НИЯУ МИФИ . САРОВСКИЙ ГОСФТУ .

- 2011-

Конспект лекций и лабораторные работы по курсу

«ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА и ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»

Часть ɪ. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1. Введение

Теория производит тем большее впечатление,

чем проще её предпосылки, чем разнообразнее предметы,

которые она связывает и чем шире область её применения.

Отсюда глубокое впечатление, которое на меня произвела

Термодинамика. Это единственная физическая теория

общего содержания, я убеждён, что в рамках применимости

её основных понятий она никогда не будет опровергнута.

Альберт Эйнштейн, 1935 г.

Therme (лат.)- тепло, dynamis (лат.)- сила , как средство совершения работы.

Термодинамика изучает фундаментальные законы природы о превращениях различных видов энергии из одного в другой в различных процессах, а также вопросы повышения эффективности работы машин и аппаратов, использующих эти процессы.

Объект исследования в термодинамике называют термодинамической системой . Система (тело ) противопоставляется всем другим телам , которые называют окружающей средой .Граница – контрольная поверхность ,на ней происходит взаимодействие системы и среды , состоящее в передаче энергии .

Термодинамика основана на двух, экспериментально установленных законах ( началах) : ПЕРВЫЙ (начало ) - закон сохранения энергии, невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии; ВТОРОЙ (начало ) – определяет направление течения реальных (неравновесных ) процессов : невозможен процесс , имеющий единственным своим результатом превращение теплоты в работу .

Следует отметить, что термодинамика не абсолютно универсальна. Это макроскопические объекты , но и не вся ВСЕЛЕННАЯ .

Техническая термодинамика устанавливает закономерности взаимного преобразования теплоты и работы, для чего изучает свойства газов и паров (рабочих тел) и процессы изменения их состояния, устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, протекающими в тепловых двигателях и холодильных установках. Одна из основных ее задач – отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты и работы.

Преобразование теплоты в работу обычно производят следующим образом: нагревают рабочее тело (газ или пар), оно расширяется и совершает механическую работу. При нагревании (и охлаждении ) изменяется СОСТОЯНИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА, которое в основном характеризуется следующими величинами – параметрами : давлением, удельным объемом и температурой.

Термодинамика – наука феноменологическая: она рассматривает вещество как сплошную среду и использует для его исследования макропараметры, такие как объем, давление, температура (определяемые путем измерений).

1.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ТЕЛА

Удельный объем – физическая величина, равная отношению объема вещества к его массе , (м³/кг) , …(1.1) ( здесь и везде ниже кг = кгс ).

(Плотность – величина , обратная удельному объему , ρ = 1/ , (кг/м³)).

Давление – физическая величина равная отношению силы равномерно распределенной по поверхности тела к площади поверхности, расположенной перпендикулярно силе

p=P/F, (кг/м²). …(1.2) Согласно молекулярно-кинетической теории абсолютное давление газа ( пара, капельной жидкости ) является результатом ударов в стенку сосуда хаотически и непрерывно движущихся молекул. Для идеального газа (состоящего из вполне упругих молекул без сил взаимодействий и их пренебрежимо малого объема по сравнению с общим)

p= (2/3) n (mw²/2 … (1.3)

(m-масса молекулы, w-средняя квадратичная скорость ее поступательного движения , n- число молекул в 1 м³, (mw²/2)-средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы).

Единицы измерения давления :1бар=1,02кг/cм²= 750 мм.Hg (ртутного столба )=10,2 м . H₂O (водяного столба ), ( 1кг/см²=1ата =9,81*10⁴ Па) .

Температура – степень нагрева тела . В отличие от удельного объема и давления не может быть найдена прямыми методами . Используются свойства тел изменять свои характеристики при нагревании (охлаждении) .Единицу температуры устанавливают путем деления разности температур двух тепловых состояний (так называемых реперных точек) какого-либо вещества на равное число частей ,называемых градусами. Шкалы температур различны. В стоградусной международной шкале температуры – это 0⁰ С и 100⁰ С (плавления (таяния) льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм. ртутного столба , Hg), в восьмидесятиградусной шкале Реомюра (Англия) – это 0⁰ R и 80⁰ R, в ста восьмидесятиградусной шкале Фаренгейта (США ) – это +32⁰F и 212⁰F соответственно.

Формулы перехода от одной шкалы температур к другой

t⁰C= (5/4) t⁰R = (5/9) ( t⁰F – 32 ). …( 1.4) В таблице 1 для сравнения представлены обычно интересные температуры в различных шкалах.

Таблица 1. Значения некоторых температур в различных шкалах.

t 0 C	-60		-50		- 40		-20		0		20		40		50		100
t 0 R		-48		-40		-32		-16		0		16		32		40		80
t 0 F		-72		-58		-40		- 6		32		68		104		122		212

( t =-40⁰С = -40⁰F , t =0⁰C = 0⁰R ),

( В России до 1917 года в крупных городах стояли термометры, проградуированные в градусах шкалы Реомюра . Русские в Америке считают для простоты вначале , что t⁰C ≈(t⁰F – 30 )/2 ).

Идеальный газ – наилучшее термометрическое вещество , так как имеет простую связь между характеристиками его свойств . Если в такой идеально–газовой стоградусной шкале за начало отсчета температуры принять состояние , в котором объем V становится равным нулю ,то получается шкала идеально – газовой абсолютной температуры ( шкала Кельвина ,Т К ). Связь между температурами по шкале Кельвина и по шкале стоградусной температуры имеет вид

Т= (t⁰C+273,15) К . … (1.5 )

Следуя кинетической теории для идеальных газов ,

( mw²/2)=(3/2) к Т , …(1.6 )

( к=1,38*10 ^-23 Дж/К – постоянная Больцмана ) .

1.2. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Из (1.3) , (1.6) и согласно закону Авагадро (в равных объемах различных газов содержится одинаковое число молекул при одинаковых давлениях и температурах , а плотность газов прямо пропорциональна их молярным массам , т. е. vµ= idem - молярные объемы различных газов одинаковы, µ- молекулярный вес ,кг.) получается уравнение состояния (УРС ) для идеальных газов (уравнение Клайперона ,1834 г. )

pv = RT, …(1.7)

где R=8,314/ µ - универсальная газовая постоянная ( не одинаковая для различных газов ) – это работа газа массой 1 кг при изменении его температуры на один градус в процессе при постоянном давлении, Дж/(кгК).

Для V м³ и М кг идеального газа

pV = MRT. …(1.8)

1.3. ОСНОВНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

Закон Бойля-Мариотта. При Т=const из (1.7) рv=const ,т. е. p₁ v₁ =p₂ v ₂ –удельный объем газа изменяется обратно пропорционально его давлению.

Закон Гей –Люссака . При р=const из (1.7) следует ,что v₁/v₂=T₁/T₂ , т. е. удельный объем газа изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре . Он обосновывает , что нуль идеально-газовой шкалы (0 К) смещен на 273,15 делений стоградусной шкалы ниже точки таяния льда воды (0 ⁰ С ), так как опытами установлено , что коэффициент объемного расширения газов , близких к идеальным , при постоянном давлении

α_v =(V-V₀)/V₀(T-T₀) = 1/T₀ = (1/273,15) К^-1 . …(1.9)

( Вода – аномальна : при нормальных физических условиях лед плавает в воде , т. к. становится на ≈ 5 - 10 % ее легче . Только при ее нагреве от нормальной температуры, точнее от ≈ +4⁰ С , до кипения она увеличивает свой объем на ≈ 5 - 10 % , а при переходе воды в пар объем увеличивается≈ в тысячу раз – но это уже не аномально ).

Закон Авагадро . Плотности газов , находящиеся при одинаковых давлениях и температурах , прямо пропорциональны их молярным массам , т. е. ρ_1/ρ_{2 =} µ₁ /µ₂ , а молярные объемы различных газов одинаковы . Например, при нормальных физических условиях (р=101325 Па , t = 0 ⁰ C ) молярный объем любого газа 22,4*10^-3 м ³/ моль .

1.4. ГАЗОВЫЕ СМЕСИ

Однородный газ используют главным образом в паросиловых установках (например, ТЭЦ ) ,где рабочее тело - водяной пар. Воздух, продукты сгорания топлива,естественный горючий газ из недр земли и т. п. –газовые смеси . Газовые смеси в теплотехнических расчетах рассматриваются как идеальный газ . Уравнения состояния для них – (1.7) - (1.8 ) , только необходимо оперировать в них универсальной газовой постоянной смеси R_{см ,}, т . е . µ_см . Величина R_см определяется ,если известен состав смеси , который определяется массовой долей М_i компонента g_i к массе всей смеси М_см и объемной долей r_i парциального объема газа V_i ,входящего в смесь , к объему всей смеси V_см . Из закона Дальтона следует , что каждый газ , входящий в смесь , ведет себя так , как будто он один занимает весь объем : каждый газ , входящий в смесь , имеет свое парциальное давление , которое равно р_i =g_i(R_i/R_см). Таким образом,

R _см =∑g_iR_i =8,314∑(g_i/µ_i) , µ_см = 8,314 /R_см , … (1.10 )

и, естественно, ( ∑g_i = ∑r_i = 1 , ∑р_i = p_см = р , ∑V_i =V_cм = V , Т = Т_см ) .

1.5. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

Уравнение состояния (1.7) получено для идеального газа . Для реальных газов предложены уравнения , которые учитывают как силы взаимодействия между молекулами , в том числе и их объем . Одно из них относительно простое и правильно (качественно ) , описывающее поведение реального газа - уравнение Ван–дер - Ваальса

(p + a/v²)(v – b) = RT, … (1.11 )

где a и b -поправки на силы взаимодействия молекул между собой и их объем соответственно. Они приводятся в специальной литературе.

Предложены уравнения состояния , которые полнее учитывают свойства реального газа , однако , они значительно сложнее и здесь не рассматриваются.