (1.30)
для нелинейной зависимости: q = c (t2-t1) (1.31)
Общее количество теплоты Q, Дж, подведенное к рабочему телу (или отведенное от него), рассчитывают по формуле:
(1.32)
где M- масса рабочего тела, кг;