Билет №13
Взаимосвязь параметров процессов и циклов с реальными условиями теплообмена
Параметры состояния рабочего тела. Рабочие тела (теплоносители), используемые в тепловых двигателях, находятся в газообразном состоянии (воздух, смесь воздуха с топливом, продукты сгорания топлива). Величины, характеризующие физическое состояние рабочего тела, называются термодинамическими параметрами состояния. Основные параметры состояния рабочего тела: удельный объем, давление и температура.
Удельный объем V - первый параметр - представляет собой объем единицы массы вещества, обычно 1 кг. Второй термодинамический параметр- давление (абсолютное) р - есть сила, приходящаяся на единицу площади поверхности, окружающей газ. Давление по международнойсистеме (СИ) измеряется в паскалях (Па), килопаскалях (кПа) и мега-паскалях (МПа), но встречается еще применение в качестве единицы давления килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2). Соотношение между этими единицами: 1 кгс/см2 = =98 000 Па=98 кПа^0,1 МПа. Третий параметр - температура (абсолютная) Т - характеризует степень нагре-тости тела и измеряется в Кельвинах (К). Между абсолютной температурой Т и температурой измеряемой по стоградусной шкале, существует зависимость: Г=<-(-273.
Если хотя бы один из параметров меняется, то изменяется состояние рабочего тела, т. е. происходит термодинамический процесс.
Термодинамические процессы. Совокупность изменяющихся состояний рабочего тела называется термодинамическим процессом. Процесс измене
Рис. 16. Графическое изображение процесса изменения состояния рабочего тела в координатах р-V.
1 - начальное состояние рабочего тела; 2 - конечное состояние рабочего телания состояния рабочего тела можно изобразить графически в координатах р-v (рис. 16). где р - давление рабочего тела в паскалях, a v - его удельный объем в метрах кубических на килограмм.
Для идеального 1 газа при переходе его из одного состояния в другое имеет место зависимость:
Постоянная R в этом уравнении называется газовой постоянной. Размер-
1 Идеальный газ - изучаемый в термодинамике воображаемый газ, у которого отсутствуют силы межмолекулярного притяжения н отталкивания, а сами молекулы представляют собой материальные точки, не имеющие объема. Многие реальные газы по своим физическим свойствам весьма близки к идеальному газу.
Рнс. 17. Диаграмма тепловых процессов в координатах р-и (давление - удельный объем):
1 - изохорный процесс (а = соп8(); 2 - изобарный процесс (р=сопэО; 3 - изотермический процесс (г=со1Ы); 4 - адиабатный процесс (О=0); .5 -политропный процессность этой величины Дж/(кг-К) или кгс-м/(кг-град).
Уравнение pv=RT называется характеристическим уравнением, или уравнением состояния идеального газа Клайперона - Менделеева.
Известно, что полнтропный процесс, обобщающий все тепловые процессы, описывается уравнением
pvn = const или р п ü = const,
где п - показатель политропы.
Из этого уравнения, задаваясь разными численными значениями показателя п, можно получить уравнения основных (классических) тепловых процессов, рассматриваемых в термодинамике, т. е. форма и положение кривых в системе координат pv зависят от показателя п.
Если при подведении к рабочему телу тепла Q (или отведении тепла) процесс осуществляется при неизменном объеме (0 = =const), то показатель политропы имеет значение п--оо (или я=4-°°): 1 1_ рп v - p ±°°v = p<>v^ const.
Так как всякое число в нулевой степени равно единице, то прн «=±оо u = const. Такой процесс изменения состояния рабочего тела, прн котором объем тела сохраняется постоянным, называется нзохорным (1 на рис. 17).
Если тепловой процесс осуществляется прн постоянном давлении рабочего тела, то показатель п-0:
pv11 = ру° = const,
т. е. p = const (так как v°-\). Такой процесс изменения состояния рабочего тела называется изобарным (2 на рис. 17).
Если изменение состояния рабочего тела происходит таким образом, что остается постоянным третий основной параметр, характеризующий состояние тела, - температура Т, такой процесс называется изотермическим. При этом показатель политропы я=1:
pvn = pv - const,
т. е. pv = const. Графическое изображение такого процесса в координатах pv представлено кривой 3 на рис. 17.
Процесс изменения состояния рабочего тела протекает так, что отсутствует теплообмен между рабочим телом н внешней средой, т. е. тепло к рабочему телу не подводится (и не отводится от него), - такой процесс называется адиабатным; при этом уравнение адиабатного процесса, выраженное через переменные р и V, имеет вид
pVk - const,
где k -- показатель адиабаты; для двухатомных газов он равен примерно 1,4, для трехатомных - 1,29-1,34. Графическое нзобра женне этого процесса представлено на рис. 17 кривой 4.
Все другие процессы изменения состояния рабочего тела, не являющиеся нн изохориы-ми, ни изобарными, ни изотермическими, ни адиабатными, будем называть полнтропны-миКривые, описывающие эти процессы на диаграммах, называются политропами (н соответственно изохорами, изобарами, изотермами, адиабатами). Политропные процессы протекают во всех реальных тепловых машинах, в том числе в тепловозных дизелях. Рассмотрение процессов изменения состояния рабочего тела помогает решить важный вопрос- как и куда расходуется тепло, подведенное к рабочему телу.
По первому закону термодинамики, который является частным случаем открытого М. В. Ломоносовым закона сохранения энергии, тепло, подведенное к рабочему телу в каком-либо процессе, расходуется на изменение внутренней энергии тела Ш (иначе, его температуры) и совершение внешней работы 1.:
В изохорном процессе работа 1. = 0, значит все тепло расходуется на увеличение внутренней энергии (повышение температуры) рабочего тела <2=Д[/.
В изобарном процессе подведенное тепло (3 расходуется на повышение внутренней энергии рабочего тела \11 и выполнение работы Ь.
В изотермическом процессе температура рабочего тела сохраняется постоянной и, следовательно, внутренняя энергия тела не меняется (А£1 = 0). При этом все подведенное тепло идет на совершение внешней работы 0=1.
В адиабатном, процессе тепло к рабочему телу не подводится, так как теплообмен с внешней средой отсутствует ((? = 0): А(/+1 = 0, т. е. £ = -Аи. Значит, в этом процессе внутренняя энергия рабочего тела расходуется на выполнение внешней работы.
Для обобщающего политропного процесса, как общего случая, тепло С), участвующее в процессе изменения состояния рабочего тела, расходуется на увеличение внутренней энергии Аи и на работу I.
Кривые, выходящие нз точки А (см. рис. 17), расположенные правее линии 1, изображают процессы расширения, а расположенные влево от линии 1 - процессы сжатия рабочего тела. По значению показателя п можно, пользуясь кривыми, определить, подводится или отводится тепло в том или ином процессе изменения состояния рабочего тела и как меняется его внутренняя энергия.
Непосредственным результатом большинства термодинамических процессов является деформация рабочего тела. Если при этом происходит увеличение его объема с преодолением внешних сил, то рабочее тело совершает работу. Чтобы уменьшить объем тела, необходимо затратить работу, которую совершают внешние силы.