экзамен / TEHNIChESKAYa_TERMODINAMIKA
.pdf
Л.И.Лавров, О.Н.Круковский, А.В.Марков, Е.А.Томильцев
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ СИНТЕЗ
2009
Л.И.Лавров, О.Н.Круковский, А.В.Марков, Е.А.Томильцев
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ СИНТЕЗ
2009
УДК 66.02 Ф 912
Рецензент :
Зав. кафедрой теоретических основ химического машиностроения Санкт-Петербургского государственного технологического института д-р техн. наук, проф. Н.А. Марцулевич
|
Лавров Л.И., Круковский О.Н., Марков А.В., Томильцев Е.А. |
|
Ф 912 |
"Техническая термодинамика". – Краткий курс лекций |
для студентов |
заочного обучения. – Методическое пособие . – СПб, СПбГТИ(ТУ), 2009.- ил. 42, библиогр. 5 назв. - 116 с.
ISBN 5–93808–039–8
Методическое пособие предназначено для студентов заочного обучения неэнергетических специальностей, в котором изложены основные законы энергетики в процессах идеального и реальных газов; рассмотрена работа машин, имеющих широкое применение в химической промышленности – компрессоров, холодильных установок; основы работы энергоблока тепловых электростанций.
Пособие соответствует рабочей программе «Техническая термодинамика и теплотехника» для студентов химико-технологических и механических специальностей.
Ф 2802000000–007 Без объявл.
050(01)–03 |
|
ISBN 5–93808–039–8 |
© Л.И.Лавров и др. 2009 |
© СИНТЕЗ, 2009 |
Содержание
стр.
Введение ………………………………………………………………………… 5
1.Термодинамическая система………………………………………………… 6
1.1.Закон сохранения энергии …………………………………………….. 8
1.2.Идеализации в термодинамике ……………………………………….. 12
2.Политропные процессы идеального газа ………………………………….. 16
2.1.Уравнение состояния и первый закон термодинамики …………….. 16
2.2.Уравнения политропных процессов ………………………………….. 25
2.3.Расчет энтропии и ее изменений в процессах идеального газа …….. 31
2.4.Анализ процессов по диаграммам р-v и Т-s ………………………….. 33
3.Циклы ………………………………………………………………………… 37
3.1.Цикл Карно …………………………………………………………….. 40
3.2.Выводы, вытекающие из цикла Карно ………………………………. 42
4.Второй закон термодинамики ……………………………………………… 46
4.1.Формулировки, смысл и математическое выражение ………………. 46
4.2. Изменение энтропии в частных случаях необратимых процессов … 53
5.Метод термодинамических функций ……………………………………… 58
6.Эксергетический метод анализа …………………………………………… 60
6.1.Расчет эксергии и ее изменения в процессах ……………………….. 60
6.2.Эксергетический КПД ………………………………………………… 64
7.Реальный газ ………………………………………………………………… 66
7.1.Параметры и термодинамические функции реальных газов ………. 66
7.2.Диаграммы реальных газов …………………………………………… 71
7.3.Расчеты процессов реальных газов …………………………………… 74
7.4.Фазовые превращения ………………………………………………… 78
7.4.1.Уравнения Клапейрона – Клаузиуса ………………………….. 80
7.4.2.Интегральные формы уравнения Клапейрона – Клаузиуса … 82
3
7.5. Полные диаграммы состояния …………………………………………...83
8.Сжатие газа в компрессоре …………………………………………………. 86
8.1.Одноступенчатый компрессор ………………………………………… 86
8.2.Особенности реального компрессора..………………………………… 93
8.3.Многоступенчатый компрессор ………………………………………. 97
9.Холодильные парокомпрессионные установки …………………………… 102
9.1.Основные виды холодильных циклов и расчетные формулы ……….. 103
10.Теоретический цикл энергоблока тепловой электростанции
(цикл Ренкина)……………………………………………………………… 111 Литература ……………………………………………………………………… 116
4
Введение
Термодинамика – наука об энергии и энергетических превращениях. В основах, как следует из названия, она рассматривает превращение теплоты в механическую энергию, в энергию движения, что представляет главное направление всей энергетики: работы двигателей, энергоблоков с превращением механической энергии в электрическую, а также других тепловых машин – холодильных, тепловых насосов, компрессоров и различных машин и аппаратов с затратами работы и использованием тепла – печей, реакторов. Теоретические основы процессов в этих машинах рассматривает
техническая термодинамика.
Однако, любые другие формы энергии и их взаимопревращения всегда имеют тепловую и механическую составляющие, поэтому различные виды энергетических превращений часто называют термодинамическими, то есть термины термодинамика и энергетика по сути дела являются равнозначными. Отсюда применение законов термодинамики в различных процессах вызвало образование ряда наук как широкого охвата: физическая термодинамика, химическая термодинамика, термодинамика биосистем, так и более узкого характера: термодинамика полимеров, термодинамика поверхностных явлений, термодинамика излучений, термодинамика горения и т.д.
Исходные базовые представления об энергетических превращениях и работе тепловых машин дают основы технической термодинамики, рассматриваемые в представленном кратком лекционном курсе.
5
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Тело или совокупность тел, являющиеся объектом термодинамического исследования, называют термодинамической системой. Таким образом, термодинамической системой может быть назван любой объект с определенными границами, которые могут быть представлены даже мысленно. В технической термодинамике исходной системой полагают рабочее тело (например, газ, находящийся в цилиндре с поршнем). В более широком плане это может быть машина, аппарат, реактор и т.п. Состояние системы отражается совокупностью численных показателей, называемых параметрами.
Материальные системы всегда располагают некоторым количеством вещества - массой и энергией, которая определенным образом распределяется, образуя энергетическое поле. Неравномерности распределения энергии вызывают потоки энергии и вещества. Поэтому термодинамическая система всегда находится под действием различных энергетических полей, вызывающих обмен энергией через границы системы. При обмене системы с окружающей средой или другой системой веществом и энергией происходит изменение всех или некоторых ее параметров, называемое термодинамическим процессом. При этом две формы обмена энергией присутствуют всегда – это теплота и работа механических деформационных сил, поскольку любая система находится под определенным давлением и при определенной температуре окружающей среды. В связи с этим простейшей термодинамической системой полагают термомеханическую систему, взаимодействие которой с окружающей средой заключается в обмене теплотой и работой.
Термодинамика, как наука о взаимопревращениях энергии из одних форм в другие, первостепенное внимание уделяет превращению теплоты в механическую работу, как основную форму энергии, используемую для движения транспорта, для выработки электроэнергии, для получения изделий,
6
продуктов и так далее. Рабочими телами при этом должны быть такие вещества, которые обладают наибольшим коэффициентом термического расширения, то есть которые при нагревании производят наибольшую работу.
Такими свойствами обладают газы и пары, которые и являются в термодинамике первоначальными объектами изучения. Их свойства и закономерности процессов лежат в основе разработки машин и аппаратов, в технике и разнообразных технологиях.
В химической промышленности такими машинами, например, являются холодильные установки, компрессоры, аппараты различных технологий. Во всех процессах, происходящих в них, наблюдаются взаимопревращения энергии. Анализ и расчеты энергетики для этой аппаратуры являются основой для их разработки и совершенствования.
В действительности системы могут быть значительно более сложными, находящимися в различных энергетических полях и взаимодействующих с ними.
Системы подразделяют на закрытые, обменивающиеся с окружающей средой только энергией в различных формах, и открытые, обменивающиеся со средой также и веществом.
Системы, не обменивающиеся теплотой, называются теплоизолированными или адиабатными. При отсутствии любых видов взаимодействия системы называют изолированными.
Окружающую среду часто наделяют свойствами термостата, то есть ее
параметры остаются постоянными даже если параметры системы изменяются. Это физически возможно, если количество вещества в окружающей среде много больше, чем в системе и взаимодействие, существенное для системы, не существенно для окружающей среды. Если система совместно с окружающей средой не взаимодействует с другими системами и, следовательно, образуют изолированную систему, то ее называют гиперсистемой.
7
1.1. Закон сохранения энергии
Всеобщим законом энергетики, представляющим результаты огромного опыта, является закон, утверждающий, что энергия не исчезает и не появляется, а может только переходить из одного вида в другой в эквивалентных количествах, который получил название закона сохранения энергии. Этот всеобщий закон природы, по сути устанавливающий энергетические балансы, является применимым и справедливым для любых систем и дающий возможности проводить расчеты.
Взависимости от систем и условий, этот закон может выражаться различными уравнениями. Он может быть представлен как балансами одного вида энергии – тепловой баланс, баланс механической энергии и т.п., так и уравнениями с взаимопревращениями разных видов энергии.
Вприложении к термодинамическим системам этот закон принято называть первым законом (или первым началом) термодинамики:
Q = U + A |
(1.1) |
Тепло идет на изменение внутренней энергии и совершения работы, а |
|
если система движется, то: |
|
Q = U + Екин + A |
(1.2) |
то есть дополняется кинетическая энергия движения всей системы как целого. Первый закон термодинамики как и закон сохранения энергии сформулирован в середине ХIХ века в результате работ Ю.Р. Майера,
Дж.Джоуля и Г. Гельмгольца.
В более широкой трактовке под работой А может подразумеваться работа различных форм энергии, действие различных энергетических полей,
которые могут быть представлены одновременными воздействиями |
|
Q = U + ∑A i |
(1.3) |
или в дифференциальной форме: |
|
δQ = dU + ∑δA i |
(1.4) |
Любой вид энергетического воздействия обладает своей |
парой |
8 |
|
параметров – потенциалом Рi и координатой Хi (или интенсивной и экстенсивной величинами).
Произведение потенциала на изменение координаты выражает данный вид энергетического воздействия, поэтому уравнение первого закона может быть представлено
δQ = dU + ∑ Рi dХ I |
(1.5) |
Внутренняя энергия, как сумма кинетической и потенциальной энергий всей совокупности частиц, составляющих систему, является функцией состояния, ее изменения не зависят от пути перехода, и ее величина представляет полный дифференциал.
Теплота и работы различного вида зависят от пути перехода рабочего тела из одного состояния в другое и поэтому являются функциями процесса, не обладая полным дифференциалом.
Эти особенности термодинамических величин процессов отражают в дифференциальных уравнениях для отличия от полных дифференциалов другим буквенным обозначением величин бесконечно малого изменения - «δ»:
δQ = dU + ∑ δAi (1.6)
В простой термомеханической системе под работой подразумевается работа деформационных сил, совершаемая под действием равномерно распределенного давления (работа расширения или сжатия), потенциалом для которой является давление р, а координатой объем V. Эту работу в технической термодинамике принято обозначать L.
Для термомеханической системы первый закон термодинамики выразится:
δQ = dU + δL |
(1.7) |
Соответственно в интегральной форме: |
|
Q = U + L ; |
(1.8) |
Экстенсивные параметры и величины, пропорциональные количеству
9