Термодинамика.

Дополнительная

5. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. / Справочник. – М.: Атомиздат, 1979. – 216 с.

Введение

Термодинамика (от гр. Therme – тепло и dinamikos - силовой) – наука о соотношении между теплом, работой и физико-химическими свойствами систем.

Система – любая совокупность материальных тел внутри заданных границ. В общем случае система взаимодействует с окружающей средой.

Термодинамика как самостоятельная наука выделилась из физики с середине 19 века.

Раздел термодинамики, главной проблемой которого является превращение тепловой энергии в механическую, называется – Технической термодинамикой, а машины используемые для этой цели – тепловыми двигателями.

Типы тепловых двигателей:

1. Паровые турбины (ТЭЦ, морские суда)

2. Паровые машины (Вытеснены другими)

3. Двигатели внутреннего сгорания /д. в. с./ (Транспорт)

4. Газовые турбины (Небольшая мощность)

5. Реактивные двигатели (Для больших скоростей)

Для всех тепловых двигателей необходимо затрачивать тепло.

80 % получаемой энергии человечество получает за счет сжигания топлива.

На очереди стоит применение регулируемой термоядерной реакции.

Преобразование тепловой энергии в электрическую непосредственно:

ТЭГ – термоэлектро генератор

ТИГ – термоионный генератор

МГДГ – магнитогидравлический генератор

ХЭГ – химикоэлектро генератор

Другой проблемой технической термодинамики является проблема получения холода за счет затраты работы. Такие машины называются холодильниками.

Методы исследования тепловых двигателей аналогичны методам исследования холодильных машин.

Термодинамика основывается на 2^х законах, которые установлены опытным путем.

Термодинамика не объясняет причины того или иного протекания процессов.

В настоящее время термодинамика быстро развивается, что обусловлено применением качественно новых рабочих тел (плазма); новых методов преобразования энергии.

1.1.1 Рабочее тело

это вспомогательное вещество, с помощью которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Окружающая среда – то что находится вокруг рабочего тела.

В качестве рабочего тела могут применяться любые вещества, в любом агрегатном состоянии.

Например: стальной стержень при нагревании-охлаждении будет расширяться или сжиматься .

Чаще в качестве рабочего тела применяют газы. Газы обладают большим коэффициентом теплового расширения, легко деформируются и имеют малый вес.

Рабочие тела – являются макротелами, энергия их движения – механическая.

Тепловая энергия – хаотическое движение молекул (микро тел).

1.1.2 Состояние рабочего тела. Параметры состояния.

Состояние рабочего тела характеризуется параметрами состояния

1. Удельный объем; плотность.

Удельный вес.

2. Давление – сила, приходящаяся на единицу площади ограничивающей оболочки.

- абсолютное давление.

Приборы чаще показывают разность абсолютного и барометрического давления.

В случае разрежения применяют вакуумметры

Параметром состояния является только абсолютное давление.

- принимают в практике.

Пересчёт давления в различных единицах измерения:

3. Температура

– определяет степень нагретости тела косвенным путем – характеризует среднюю кинетическую энергию движения молекул.

Связь градусов Кельвина и Цельсия:

Любое свойство рабочего тела характеризуются двумя заданными параметрами, третий параметр определяется из уравнения состояния идеального газа.

1.1.3. Уравнение состояния идеального газа.

Идеальным называется газ, в котором объем молекул пренебрежимо мал, в нём нет сил притяжения и отталкивания между молекулами.

Идеальный газ характеризуется законами Гей-Люссака и Бойля Мариотта.

Клайперон вывел уравнение состояния:

- для 1 кг газа

R- газовая постоянная

Это работа, совершаемая одним килограммом газа при его нагреве на один градус при постоянном давлении.

Рассмотрим термодинамические параметры воздуха при нормальных физических условиях:

- универсальная газовая постоянная

Для кислорода (О₂)

а) Для массы М газа

б) Для 1 моля газа

1.2. Газовые смеси Характеризуются законом Дальтона, который гласит:

Каждый газ производит такое парциальное давление, какое имел бы этот газ, заполняя один весь предоставленный смеси объем.

,

где P_i – парциальное давление.

Для газовой смеси применимо уравнение Клайперона:

а) Смесь задана массовыми долями, каждый газ имеет массу М_i; M_II; M_III и т.д.

- массовая доля;i – компонент смеси.

Газовая постоянная смеси , где

- молекулярный вес смеси.

,

n_см – число молей смеси.

б) Смесь задана объемными долями.

Используется понятие о приведенном или парциальном объеме.

Парциальным объемом данного компонента называется объем, который занял бы этот компонент если бы он имел параметры смеси.

- закон Амага

- объемная доля i – компонента.

и т.д.

в) Смесь задана мольными долями.

n_i – число молей i компонента в смеси.

- мольная доля i компонента.

Докажем, что мольная доля численно равна объемной доле r_i

По закону Авогадро при одинаковых давлениях и температурах - одинаковы, поэтому объем всей смеси:

Этот случай по аналогии: ;

Сравним формулы парциальных давлений:

,

отсюда

Пример 1.

Для сухого воздуха, который состоит по объему из 21% О₂; 79% N₂ определить газовую постоянную R; и парциальные давления P_i;

P_СМ=760 мм рт. ст.

Решение:

мм рт. ст.

мм рт. ст.

Пример 2.

Определить массовый мольный состав воздуха.