4. Эксергия, её свойства и физический смысл. Эксергия теплоты, потока и квазистатической системы.

Эксэргия и эксергетический метод анализа теплотехники являются дополнением к энергетическому методу анализа.

Рассмотрим процесс теплообмена между 2мя телами, имеющими постоянные температуры Т₁ и Т₂.

Эксергия – максимальная работа, которую может совершить система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.

Определим изменение энтропии системы.

- коэффициент Карно или эксергетическая температура.

- Уравнение Гюи – Стодла

Эксергия позволяет объяснить физический смысл энтропии.

Энтропия рассматривается в термодинамической системе как калорический параметр состояния, возрастание которого при протекании в ней необратимых процессов прямопропорционально уменьшению эксэргии этой системы.

Рассмотрим сравнительные свойства энергии и эксэргии.

Энергия	Эксэргия
1. Определяет параметры состояния термодинамической системы.	1. Определяет параметры системы и окружающей среды.
2. Изолированная система остаётся неизменной при протекании необратимых процессов	2. Стремится к 0 при протекании необратимых процессов
3. Окр. ср. → ∞	3. Окр. ср. близка к 0
4. Превращение в другие виды ограничено 2м законом термодинамики	4.Неограничена

Виды эксэргии и их определения.

1. Эксэргия тел с постоянной температурой.

2. Эксэргия тел с переменной температурой.

3. Эксэргия поточных систем.

4. Эксэргия квазистатических систем.

1. Эксэргия тел с переменной температурой.

Если рабочее тело в системе – газ, то

Эксэргия потока.

1-В – изотропный;

В-ОС – обратимый изотермический;

h_B=h_OC, т.к. Т_B=Т_ОС.

ex=h₁-h_a

Эксэргия квазистатической системы.

К квазистатической системе относят закрытые условно неподвижные системы (сжатый газ, находящийся в баллоне; пропарочная камера) Определим эксэргию квазистатической системы.

1 -b-oc – обратимый переход;

1-b – обратимый адиабатный (изотропный) переход;

b-оc – обратимый изотермический переход.

В общем виде:

Помимо определения эксэргии при анализе определяют также эксэргетический КПД процессов и устройств. - эксэргетический КПД процесса горения.

Для систем не производящих полезную работу (теплообменные аппараты) эксэргетический КПД определяют следующим образом:

Для систем производящих полезную работу (тепловые двигатели, турбины) ,

l_тд – действительная работа турбины.

Эксэргетический анализ термодинамических процессов и систем является дополняющим к широко известному энергетическому методу. В отличии от энергетического метода эксэргетический позволяет учитывать не только количество, но и качество используемой энергии. С помощью этого метода можно выявлять те участки цепи технологического преобразования и использования энергии, где потери эксэргии наибольшие.

5. Уравнения состояния идеальных и реальных газов и паров.

Известно, что вещество может находиться в одном из 4х фазовых состояний: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма, и это определяется значениями параметров состояния. Но в пределах одной фазы состояние и даже свойства вещества могут существенно отличаться, если различны параметры состояния.

Каждому состоянию соответствует определённые значения характеристических функций, например u=f(p, V, T). Ссылаясь на свойства этих функций, можно утверждать, что существует определённая однозначная связь между отдельными параметрами состояния.

Исследованиями свойств газов и разработкой уравнений состояния занимается физика. В общем случае это сложная и трудоёмкая задача. Для идеального газа (такие состояния газа, при которых можно пренебрегать силами взаимодействия между молекулами и объёмами самих молекул) уравнение состояния, которое называют обычно уравнением Клапейрона принимает вид:

p·V=R·T,

где R – газовая постоянная, своя для каждого газа, R=8314/μ, Дж/кг; μ – молекулярная масса газа, кг/моль.

Уравнение Клапейрона непригодно для описания реальных газов, особенно при высоких Р и низких T. Даже при нормальных условиях это уравнение для некоторых газов даёт погрешность 2÷3 %.

Уравнение Клапейрона не учитывает:

1. Размеров молекул;

2. Силы взаимодействия между молекулами;

3. Явление ассоциации молекул.

Наиболее простым и достаточно хорошо теоретически обоснованным считается уравнение Ван–Дер.–Вальса.

У равнение может иметь 3 вещественных корня или 1 вещественный и 2 мнимых. Практическое значение имеют вещественные корни.

Критические параметры состояния связаны с коэффициентами a и b соотношениями:

Уравнение Ван–Дер.–Вальса достаточно хорошо описывает свойства реальных газов и паров, однако не удовлетворяет практическим целям с количественной точки зрения.

6. T-S и H-S – диаграммы водяного пара. Основные паровые процессы и их расчёт.

Наряду с T-S диаграммами широко применяют H-S диаграммы.

Основным преимуществом H-S диаграммы перед T-S является то, что в ней характерное действие представлено в виде отрезков, а не площадей.

К паровым процессам относят 4 элементарных термодинамических процесса: изобарный, адиабатный, изотермический и изохорный. Наибольшее практическое значение имеют 2 первых.

Расчёт тепловых процессов обычно выполняют графо – аналитическими методами с помощью H-S диаграмм и некоторых расчётных выражений (уравнение 1го закона термодинамики).

1. Изобарный процесс P=const.

Реализуется в пароводяных теплообменниках, котлах, конденсаторах.

Рассмотрим процесс изобарного подвода теплоты к водяному пару.

Адиабатный процесс

Реализуется для воды в насосах, в соплах турбин, эжекторах, а также в парокомпрессионных и пароэжекторных холодильных машинах и тепловых насосах.

;

q=0; ΔS=0;

l’=h₁-h₂;

l=U₁-U₂=h₁+h₂-(P₁·V₁-P₂·V₂).

Для приближённых расчётов при низких давлениях пара Р₁≤ 2÷2,5 МПа может использоваться методика Выхухоля

Если расширение происходит в области перегретого пара, то Кср≈1,3.

Для области влажного насыщенного пара Кср=1,035+0,1·х

Изотермический процесс.

Самостоятельного значения не имеет, реализован лишь в 2х фазной области при протекании процессов парообразования или конденсации.

В отличии от идеального газа внутренняя энергия водяного пара не остаётся постоянной, наиболее значительно внутренняя энергия изменяется в 2х фазной области, т.е. в процессе 1-2. Это связано со значительными затратами энергии на преодоление сил межмолекулярногосцепления (диагрегация молекул). В процессе а-2 изменение внутренней энергии уже незначительно.

Изохорный процесс.

Изохорный процесс водяного пара реализуется в различных автоклавных печах.