Рабочее тело, идеальный и реальный газы. Основные и дополнительные пар-ры состояния раб. тела, их ед. измерения.
Тело, с по- мощью которого тепловая энергия превращается в механическую, называется рабочим телом.
Идеальный газ, в котором отсутствуют силы сцепления между молекулами, а объем их принимается настолько малым, что им можно пренебречь.
Водяной пар в технической термодинамике рассматривается как реальный газ, на который не распространяются законы и зависимости идеальных газов.
Основные параметры, характеризующие условия, в которых находится газообразное тело – давление, удельный объем, температура.
Давление – результат ударов молекул газа о стенки сосуда, определяется силой, действующей по нормали на единицу поверхности.
СИ: 1 МПа = 103 кПа = 106 Па.
Внесистемные единицы измерения давления: техническая атмосфера 1ат = 1кГс/см2 = 104 кГс/м2 = 1бар = 9,81·104Па = 104 мм вод. ст. = 735,6 мм рт. ст.
Давление в замкнутом пространстве называют абсолютным. Оно может быть больше или меньше атмосферного давления
рабс = рбар + ризб;
рабс = рбар – рвак,
Удельный объем – объем единицы массы рабочего тела (м3/кг)
v=V/M
где V – объем рабочего тела, м3; M – масса рабочего тела, кг.
Величина, обратная удельному объему – плотность (кг/м3)
ρ=1/v
Температура характеризует степень нагрева тела, то есть степень интенсивности движения молекул или меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул.
В термодинамике в качестве параметра состояния газа используется термодинамическая (абсолютная) температура (Т). Она пропорциональна средней кинетической энергии движения молекул и отсчитывается от абсолютного нуля. Эта температура измеряется в градусах Кельвина (К).
Также используется Международная стоградусная шкала (t), ед. измерения ºС
T=t+273,15
Способы задания газовых смесей: массовыми, объёмными долями; плотность смеси, газовая постоянная смеси. З-н Дальтона.
Газовая смесь определяется составом и количеством каждого из компонентов газа, входящего в смесь, и может быть задана массовыми или объемными долями.
Массовая доля mi определяется отношением массы i-того компонента газа к массе всего газа
mi=Mi/M
где Мi – масса i-того компонента, кг; М – масса всей смеси, кг.
Объемная доля ri – это отношение объема i-того компонента, входящего в смесь, к объему всей смеси при условии, что объем каждого компонента отнесен к давлению и температуре смеси (приведенный объем)
ri=Vi/V
где Vi – приведенный объем i-того компонента смеси газа, м3;
V – общий объем газовой смеси, м3.
Плотность смеси ρсм, кг/м3, определяется через объемные или массовые доли
Газовую постоянную данной смеси Rсм, Дж/(кг·К), можно выразить через газовые постоянные отдельных ее компонентов
Давление газовой смеси рсм, Па, по закону Дальтона равно сумме парциальных давлений отдельных компонентов смеси
где рсм – давление газовой смеси, Па;
рi – парциальное давление (при объеме газовой смеси) от-
дельного компонента, Па.
Теплоемкость газов: массовая, объемная, мольная, истинная, средняя, при пост объеме, при пост. давлении. Показатель адиабаты.
Количество теплоты, необходимое для нагревания единицы количества вещества на один градус, называется удельной теплоемкостью.
Различают удельные теплоемкости:
массовую c, Дж/(кг·К);
объемную с′, Дж/(м 3·К);
мольную (µс), Дж/(кмоль·К).
Широкое применение в термодинамике имеют теплоемкости
при постоянном давлении ср и при постоянном объеме сv. Теплоемкость идеальных газов зависит от температуры газа. Она увеличивается с повышением температуры. Зависимость теплоемкости от температуры нелинейная, но в практических расчетах ее принимают линейной
с = а + bt
где а, в – опытные коэффициенты; t – температура газа, ºС.
Согласно определению, теплоемкость
называется истинной теплоемкостью и соответствует опреде- ленной температуре. При практических расчетах в широком тем- пературном диапазоне пользуются средней теплоемкостью
где , - среднее значения теплоемкостей
В термодинамике важное значение имеет соотношение теплоемкостей ср и сv, которое обозначается буквой k и называется
показателем адиабаты
По значениям теплоемкостей идеальных газов можно получить показатели адиабаты
одноатомные к=5/3
двухатомные к=7/5
трех- и многоатомные к-9/7
Термодинамический процесс
При подводе (отводе) тепла к газу (рабочему телу), а также при приложении к газу внешней работы газ проходит ряд состояний. Причем, как было сказано выше, эти состояния определяются параметрами P, v, T, а связь между ними – характеристическим уравнением Pv = RT. Такой переход газа из начального состояния в конечное называют термодинамическим процессом изменения состояния газа.
В общем случае, если к газу (рабочему телу) подводится те- пло, то изменяются все его основные параметры: P, v, T. Харак- теристическое уравнение, описывающее связь между параметрами состояния идеального газа, относится к такому его состоянию, при котором по всей массе газа имеют место одни и те же давле- ние и температура, а значит, и удельный объем. Такое состояние газа называется равновесным состоянием.
Термодинамика изучает в первую очередь равновесные со- стояния и процессы, представляющие собой цепь последователь- ных и непрерывных переходов от одного состояния к другому. Такие процессы, в которых изменения давления и температуры успевали бы распространяться по всему объему газа, должны протекать бесконечно медленно.
При соблюдении перечисленных условий процесс изменения состояния газа обладает тем свойством, что его можно провести в обратном направлении. Такие процессы получили название об- ратимых процессов. Причем, параметры состояния процессов, проходящих в прямом и обратном направлениях, должны совпа- дать. Все процессы, протекающие в тепловых двигателях, проис- ходят при конечных значениях скоростей и разности температур, поэтому обладают всеми признаками необратимости.
Ввиду сложности явлений, происходящих в необратимых
процессах, термодинамика в первую очередь изучает обратимые процессы, а перенесение результатов их изучения на необрати- мые процессы, как правило, осуществляется при помощи опыт- ных коэффициентов.
Методы изучения термодинамических процессов.
Процессы в термодинамике изучаются двумя методами:
аналитическим;
графическим.
Последний метод ценен своей простотой и наглядностью. В
нем в основном используют две системы координат – pv
и Ts.
Координаты pv применяют для вычисления работы газа. В процессе1-2 давление все время меняется, поэтому используют следующий прием. Весь процесс разбивают на n
очень малых элементов ∆v, в каждом из которых давление pi считают постоянным. Поршень в одном из этих элементов процесса проходит отрезок ∆h. Если площадь поршня обозначим через f, то сила, действующая по нормали, будет равна pi⋅f, а элементарная работа ∆l на ∆h составит ∆l = pif∆h. Произведение f∆h – есть объем, описанный поршнем на пути ∆h, так что ∆l = pi∆v. Стоящее справа произведение соответствует площади заштрихованного прямоугольника, следовательно, этой площадью измеряется работа.
Сумма всех n элементарных работ процесса 1-2
Поэтому площадь 1-2-3-4-1 образованная кривой процесса, осью абсцисс и крайними ординатами, измеряет работу расширения в процессе 1-2.
Как известно, пределом приведенной выше суммы, если р = f (v), является интеграл
Графическое изображение процессов в pv- координатах наглядно иллюстрирует зависимость работы от пути процесса. Действительно, если процесс 1-2 пойдет по другой кривой, то и площадь под ней будет другая.
Рассмотрев произвольный процесс в Ts-координатах, аналогично предыдущему анализу получим, что площадь 1-2-3-4-1 измеряет количество тепла в процессе.
Изучаемые в термодинамике процессы.
В термодинамике в зависимости от характера протекания процесса различают следующие процессы:
изохорный – процесс при постоянном объеме (v = const);
изобарный – процесс при постоянном давлении (p = const);
изотермический – процесс при постоянной температуре(T = const);
адиабатный – процесс без теплообмена с внешней средой(q = 0);
политропный – процесс обобщенный, в котором параметры
изменяются согласно уравнению pvn = const, где (– ∞ ≤ n ≤ + ∞).
Круговой процесс (цикл).
В процессе расширения рабочее тело, переходя из состояния 1 в состояние 3, производит работу. Для того чтобы процесс по- лучения работы не ограничивался одним изменением рабочего тела (из состояния 1 в состояние 3), а продолжался неограничен- но долго, необходимо рабочее тело из состояния 3 вернуть в со- стояние 1
Для этого необходимо периодически после совершения газом (рабочим телом) процесса расширения (по линии 1-2-3), сжимать газ (по линии 3-4-1), возвращая его в первоначальное состояние. Такой процесс, в течение которого газ претерпевает ряд изменений своего состояния и вновь возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом.
В процессе 1-2-3 рабочее тело совершает работу расширения за счет тепла q1, которая передается на вал машины. В pv- координатах эта работа измеряется площадью 1-2-3-5-6-1. В процессе 3-4-1 для совершения работы сжатия расходуется энергия q2, отнятая от вала. За счет энергии q2 совершается работа сжатия, которая измеряется площадью 1-4-3-5-6-1.В описанном цикле рабочее тело совершает полезную работу, измеряемую разностью
q2 – q1 = qо, то есть площадью 1-2-3-4-Эта площадь называется полезной работой цикла и обозначается lо. Если работу расширения обозначить l1, а работу сжатия l2, то площадь 1-2-3-4-1 и есть полезная работа цикла lо = l2 – l1.Из рисунка видно, что процесс сжатия необходимо провести таким образом, чтобы кривая линия 3-4-1 прошла ниже кривой 1-2-3. В противном случае машина не произведет полез- ной работы. Изменение состояния рабочего тела по линии 3-4-1 достигается отдачей тепла в холодный источник.
Отношение количества полезной механической энергии, по- лученной за счет тепловой энергии (qо = q1 – q2), к энергии полученной от горячего источника (q1) называют термодинамическим коэффициентом полезного действия (КПД) кругового процесса (цикла)
Описанный обратимый цикл, состоящий из ряда обратимых равновесных процессов, называют идеальным циклом, а машину, совершающую его, - идеальной машиной. Подсчет величины ра- боты в реальных машинах осуществляется путем введения опыт- ных коэффициентов, учитывающих различного рода потери.
В произвольном круговом процессе, изображенном в Тs- координатах (рисунок 1.4), отношение площади диаграммы цикла к площади, измеряющей количество полученного тепла, определяет термодинамический КПД обратимого цикла
Из проведенного рассмотрения обратимого кругового процесса можно сделать два важных вывода:
1-в pv- и Ts-координатах термодинамический КПД имеет одно и то же значение;
2-термодинамический КПД не может быть больше единицы.
25) Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора .
отличается от теоретической диаграммы по следующим причинам наличие в реальном компрессоре вредного пространства; потери давления в клапанах;
теплообмен между газом и стенками цилиндра.
С увеличением конечного давления (р2) объемный КПД одноступенчатого
компрессора уменьшается (рисунок 1.31) и, следовательно,
уменьшается также производительность компрессора.
26)Диаграмма многоступенчатого поршневого компрессора.
Причины использования многоступенчатых поршневых компрессоров
В различных отраслях промышленности необходимым является получение давления газа с высоким давлением. В горнодобывающей промышленности применяется воздух с давлением от 0,9 МПа до 70…80 МПа.
В первом случае давление необходимо для пневматического привода различного горношахтного оборудования (бурильные установки, отбойные молотки и т. д.), во втором - высокое давление необходимо для воздушных взрывных патронов.
В химической промышленности для синтеза, например, аммиака требуется сжатие газа до 32…70 МПа, а при производстве полиэтилена – до 350 МПа (≈3500 атм).
Сжатие газа до таких значений давления в одной ступени практически невозможно.
Выходом из положения является применение в компрессорах многоступенчатого сжатия с использованием промежуточного охлаждения газа между ступенями сжатия компрессора или просто ступенями компрессора.
27)Цикл и схема воздушно-компресорной холодильной установки.
Рисунок 1.34 – Схема воздушно-компрессорной холодильной установки: 1 – охлаждаемое помещение или холодильная камера; 2 – компрессор; 3 – охладитель воздуха; 4 – расширительный цилиндр (детандер)
Цикл: Для получения низких температур (производства холода) в данном типе установки используют адиабатное расширение воз- духа. Для этого его предварительно сжимают, а затем охлаждают до температуры, например, окружающей среды, так как при сжатии температура воздуха повышается.
Если такой воздух заставить расширятся по адиабате, он совершит работу за счет своей энергии; при этом его температура понизится и окажется ниже температуры окружающей среды. Из расширительного цилиндра холодный воздух направляют в холодильную камеру 1, где он, отнимая теплоту от охлаждаемых тел, нагревается и вновь поступает в компрессор 2.
Холодильный коэфицент цикла:
Удельная работа, затраченная в цикле:
Теоретическая мощность привода копрессора:
28) Тепловой насос.
Таким образом, тепловым насосом называют холодильную установку, используемую обычно для подвода тепла к нагреваемому объему. Такое название они получили потому, что они как бы «перекачивают» тепло из холодного источника в горячий. В горячий источник поступает тепло q1, отобранное от холодного источника q2, и работа lц, подводимая извне для осуществления этого холодильного цикла.
Эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение количества тепла q1, сообщенного нагреваемому объему, к величине работы lо, подведенной в цикле.
29) Физическое состояние вещества.
Фазовым переходом называют переход вещества из одной фазы в другую, существующую одновременно с первой. При этом обычно имеют в виду агрегатные состояния вещества и по- этому говорят о газовой, жидкой и твердой фазах. Следователь- но, под фазовым переходом подразумевают переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.
Линию фазового перехода можно изобразить на диаграмме в рТ-координатах (рисунок 1.36), если нанести состояния, соответ- ствующие давлениям и температурам фазового перехода.
Слева от линии АОВ расположена область твердого вещест- ва, справа от линии КОВ – область газообразного веществ, а ме- жду линиями ОА и ОК – область жидкого состояния.
Из этой диаграммы следует, что линия ОВ представляет со- бой кривую линию сублимации вещества (фазового перехода из твердого агрегатного состояния в газообразное). Линия ОА представляет собой кривую линию плавления (затвердевания), а линия ОК – кривую линию кипения (конденсации). Кривая кипения обычно называется линией насыщения. Точка О представляет со- бой тройную точку, в которой вещество существует одновременно в трех агрегатных состояниях.