Основные понятия и определения технической термодинамики

В настоящее время техническая термодинамика изучает широкий круг взаимных превращений тепловой, химической и др. видов энергии. Целью применения этих превращений в технике устанавливаются пути достижения наибольшей полезной работы в различных тепловых двигателях и ТЭУ.

Главным техническая термодинамика исследует соотношение между параметрами термодинамических систем и совершенной работы.

Термодинамическая система-совокупность материальных тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии. В точке термической термодинамики материальные тела, входящие в состав системы по их роли делят на горячие и холодные источники тепла и рабочие тела (р.т).

В термодинамическую систему включают источник тепла рабочего тела и окружающую их среду (о.с)

Горячий источник-тело, имеющее наиболее высокую температуру и отдающее свою энергию р.т системы в форме тепла.

Холодный источник-тело, к которому подводится тепло от р.т системы. В технической системе в качестве холодного источника используется окружающая среда, состоящая из окружающего нас атмосферного воздуха и воды в открытых водоемах.

Рабочее тело- вещество, которое изменяя свое состояние под воздействием нагревания и охлаждения, а также совершая процессы расширения и сжатия, превращают тепловую энергию в механическую или электрическую.

Состояние системы- определенное сочетание свойств данной системы, которыми являются любые наблюдаемые показатели системы.

Параметр состояния системы- такой ее показатель, изменение которого обязательно связано с изменением состояния системы.

Позволяет делать количественную оценку состояния системы.

Всякое изменение состояния тела или системы связанное с тепловыми явлениями называют термодинамическим процессом.

Непрерывную последовательность состояния, через которые проходит система в рассмотренном процессе называют путем процесса.

Совокупность последовательных термодинамических процессов, при которых конечное и начальное состояние р.т. совпадают называют термодинамическим циклом.

В каждом цикле есть процессы подвода тепла от одного источника и отдачи тепла другому источнику, а также процессы совершаемой работы расширения и сжатия, следовательно в любом термодинамическом цикле участвуют системы тел, состоящие из источника тепла, р.т. и о.с.

Основные термодинамические параметры.

Р ( 1Па=1 Н/м²)

V (м³); V=V/m (м³/кг)- удельный объем

Т (К); t (^oC), T=t+273,15 (K)

Идеальным газом называют вымышленный гипотетический газ, в котором отсутствуют силы сцепления между молекулами, а сами молекулы рассматриваются как некие материальные точки, находящиеся на значительном удалении друг от друга.

Для идеального газа уравнение, связывающее основные параметры P,V и Т носит название уравнение Менделеева- Клапейрона.

Для 1 кг PV=RT

M кг PV=MRT

µ молей PV_µ=µRT

R- газовая постоянная

R=R_µ /µ (Дж/кг*К)

R_µ=8314 (Дж / Кмоль*К)

Параметры P,V и Т могут быть выражены один через другой с помощью уравнения связей

P=f (V,T)

V=f (P,T)

T=f (P,v)

Данные зависимости определяются физическими свойствами рассматриваемых веществ и называются уравнениями состояний (уравнения Менделеева- Клапейрона для идеального газа).

Все параметры состояния подразделяются на интенсивные и экстенсивные .

Интенсивные- параметры не зависящие от количества вещества (T,P)

Экстенсивные- параметры, зависящие от количества вещества (V)

Параметры, отражающие внутреннюю тепловую энергию называют калорическими.

Вещества, используемые в ТЭУ, могут находиться в твердом, жидком, газообразном состояниях.

Чистым веществом называют систему однородную по составу и неизменную в химическом отношении.

Эти 3 состояния чистого вещества называют фазами , которые могут существовать как отдельно так и совместно в различных сочетаниях.

Система, состоящая из 1 фазы называется гомогенной, из 2-х одновременно- гетерогенной.

Переход чистого вещества из одного фазового состояния в другое сопровождается определенным тепловым эффектом.

Предельное состояние вещества, при котором оно абсолютно могло бы подчиниться уравнению Клапейрона называют идеальным газом.

Термодинамика рассматривает изменение состояния веществ, находящихся в 3-х различных областях:

1. Область идеально- газового состояния, в ней вещество находится при низком давлении и высокой температуре и подчиняется уравнению Менделеева- Клапейрона.

2. Область парообразного состояния, вещество в ней находится при температуре и давлении близких к критическим.

3. Область реальных газов, занимает промежуточное положение между идеальным газом и перегретым паром. В этой области вещество находится в газообразном состоянии и не подчиняется уравнению Менделеева- Клапейрона.

Соотношение между T,P,V реальных газов выражается уравнением Ван-дер-Вальса.

(P+a/V²)(V-b)=RT

a,b- постоянные величины

а – учитывает силы сцепления между молекулами, а b- размер самой молекулы.

Реальными процессами называют процессы изменения состояния вещества, происходящие в действительных условиях его нагревания, охлаждения или совершения работы.

ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Постоянная теплоемкость

В результате теплотехнических расчетов, не требуемых высокой точности, пренебрегают зависимостью теплоемкости от температуры и считают ее постоянной величиной.

Графически эта зависимость выглядит следующим образом

Для того, чтобы определить количество теплоты, подведенное к рабочему телу при охлаждении или нагревании обозначим t1 и t2 соответственно температура газа в начальном и конечном состоянии.

М-масса газа

Vн- объем массы газа при нормальных условиях

В процессе V – соnst

Qv=MCv(t2-t1)=VнCv’(t2-t1)

В процессе p-const

Qp=MCp(t2-t1)=VнCp’(t2-t1)

Нелинейная зависимость теплоемкости от температуры

В тех расчетах, которые требуют высокой точности необходимо учитывать зависимость теплоемкости от температуры т.к теплоемкость является переменной величиной, то для нагрева на каждый градус требуется различное количество тепла.

Можно определить то количество тепла, которое в среднем затрачивается на нагревание одного кг газа на 1⁰С в заданном интервале температур.

Если для нагрева 1 кг газа от температур t1 до t2 требуется q кДж/кг теплоты, то в среднем на 1⁰С подведено q/(t2-t1). Эта величина называется средней теплоемкостью в интервале от t1 до t2.

Обозначим С_t1m^t2

С_t1m^t2=q/t2-t1

При уменьшении разности температур t2-t1 значение средней теплоемкости будет приближаться к так называемой истиной теплоемкости, которая будет определяться по формуле

С=dq/dt

Виды энергии и их особенности

Все виды энергии, рассматриваемые в термодинамике, представляют собой энергию направленного движения. Тепловая энергия является мерой хаотичного движения атомов и молекул и в этом ее отличие от других видов энергии.

Любое тело обладает одновременно различными видами энергии.

Сумма всех видов энергии представляет полную энергию тела.

E=Gc² c-скорость света

В термодинамике массу тела принимают независимо от его энергии, которую представляют в виде суммы внутренней “U” и внешней “Е_вн” энергии.

Внутренняя энергия : тепловая, химическая, внутриядерная

Внешняя : все виды энергии, связанные с перемещением тепла, а также потенциальная энергия внешних физических полей.

Если рабочее тело движется непрерывным потоком в трубе, то в его внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания.

Т.о Е_вн=Ек+Еni+Enp

Еni- потенциальная энергия i-го поля

Enp- энергия проталкивания

Внутренняя энергия состоит из:

- внутренней тепловой энергии Uт

- внутренней нулевой энергии U_{0 ,}равной внутренней энергии тела условно охлажденного до абсолютного нуля температуры.

U= U₀+ Uт

Величина Uт связана с тепловым , хаотичным движением атомов и молекул и выражается через температуру тела и другие параметры.

Т.о полная энергия тела

Е= U₀+ Uт+ Ек+Еni+Enp

Каждая из составляющих полной энергии тела может при определенных условиях превращаться одна в другую.

Внутренняя энергия тела всегда является функцией 2-х основных параметров состояния T,V

U=f(V,T)

Т.к для любого газа есть определенная связь между его параметрами, то внутренняя энергия может являться функциями

U=f1(Р,T)

U=f2(Р,V)

Свойства внутренней энергии U:

1 Ø dU=0 – для любого замкнутого процесса (цикла) не зависит от процесса предшествующего данному состоянию. Следовательно, является параметром состояния. Всякое изменение U вызывает изменение состояния тела.

2. Аддитивность

Т.е U=U_A+U_B , внутренняя энергия тела А и В всегда равна сумме внутренней энергии каждого из этих тел.

Удельная внутренняя энергия u=U/G, G-масса тела

Величина u- относится к калорическим параметрам состояния

Внешняя кинетическая энергия

Ек= G*(w²/2)- я поступательного движения тела

Внешняя потенциальная энергия

Еп= G*Н

Еп выражается через возможные работы каждого поля от заданного положения до какого-то нулевого.

Суммарная внешняя потенциальная энергия

ΣЕni=ΣϚ_ix_i i= от 1 до n-количество полей, действующих на тело

Ϛ- обобщенная сила

x_- обобщенная координата

Величина Ек и Еп не являются параметрами состояния, т.к их величина не определяет физического состояния тела или системы.

Энергия проталкивания Епр дополнительная энергия вещества, зависящая от параметров состояния и возникающая в системе за счет воздействия на него других полей системы, которые стремятся вытолкнуть это вещество из занимаемого объема.

Работа проталкивания 1 кг газа через рассматриваемое сечение определяется произведением силы на путь.

РΔХ=PF(v/F)=PV v-удельный объем

F- сечение

Величина PV=Епр- энергия, передаваемая 1 кг газа частицами, движущимися сзади.

Каждый кг газа, движущийся в сплошном потоке , обладает кроме внутренней энергией еще и переменную на себе энергию проталкивания.

Для газов паров и жидкостей, находящихся в потоке величина PV характеризует их состояние. Поэтому для веществ, находящихся в потоке определяемым параметром будет не внутренняя энергия, а сумма U+pv=H ,H-энтальпия

Для 1 кг вещества

h-u+pv (Дж/кг)

Величина H, как и U- калорический параметр состояния, обладает свойством аддитивности.

H=f1(p,v) ; H=f2(p,T) ; H=f3(v,T)

Для систем, в которых могут осуществляться химические процессы, уравнение полной энергии тела :

Е=Ux+U_T+pv+Ek+ ΣϚ_ix_i