Математическое выражение первого закона термодинамики для различных процессов

·     Изохорный процесс (V = const)

Т.к. V=const, то PdV=0 и тогда из уравнения (3)

                                        dQ_v=dU_v                                    (4)

Всё тепло, переданное системе, идёт на изменение ее внутренней энергии. Внутренняя энергия является функцией состояния. Она не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое, значит и теплота в таких процессах тоже будет представлять собой функцию состояния, т.е. она не будет зависеть от пути перехода системы из одного состояния в другое.

Для идеальных газовых систем внутренняя энергия не зависит ни от объёма, ни от давления, т.е. .

Для реальных газов при невысоких давлениях можно принять dU_V ≈dU_V. Учитывая это, индексы V и Р у dU_V и dU_P можно не писать.

·     Изобарный процесс (Р = const)

Т.к. P=const , тогда PdV=d(PV), из чего следует

                    dQ_P=dUp+d(PV)=d(UP+PV)=dH .         (5)

Всё тепло, сообщенное системе, расходуется на изменение энтальпии системы. Энтальпия является функцией состояния, поэтому теплота в изобарных  процессах тоже будет представлять собой функцию состояния и не будет зависеть от пути перехода  системы из одного состояния в другое.

·     Изотермический процесс (Т = const)

Для идеального газа, как и для реального, при невысоких температурах внутренняя энергия является функцией температуры, поэтому U=const и уравнение (3) принимает вид

                                          δQT=PdV                                

В изотермическом процессе всё тепло, сообщенное системе, тратится на работу против сил внешнего давления.

Если система находится в газообразном состоянии и подчиняется законам идеального газа, то для 1 моля газа PV=RT, тогда P=RT/V.

Подставляя эту формулу в уравнение (6), а затем интегрируя его, получим

          ?Q_T,=RT·lnV₂/V₁

или, пользуясь законом Бойля – Мариотта

           V₂/V₁=P₁/P₂ ,

можно записать             ?Q_T,=RT·lnP₁/P₂.                            

·     Адиабатный процесс (d Q = 0)

В системе отсутствуют теплообменные процессы. Уравнение (3) примет вид

                                        dU=PdV

При адиабатном процессе работа совершается системой за счет убыли её внутренней энергии.

11.Тепловые двигатели. Цикл Карно и двигатель Карно.

Тепловые двигатели - машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Виды двигателей: -паровая машина, -двигатель внутреннего сгорания, -паровая и газовая турбины, -реактивный двигатель.

ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, ДВИГАТЕЛЬ, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. В качестве двигателей используют также ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей.

Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.

ДВС классифицируют:

а)По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б)По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС.

г) По способу воспламенения (искра или сжатие).

д) По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные, V-образные, VR-образные и W-образные двигатели.

Паровые турбины. Паровая или газовая турбина — тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого тепловая энергия пара или газа преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно соединен с ротором быстроходной машины — потребителя: генератором переменного тока, компрессором, насосом, воздуходувкой и т. д.

Паровая турбина экономично работает при высоких начальных параметрах пара и глубоком вакууме в выпускном патрубке, созданном конденсатором. На тепловых электростанциях с паровыми турбинами достаточно просто осуществляется совместная выработка тепловой и механической энергии с очень высоким коэффициентом использования теплоты топлива; пар на отопление и технологические нужды отбирается из промежуточных ступеней.

В 1884 г. Ч. Парсонс сконструировал паровую турбину реактивного типа, а в 1889 г. инженер Г. Лаваль изобрел турбину активного типа.

Пар в турбине Лаваля поступает через открытый при всех нагрузках стопорный клапан /, который закрывают при аварийных режимах. Изменение количества пара при изменении нагрузки осуществляется регулирующим клапаном.

Сопловые каналы между направляющими лопатками имеют сначала суживающуюся, а затем расширяющуюся форму, благодаря чему происходит расширение пара с уменьшением давления и температуры. При этом тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию.

Затем пар поступает в каналы рабочих лопаток с одинаковым сечением на входе и выходе. При изменении направления движения в рабочей решетке пар воздействует на рабочие лопатки, заставляя их вращаться. Крутящий момент через диск  передается на вал. Ступень турбины размещается в корпусе.

В местах выхода вала из корпуса установлены концевые уплотнения 8, ограничивающие утечку пара из корпуса. Вал турбины вращается в подшипниках 9, упорным подшипником 10 ротор фиксируется в осевом положении относительно статора. Крутящий момент передается через муфту.

Развитие активных турбин связано с увеличением числа ступеней. Внутренняя полость цилиндра турбины диафрагмы.

Реактивный двигатель, двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в Р. д. могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Р. д. (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов.