ВВЕДЕНИЕ Изучение теплотехники позволит студентам освоить основы технической термодинамики и теории теплообмена и понять принципы работы двигателей внутреннего сгорания, применяемых в подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машинах.
Техническая термодинамика изучает процессы взаимного превращения тепловой и механической энергии. Её знание необходимо для понимания, расчёта и анализа циклов энергетических и холодильных установок.
Основные задачи технической термодинамики:
1. Определение физических условий, при которых возможно непрерывное превращение тепловой энергии в механическую либо непрерывное «генерирование холода» за счет механической энергии.
2.Выявление факторов, обеспечивающих повышение эффективности работы теплового двигателя либо холодильной установки при заданных условиях.
Теория теплообмена изучает закономерности переноса теплоты между телами (средами), имеющими разные температуры.
Основные задачи теории теплообмена:
1. Изучение элементарных видов теплообмена и комплексных (сложных) процессов теплопередачи.
2. Разработка методов обработки и обобщения опытных данных и теории теплового моделирования технических устройств.
Разделы дисциплины «Основы теплотехники»:
– основные понятия и определения;
– первый закон термодинамики;
– термодинамические процессы в идеальном газе;
– второй закон термодинамики и понятие о циклах;
– циклы двигателей внутреннего сгорания;
– топливо и его горение;
– основы теории теплообмена;
Рекомендуемые учебники перечислены в учебном пособии «Основы теплотехники».
1. Основные понятия и определения
1.1. Термодинамическая система и её состояния
Объектом исследования термодинамики является термодинамическая система — тело либо совокупность тел, способных обмениваться с другими телами (между собой) энергией и/или веществом. За пределами системы находится окружающая среда.
Термодинамическая система, которая может обмениваться веществом с окружающей средой, называется открытой, в противном случае — закрытой. Система, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называется адиабатной. Система, не обменивающаяся энергией и веществом со средой, называется изолированной. В технической термодинамике рассматриваются два вида взаимодействия между системой и средой: механическое и тепловое.
Различают гомогенные и гетерогенные термодинамические системы. Между любыми частями гомогенной системы нет поверхностей раздела, хотя свойства её могут плавно меняться. Гетерогенная система состоит из различных по свойствам частей (фаз), разграниченных поверхностями раздела.
В частном случае термодинамическая система сводится к одному телу, с помощью которого преобразуется теплота в работу в тепловых двигателях либо «производится холод» в холодильных установках. Такое тело называется рабочим телом. В качестве рабочих тел используются пар либо газ, так как их объём либо давление изменяются во много раз при подводе (отводе) теплоты.
Свойства веществ (рабочих тел) можно разделить на две группы: экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные свойства пропорциональны массе системы, например объём. Интенсивные свойства не зависят от массы системы, например давление, температура.
Для задания конкретных физических условий, при которых находится система, используются термодинамические параметры состояния — интенсивные свойства, характеризующие её состояние. Удельные экстенсивные свойства, получаемые отнесением экстенсивных свойств к единице количества вещества, приобретают смысл интенсивных свойств и также используются для задания состояния системы (например, удельный объём).
Термодинамические системы могут находиться в равновесном и неравновесном состояниях. При равновесном состоянии во всех точках системы её параметры одинаковы. При одинаковых (неизменных) параметрах системы и окружающей среды наступает термодинамическое равновесие. Различают устойчивое и неустойчивое (метастабильное) равновесие. При устойчивом равновесном состоянии системы бесконечно малое внешнее воздействие на неё вызывает также бесконечно малое изменение её состояния, а при метастабильном оно вызывает конечное изменение состояния.
В неравновесном состоянии отсутствует равенство параметров в разных частях системы.
1.2. Термические параметры состояния
К термическим параметрам состояния относятся: давление (р), удельный объем (v) и температура (t,Т).
Давление определяется силой, действующей в рабочем теле на единицу площади поверхности по нормали к ней (давление это результат совокупности ударов молекул по поверхности, ограничивающей их свободу). В международной системе единиц СИ давление измеряется в Н/м2=Па (Паскаль). Атмосферное давление (барометрическое) примерно равно 105 Па, поэтому на практике используются следующие системные единицы измерения:
1000 Па = 1 кПа, 106 Па = 1 МПа.
Внесистемной единицей является 1бар= 105 Па. Нормальное атмосферное давление принимается равным:
1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,01325 бар = 0,101325 МПа.
В метрической системе единиц использовалась техническая атмосфера: 1 ат = 1 кГ/см2 = 0,980665 бар.
Стенки сосуда, заполненного газом, подвергаются изнутри воздействию (ударам) молекул газа, а снаружи — ударам молекул окружающей среды (атмосферы). Если давление внутри сосуда больше атмосферного, то оно называется избыточным и измеряется манометром (pизб, pман). Если же давление в сосуде меньше атмосферного, то разность этих величин называется разрежением (pвак) и измеряется вакуумметром.
Во все термодинамические уравнения подставляется абсолютное давление в Н/м2 = Па:
– при избыточном давлении в сосуде
|
(1.1) |
,– при разрежении в сосуде
pабс = pатм – pраз = pбар – pвак, |
(1.2) |
где pабс — абсолютное давление;
pатм, pбар — атмосферное давление (по барометру);
pизб, pман — избыточное давление(по манометру);
pраз, pвак — разрежение (показание вакуумметра).
Индекс в обозначении pабс обычно опускается.
Удельный объём — это объём единицы массы вещества (м3/кг)
|
(1.3) |
.Величина, обратная удельному объёму ρ = 1/v, есть плотность — масса единицы объёма вещества (кг/м3).
Количество вещества можно задавать единицами массы (кг), числом молей (моль, кмоль) и числом нормальных кубических метров (нм3). Моль (кмоль) — это количество вещества, масса которого в граммах (в килограммах) равна его относительной молекулярной массе. Число молей N равно M/μ, где — относительная молекулярная масса вещества.
Иногда количество вещества задают в нормальных кубических метрах нм3 . Это объём, занимаемый данным количество вещества при нормальных условиях (при температуре 0°С и давлению 760 мм рт.ст.). Зная плотность вещества при этих условиях н и его объём Vн в нм3 можно рассчитать массу вещества: М=Vн.н.
Объём одного моля газа Vμ при нормальных условиях для всех газов в соответствии с законом Авогадро одинаков и равен 22,414 л/моль или 22,414 нм3/кмоль.
Температура — параметр состояния рабочего тела, характеризующий степень нагретости тела. Температура газа прямо пропорциональна средней кинетической энергии его молекул. Температура не может быть измерена непосредственно, а определяется косвенно по изменению других свойств вещества, используемого для измерения температуры (например, давления либо объёма).
В системе СИ для измерения температуры используются две шкалы — стоградусная Цельсия и термодинамическая (абсолютная) Кельвина. В теплотехнике часто используется стоградусная шкала, в ней 0°С соответствует температуре плавления льда, а 100°С — температуре кипения воды при 760 мм рт. ст. Температура в этой шкале записывается в виде: t°C.
Термодинамическая (абсолютная) температура отсчитывается по термодинамической шкале от абсолютного нуля. В этой шкале температура не имеет отрицательных значений (0°С=273,15 К), а её значение определяется из соотношения
T К = t°C + 273,15 . |
(1.4) |
В большинство уравнений термодинамики входит абсолютная температура, но разности значений температуры можно подставлять в градусах Цельсия.
Для сложных термодинамических систем необходимо задавать дополнительные параметры.