Энергетические установки

1. Энтропия – мера ценности теплоты, ее работоспособности и технологической эффективности. Можно сказать, что для изолированной системы (нагреватель – рабочее тело) ∆s = 0, при

Повседневный опыт свидетельствует, что чем выше температура теплоносителя при том же количестве теплоты q, т.е.

чем меньше энтропия s = Tq , тем теплота ценнее.

2. Энтропия – мера потери работы вследствие необратимости реальных процессов. Чем больше необратимость процесса в изолированной системе, тем больше возрастает энтропия s2 >> s1 и тем большая доля энергии не превращается в работу,

арассеивается в окружающую среду.

3.Энтропия – мера беспорядка. Если установить некоторую меру неупорядоченности макросистемы – неупорядоченности

расположения и движения частиц D, то можно записать s = k ln D.

Следовательно, возрастание беспорядка означает возрастание энтропии, рассеивание энергии. При подводе теплоты увеличивается хаотичность теплового движения частиц и энтропия возрастает. В противном случае охлаждение системы при постоянном объеме есть извлечение из нее теплоты, а следовательно, и энтропии. Упорядоченность системы при этом повышается, а энтропия уменьшается. При конденсации газа в жидкость молекулы занимают более определенные положения, упорядоченность их расположения скачкообразно увеличивается, что соответствует скачкообразному уменьшению энтропии. При дальнейшем понижении температуры тепловое движение становится все менее интенсивным, беспорядок – все меньшим, а значит, все меньшей становится и энтропия. Ког-

11

да жидкость превратится в твердое вещество, молекулы (ионы) образуют правильные кристаллические решетки, т.е. неупорядоченность опять уменьшится, а с нею уменьшится и энтропия и т.д. Такая закономерность позволяет предположить, что при абсолютной температуре, равной нулю, тепловое движение полностью прекратится и в системе установится порядок, т.е. неупорядоченность и энтропия станут равными нулю. Это предположение согласуется с опытом, но не поддается опытной проверке (так как абсолютная температура, равная нулю, недостижима) и носит название третьего закона термодинамики.

Универсальное уравнение состояния идеального газа.

Идеальным газом называется такой газ, в котором отсутствуют силы взаимного притяжения и отталкивания между молекулами, и размерами молекул можно принебречь. Все реальные газы при высоких температурах и малых давлениях можно практически считать идеальными газами. Уравнение состояния идеального газа можно вывести из молекулярно-кинетической теории или из совместного рассмотрения законов Бойля – Мариотта и Гей-Люссака. Это уравнение было выведено в 1834 г. французским физиком Клапейроном и для газа массой 1 кг имеет вид

P υ = R T ,

где R – газовая постоянная, представляет работу 1 кг газа в процессе при постоянном давлении и при изменении температуры на 1 К.

Для произвольного количества газа массой m уравнение состояния записано следующим образом:

P V = m R T.

В 1874 г. Д.И. Менделеев, основываясь на законе Дальтона (в равных объемах разных идеальных газов, находящихся при одинаковых температурах и давлениях, содержится одинаковое

12

количество молекул) предложил универсальное уравнение состояния газа, которое называют уравнением Клапейрона – Менделеева:

P V = m R T ,

где µ – молярная (молекулярная) масса газа, кг/моль;

R = 8,3142 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная, представляет собой работу 1 моля идеального газа при постоянном давлении и при изменении температуры на 1 К.

1.3. Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики, как и первый, является опытным законом, основывающимся на многовековых наблюдениях ученых, однако установлен он был только в середине

XIX в.

Наблюдения за явлениями природы показывают, что возникновение и развитие самопроизвольно протекающих в ней естественных процессов, работа которых может быть использована для нужд человека, возможно лишь при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой

иокружающей средой. Эти процессы всегда характеризуются односторонним их протеканием от более высокого потенциала к более низкому (от более высокой температуры к более низкой или от более высокого давления к более низкому). При протекании указанных процессов термодинамическая система стремится к тому, чтобы прийти в равновесие с окружающей средой, характеризуемое равенством давления и температуры системы

иокружающей среды.

Из наблюдений за явлениями природы также следует, что для того, чтобы заставить процесс протекать в направлении, обратном направлению протекания самопроизвольного процесса, необходимо затратить заимствованную из внешней среды энергию.

13

Второй закон термодинамики представляет собой обобщение изложенных положений и заключается в следующем.

1.Самопроизвольное протекание естественных процессов возникает и развивается при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

2.Самопроизвольно происходящие в природе естественные процессы, работа которых может быть использована человеком, всегда протекают лишь в одном направлении – от более высокого потенциала к более низкому.

3.Самопроизвольно протекающие процессы идут в направлении, приводящем к установлению равновесия термодинамической системы и окружающей среды, по достижении этого равновесия процессы прекращаются.

4.Процесс может протекать в направлении, обратном самопроизвольному процессу, если энергия для этого заимствуется из внешней среды.

Формулировки второго закона термодинамики, данные различными учеными, вылились в форму постулатов, полученных

врезультате развития положений, высказанных французским ученым С. Карно.

В частности, постулат немецкого ученого Р. Клаузиуса состоит в том, что теплота не может переходить от холодного тела к теплому без компенсации. Сущность постулата английского ученого В. Томсона заключается в том, что невозможно осуществить цикл теплового двигателя без переноса некоторого количества теплоты от источника теплоты с более высокой температурой к источнику с более низкой температурой.

Эту формулировку следует понимать так: для того чтобы работала периодически действующая машина, необходимо присутствие как минимум двух источников теплоты различной температуры; при этом в работу может быть превращена лишь часть теплоты, забираемого из высокотемпературного источника, в то время как другая часть теплоты должна быть передана

14

низкотемпературному источнику. Высокотемпературный источник иногда называют теплоотдатчиком или верхним источником теплоты, а низкотемпературный – теплоприемником, нижним источником теплоты или холодильником.

1.4. Термодинамические процессы

Метод исследования термодинамических процессов.

Первый закон термодинамики устанавливает взаимосвязь между количеством теплоты, внутренней энергией и работой. При этом количество теплоты, подво-

Поскольку υ2 = υ1, работа l не совершается и уравнение первого закона термодинамики принимает вид

q = ∆u = cυ (t2 −t1 ).

Изобарный процесс (рис. 1.2) протекает при постоянстве давления:

P = const, P2 = P1.

15

на предположении наличия в реальных газах ассоциаций молекул, механически объединенных в двойные, тройные и более сложные комплексы, образующиеся в результате взаимодействия между ними. Результаты расчетов с помощью этого уравнения дают наиболее близкое совпадение с опытными данными. Однако для практических целей оно также непригодно из-за сложности и необходимости выполнения трудоемких вычислений. На практике обычно пользуются готовыми данными, которые берут из таблиц водяного пара или из i, s-диаграммы водяного пара.

Водяной пар. Одним из наиболее распространенных рабочих тел в паровых турбинах, паровых машинах, атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар. Пар – газообразное тело в состоянии, близком к кипящей жидкости. Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное. Испарение – парообразование, происходящее всегда, при любой температуре с поверхности жидкости. При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под воздействием которого она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением. Обратный процесс парообразования называется конденсацией. Она также протекает при постоянной температуре.

В процессах кипения и парообразования в координатах T, s можно выделить четыре области фазового состояния воды

(рис. 1.5):

–область I – газообразное состояние перегретого пара, обладающего свойствами реального газа;

–область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Двухфазную область II также называют областью парообразования;

–область III, ограниченная изотермой ЕK – жидкое состояние (вода).

19