§ 1. Предмет технической термодинамики

Введение

Технической термодинамикой называется наука о свойствах тепловой энергии и законах взаимопреобразования тепловой и механической энергии. Техническая термодинамика положена в основу изучения и усовершенствования всех тепловых двигателей.

Как известно из практики, во взаимопреобразовании тепловой и механической энергии участвует рабочее тело, в роли которого, как правило, выступают газообразные тела — газы и пары. Использование в качестве рабочего тела газов и паров объясняется тем, что они, обла­дая большим коэффициентом теплового расширения, могут при нагре­вании совершать гораздо большую работу, чем жидкости и твердые тела,

В термодинамике введено два понятия о газе. Газы, молекулы кото­рых обладают силами взаимодействия и имеют конечные, хотя и весь­ма малые геометрические размеры, называются реальными газами. Газы, молекулы которых не обладают силами взаимодействия, а сами молекулы представляют собой материальные точки с ничтожно малы­ми объемами, называются идеальными газами. Понятие об идеальном газе введено для упрощения изучения термодинамических процессов и получении более простых расчетных формул.

Водяной пар рассматривают как реальный газ, к которому нельзя применять законы, установленные для идеальных газон. Вес реальные газы являются парами тех или иных жидкостей; при этом чем ближе газ к переходу в жидкое состояние, тем больше его свойства отклоня­ются от свойств идеального газа.

В качестве рабочего тела в тепловых машинах использу­ют газы и пары, обладающие способностью легко и быстро расширяться или сжиматься. В процессах взаимного преобра­зования теплоты и работы в тепловых машинах искомыми ве­личинами являются параметры состояния рабочего тела (давление, температура, удельный объем) и основные термо­динамические величины: изменение внутренней энергии — Δи, изменение энтальпии —Δt, изменение энтропии — ΔS, тепло-" та — q и работа — /.

Для студентов, начинающих изучать тепловые машины и процессы взаимного превращения теплоты и работы в них, будет полезным использовать методические указания, так как здесь даны основные понятия и определения параметров состояния, основных термодинамических величин и примеры их расчета, а также изучить инновационные возможности установок теплогазоснабжения и вентиляции (ТГСиВ).

1. Основные понятия и определения параметров состояния рабочих тел тепловых машин и установок тгСиВ.

   1. Теплота и работа как формы передачи энергии

Все явления и процессы в природе представляют собой различные формы движения материи. Каждая форма движе­ния проявляется в соответствующем виде энергии. Движение всего тела представляет собой механическую энергию; дви­жение молекул в теле — тепловую, движение электронов — электрическую; перераспределение атомов в молекулах при химических процессах образования и разложения веществ — химическую энергию и т. д.

Все виды энергии имеют огромное значение в жизни чело­века, и поэтому законы их взаимного превращения требуют самого тщательного изучения, так как только знание этих за­конов позволяет с наибольшей эффективностью и большим к. п. д. использовать энергию в жизни человека.

Наука, занимающаяся изучением взаимного преобразова­ния различных видов энергии, называется термодинамикой.

Основой термодинамики служат три экспериментально установленных закона. В зависимости от круга рассматривае­мых вопросов и целей исследования различают физическую, или общую, химическую, лучистую и техническую термодина­мику.

Техническая термодинамика рассматривает процессы вза­имного превращения теплоты и работы в тепловых машинах. В основе технической термодинамики лежат первый и второй законы термодинамики.

Техническая термодинамика является основой теории теп­ловых машин, так или иначе связанных с взаимопревращени­ем теплоты и работы.

Метод изучения процессов взаимопревращения различных видов энергии может быть феноменологическим или статисти­ческим. В первом случае явление рассматривается с макро­скопических позиций, во втором — с микроскопических. Тех­ническая термодинамика в основном базируется на феноме­нологическом методе.

Фундаментальным понятием технической термодинамики является теплота и работа. Оба эти понятия неразрывно свя­заны с процессами передачи энергии от одних тел к другим.

Совокупность тел, участвующих в таких процессах и на­ходящихся во взаимодействии как между собой, так и с окру­жающей средой, называется термодинамической системой.

Взаимодействие системы с окружающей средой может быть механическим, тепловым, химическим, электрическим и т. д. В технической термодинамике рассматриваются только тепловое и механическое взаимодействия,

Энергия, запасом которой обладает всякое тело, в общем случае состоит из внешней и внутренней, присущей только молекулам, из которых оно состоит. Внешняя энергия тела обусловлена его видимым движением и наличием силового поля земного тяготения, а внутренняя энергия тела — невидимым движением составляющих его молекул и наличием сил. взаимодействия между ними.

Передача энергии от одного тела к другому может проис­ходить двумя способами. Первый из них обусловлен силовым взаимодействием одного тела на другое в процессе видимого движения. В этом случае работа, передаваемая от одного те­ла к другому, осуществляется макрофизическим путем. При наличии разности температур между телами энергия пере­ходит от более нагретого тела к менее нагретому без совер­шения работы. В этом случае передаваемая энергия называет­ся теплотой, а процесс передачи энергии — теплообменом.

Итак, работа есть макрофизическая, а теплота — микро- физическая формы передачи энергии.

1.2. Параметры состояния термодинамической системы

Все процессы в тепловых машинах связаны с использова­нием некоторого рабочего тела. Получение работы за счет теплоты в тепловых машинах требует совершения процессов изменения объема рабочего тела. Поэтому в качестве рабоче­го тела в тепловых машинах используют газы и пары, обла­дающие способностью легко и быстро расширяться или сжи­маться.

У газов размеры молекул малы по сравнению с расстоя­нием между ними и силы взаимного притяжения ничтожны, поэтому их относят к идеальным газам.

Идеальные газы — это газы, у которых силы молекулярно­го притяжения отсутствуют, а сами молекулы представляют собой материальные точки, объемы которых равны нулю.

Пары жидкостей — это реальные газы, они отличаются от идеальных размерами молекул и наличием сил взаимодейст­вия между ними. М. В. Ломоносов впервые указал на откло­нения свойств реальных газов от идеальных.

В результате взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой тепловое состояние системы изменяет­ся. Простым примером термодинамической системы, взаимо­действующей с окружающей средой, может служить газ или пар, производящий работу в цилиндре теплового двигателя. Газ или пар, посредством которого теплота преобразуется в работу, называется рабочим телом.

Состояние газа, пара, рабочего тела (системы) определя­ется совокупностью численных значений ряда величин, выра­жающих свойства этих тел и называемых термодинамическими параметрами. Основные из них, с помощью которых могут быть описаны процессы взаимного превращения теплоты и работы, являются температура, давление и удельный объем.

Температура является мерой степени нагрева тел. Раз­ность температур двух неодинаково нагретых тел определяет направление передачи теплоты.

В настоящее время используются три температурные шка­лы: термодинамическая шкала Кельвина — °К; практическая международная шкала Цельсия —°С; шкала Фаренгей­та — °F.

В международной системе единиц (СИ) температуру вы­ражают в Кельвинах (К). Термодинамическая шкала уста­новлена по температуре абсолютного нуля и тройной точке воды, которая равна 273,16 К. Тройной точкой называется та­кое состояние вещества, при котором одновременно могут совместно находиться все три фазы (для воды: пар, вода и лед при давлении Р = 610,755 Па). Температура плавления льда при давлении Р = 101325 Па равна 273,15°С. Цена де­ления шкалы Цельсия совпадает с ценой деления шкалы Кельвина (1К = 1°С). Численные значения температуры, определенной по этим двум шкалам, связаны соотношением ТК = t°С + 273,15.

По шкале Фаренгейта, применяемой в Англии и США, температура плавления льда и температура кипения воды при нормальных физических условиях соответственно равна 32 и 212°F, следовательно, t°C = 5/9(t°F - 32).

Давлением рабочего тела называют величину среднерезультирующего усилия от ударов молекул, приходящуюся на единицу поверхности и действующую по нормам к ней. Раз­личают абсолютное и избыточное давление. Под избыточным давлением понимают разность давлений между абсолютным и давлением окружающей среды. Прибор, служащий для из­мерения этой разности давления, называют манометром. Если давление рабочего тела превышает давление окружающей среды, то абсолютное давление будет равно сумме избыточно­го давления и окружающей среды:

P_a=P_м+Р_б, ,

где Р, — абсолютное давление; Р_м — избыточное давление; Р₆ — барометрическое давление (окружающей среды). Давление окружающей среды измеряют барометром.

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между барометрическим давлением и аб­солютным называют разрежением (вакуум).

Р_в=Р_б-Р_а ,

где Р„ —давление разрежения (вакуум).

Единицей измерения давления является паскаль. Один паскаль равен давлению силы 1Н на площадь 1 м², т. е. 1 Па=1 Н/м². Так как эта единица давления очень мала, то для измерения больших значений давления удобнее при­менять производные единицы:

1 кПа = 10³Па; 1 МПа =10⁶Па.

Давление газа можно измерять точнее величиной столба жидкости. В физике за единицу измерения давления прини­мают физическую атмосферу. Физическая атмосфера — это давление, которое производит на основание ртутный столб высотой 760 мм при 0°С и нормальном ускорении силы тяже­сти g = 9,81 м/с². В технике эту единицу измерения давления не применяют, но ее понятие входит в определение так назы­ваемых «нормальных физических условий», по которым при­водят состояние различных газов при необходимости сравне­ния их между собой по объему. При нормальных физических условиях давление равно 101325 Па, а температура 273°К.

Большое распространение в технике имеет пока внесис­темная единица измерения давления — техническая атмосфе­ра. Связь между технической атмосферой и паскалем такова: 1 кгс/см² = 0,981 *10⁵ Па = 98100Па = 98,1 кПа = 0,098 МПа.

Полезно помнить, что при 0°С или 273 К 1 мм вод. ст. = 9,81 Па, а 1 мм рт. ст. = 133,32 Па.

Удельный объем v есть объем единицы массы вещества и равен частному от деления полного объема на его массу:

v=V/M

где v — удельный объем, м³/кг; V — полный объем, м³; М — масса вещества, кг.

Масса единицы объема называется плотностью вещества:

ρ=1/ v= V/M ,

где ρ— масса единицы объема, кг/м³.

Из определения понятия основных термодинамических па­раметров состояния рабочего тела следует, что их значения не зависят от того, каким путем пришло рабочее тело в рас­сматриваемое состояние.

Это свойство основных термодинамических параметров яв­ляется одной из специфических особенностей.