Энергоснабжение

Глава 1.

Техническая термодинамика.

1.1. Основные понятия и определения термодинамики

Продукты сгорания топлива называется теплоносителем. Вода и пар называются рабочим телом. Процесс переноса тепловой энергии от теплоносителя к рабочему телу называется теплообменом.

Термодинамика – наука о законах превращения тепловой энергии в механическую.

Термодинамическая система – это совокупность тел способных обмениваться энергией и веществом.

Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами называется теплоизолированной или адиабатно изолированной. Равновесное состояние системы называется стационарным, неравновесное – нестационарным.

Количественное состояние системы характеризуется параметрами состояния: давлением Р, температурой Т, объемом V. Они не зависят от размеров и массы системы и называются интенсивными, обозначается малыми (строчными) буквами.

Термодинамические параметры, пропорциональные количеству вещества или масса системы называется экстенсивными, это объем V, масса М, внутренняя энергия U и др. Экстенсивные параметры состояния обладают свойством аддитивности (складываемости) и записываются прописными буквами.

Абсолютное давление представляет собой результат воздействия молекул на стенки оболочки. Абсолютное давление, создаваемое воздухом называется барометрическим В.

Давление выше барометрического изменяется манометрами, ниже – вакуумметрами.

Приборы показывают разность между абсолютным и барометрическим давлением, т.е. избыточное или вакуумметрическое.

Барометрическое давление изменяется, поэтому

если P>B если P>B Измеряется в Па, 1Па = 1 Н/м2 1 бар = 105 Па 1 атм = 98 · 103 Па 1 мм рт. ст = 133,3 Па

Температура – это степень нагретости тела, измеряется в Кельвин (К)

Удельный объем – объем единицы массы вещества

Масса вещества в единице объема называется плотностью

Связь между параметрами состояния характеризуется диаграммой состояния.

Изменение состояния рабочего тела под действием окружающей среды называется процессом.

При перемещении поршня в цилиндре объем, температура, давление газа непропорционально меняется. Если при этом температура и давление по всему объему газа одинаковы, то такой процесс называется равновесным.

Термодинамические процессы при неизменном значении какого либо параметра называются изопроцессами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Изопроцессы: изохорные АС, изобарные АД, изотермические АВ, адиабатные АЕ

Процессы: 1) при неизменном объеме –

- изохорные (линия АС);

2) при неизменном давлении –

- изобарные (линия АД);

3) при неизменной температуре –

- изотермическими (линия АВ)

4) без отвода и подвода теплоты –

- адиабатными (линия АЕ).

Равновесные термодинамические процессы обратимы, т.е. процесс может быть проведен от А к В и от В к А через точки 1, 2, 3, т.е. рабочее тело и окружающая среда пройдут через те же промежуточные состояния и в первом и втором случаях.

При нарушении этих условий процесс является термодинамически необратимым.

1.2. Основные законы идеального газа.

Уравнение состояния газа Клапейрона:

(1.1)

где R – газовая постоянная

различна для разных газов.

Из уравнения Клапейрона следует, что:

1. при постоянном давлении удельный объем изменяется прямо пропорционально изменению абсолютных температур;

2. при постоянном удельном объеме абсолютное давление газа изменяется прямо пропорционально изменению абсолютных температур;

Закон Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковых давлениях и температурах содержится одинаковое количество молекул. Плотности газов при одинаковых давлениях и температурах пропорциональны их молекулярным массам

- молекулярная масса

- плотность

Молекулярная масса - количество кг газа, равное числу единиц в молекулярном весе.

Молем (киломолем) газа называется масса газа, кг, равная его молекулярной массе.

Моль – это молекулярная масса газа.

Объем моля (киломоля) различных газов при аналогичных физических условиях одинаков.

Объем киломоля всех газов при нормальных физических условиях (НФУ) – р=760 мм рт. ст.=101,3 кПа, t=0⁰С, g=9,81 м/с² равен

Умножив уравнение Клапейрона на массу М получим уравнение состояния для произвольной массы идеального газа.

(1.2)

Умножив (1.1) на молекулярную массу получим уравнение Клапейрона-Менделеева для идеального газа для 1 кмоль его молекулярной массы:

, (1.3)

где – универсальная газовая постоянная для НФУ

Зная можно найти газовую постоянную любого газа по значению его молекулярной массы

Давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных компонентов смеси:

(1.4)

Парциальным называется давление компонента, которое он создавал бы находясь один в объеме, занимаемом смесью, при температуре смеси.

Для газовой смеси массой М уравнение состояния имеет вид:

(1.5)

- газовая постоянная и молекулярная масса смеси.

Массовая доля компонента:

(1.6)

Объемная доля компонента

(1.7)

Кажущаяся молекулярная масса смеси

(1.8)

Если объем смеси и объем компонента одинаков, температуры смеси и компонента одинаковы, давления разные, то они находятся по вышеизложенной формуле.

(1.9)

Для реальных газов уравнение Менделеева-Клапейрона имеет вид:

(1.10)

где - коэффициенты, зависящие от природы газа и учитывающие силы межмолекулярного взаимодействия и объем молекул.

В идеальном газе молекулы – точки, в реальном моделируются шарами. Коэффициент учитывает уменьшение объема за счет объема молекул и промежутков между ними.

Коэффициент учитывает притяжение молекул друг к другу и увеличение давления за счет сил межмолекулярного притяжения.