3825

И.М. Винокурова

ТОПЛИВА И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В АВИАЦИОННЫХ И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ: СБОРНИК ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

И УПРАЖНЕНИЙ

Учебное пособие

Воронеж 2014

ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”

И.М. Винокурова

ТОПЛИВА И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В АВИАЦИОННЫХ И РАКЕТНЫХ

ДВИГАТЕЛЯХ: СБОРНИК ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ И УПРАЖНЕНИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2014

УДК 54

Винокурова И.М. Топлива и рабочие процессы в авиационных и ракетных двигателях: сборник практических задач и упражнений: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (21,5 Мб) / И.М. Винокурова. – Воронеж: ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2014. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) : цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; Adobe Acrobat; CD-ROM диско-

вод; мышь. – Загл. с экрана.

Учебное пособие предназначено для оказания методической помощи студентам при выполнении практических работ по курсу “Топлива и рабочие процессы в авиационных и ракетных двигателях” с целью полного освоения материала и успешного выполнения заданий.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 160700.65 “Проектирование авиационных и ракетных двигателей”, дисциплине “Топлива и рабочие процессы в авиационных и ракетных двигателях”.

Табл. 8. Ил. 22. Библиогр.: 10 назв.

Рецензенты: кафедра физики и химии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (зав. кафедрой д-р хим. наук, проф. О.Б. Рудаков); д-р техн. наук, проф. И.А. Чечета

Винокурова И.М., 2014

Оформление. ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2014

ВВЕДЕНИЕ

Внимательного изучения материалов учебного пособия достаточно для формирования грамотных ответов при выполнении контрольных работ и сдачи зачета или экзамена по дисциплине “Топлива и рабочие процессы в авиационных и ракетных двигателях”.

Изучение любого вопроса на уровне сущности, а не на уровне отдельных явлений способствует более глубокому и прочному усвоению материала. Чтобы лучше запомнить и усвоить изучаемый материал, надо обязательно иметь рабочую тетрадь и заносить в нее формулировки законов и основных понятий, новые незнакомые термины и названия, формулы и уравнения реакций, математические зависимости и их выво-

ды и т. п. Во всех случаях, когда материал поддается си-

стематизации, составляйте графики, схемы, диаграм-

мы, таблицы. Они очень облегчают запоминание и уменьшают объем конспектируемого материала. Пока тот или иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к экзамену. Изучение курса должно обязательно сопровождаться выполнением упражнений и решением задач (см. список рекомендованной литературы).

В пособии представлены специальные вопросы по топливу для инженеров и рассматриваются темы для технического профиля.

Однако при самостоятельной работе с учебным пособием рекомендуется обращаться к общедоступной справочной и учебной литературе для выяснения или уточнения новых терминов, понятий и определений. Большую пользу при изучении дисциплины может принести дополнительное чтение по списку рекомендуемой литературы.

3

1. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

1.1. Тепловые эффекты реакций

Внутренняя энергия и энтальпия

Фундаментальное значение в термодинамике имеют такие понятия, как система и внешняя среда. Система состоит из компонентов реакции, т. е. реагентов и продуктов реакции, а к внешней среде относится все остальное во вселенной, кроме системы. Системой может быть названо содержимое реакционного сосуда, ограниченное его стенками (рис. 1.1). Однако может не существовать определенной границы системы, как, например, в случае сублимации твердого СО2 (сухого льда), при которой он переходит в газообразный СО2; в этом случае может показаться, что система исчезает во внешней среде, однако молекулы СО2 по-прежнему составляют «систему».

Если система термически изолирована от внешней среды, изменения, происходящие в системе, называют адиабатическими, и обмен теплотой между системой и внешней средой отсутствует.

Многие реакции происходят при заданной, постоянной температуре и такие процессы называют изотермическими.

Для характеристики состояния системы и происходящих в ней изменений важно знать изменение таких функций состояния системы как внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), энтропия (S) и изобарный потенциал (G).

Эти переменные называются функциями состояния, если известно, сколько вещества в системе, достаточно определить две функции состояния, чтобы стали известными все остальные функции состояния системы. Рассмотрим уравнение состояния идеального газа

4

где R (универсальная газовая постоянная) = 8,314 Дж/моль• К), V- объем, P - давление, T - температура, n - число молей.

Состояние системы характеризуется совокупностью параметров и свойств системы. Для системы характерны следующие параметры: давление (Р), температура (Т), объем (V), масса (m).

Имеются процессы, протекающие при постоянном значении некоторых параметров. При постоянной температуре (Т = const) – изотермические процессы, при постоянном давлении (Р = const) – изобарические, а при постоянном объеме (V = const) – изохорические процессы.

Абсолютные величины U, H, S, G не могут быть определены, однако можно измерить их изменение ΔU, ΔH, ΔS, ΔG в различных процессах. На основе этих параметров могут быть выведены другие переменные, позволяющие характеризовать состояние системы и происходящие в ней изменения.

Внутренняя энергия U – это суммарная энергия, которая характеризует общий запас энергии системы, включающий энергию колебаний атомов, их внутреннюю энергию, кинетическую и потенциальную энергию молекул, энергию движения электронов и т.д. Внутренняя энергия имеет размерность кДж/моль.

Внутренняя энергия системы (вещества или совокупности веществ) представляет собой ее полную энергию, которая складывается из энергии движения молекул, энергии движения ядер и электронов в молекулах и атомах, внутриядерной энергии, энергии межмолекулярного взаимодействия и т. п. (т. е. все виды энергии, кроме потенциальной и кинетической энергии системы как целого).

Предположим, что некоторая система за счет поглощения теплоты Q переходит из состояния 1 в состояние 2. В общем случае эта теплота расходуется на изменение внутренней энергии системы ΔU и на совершение работы против внешних сил

А:

5

Приведенное уравнение выражает закон сохранения энергии, т. е. означает, что сумма изменений внутренней

энергии и совершенной системой (или над нею) работы равна сообщенной ей (или выделенной ею) теплоте. Так, ес-

ли теплота сообщается газу в цилиндре, закрытом поршнем, то газ, во-первых, нагревается, т. е. его внутренняя энергия возрастает, а во-вторых, расширяется, т. е. производит работу подъема поршня А.

Рис. 1.1. Различие между системой и внешней средой на примере реакции, в ходе которой выделяется газ; газ собирается

вобъеме шприца, расширяющемся во внешнюю среду

входе реакции

Для химических реакций под работой против внешнихсил в основном подразумевается работа против внешнего давления. В первом приближении она равна произведению давления Р на изменение объема V системы:

6

При изохорном процессе, поскольку изменения объемасистемы не происходит, A=0. Тогда переходу системы из состояния 1 в состояние 2 отвечает равенство

Qv = U2 – U1 = ΔU.

Следовательно, если химическая реакция протекает при постоянном объеме, то выделение или поглощение теплоты Qv связано с изменением внутренней энергии системы.

Для химического процесса, протекающего изобарически, V представляет собой разность между суммой объемов продуктов реакции и суммой объемов исходных веществ. Так, для реакции, записываемой в общем виде

изменение объема определяется равенством

ΔV=ΣVпрод - ΣVисх=(dVD + eVE +…) – (aVA - bVB +…),

где VA,VB…VD, VE - мольные объемы вещества А, В..., D, Е..., ΣVпрод – сумма мольных объемов продуктов реакции, ΣVисх – сумма мольных объемов исходных веществ.

Для изобарического процесса, следовательно, тепловой

1.2. Химическое сродство

Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но и поглощением теплоты.

Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре идет в обратном направлении, т. е. с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалек-

7

тический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению H, с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая — с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропи-

ей.

Энтропия (S), так же как внутренняя энергия (U), энтальпия (H), объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U, Н, V обладают аддитивными свойствами, т. е. при соприкосновении систем суммируются. Энтропия отражает движение частиц вещества и является ме-

рой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличе-

нием движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т. п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т. п. - ведут к уменьшению - энтропии.

Таким образом, если при изохорическом процессе тепловой эффект реакции равен изменению внутренней энергии системы, то в случае изобарного процесса тепловой эффект равен изменению энтальпии системы. Для реакции, записываемой в общем виде (1.3), тепловой эффект

изохорного процесса- QV=ΔU=ΣUпрод–ΣUисх; изобарного процесса - QP=ΔH=ΣHпрод–ΣHисх.

Тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, больше теплового эффекта реакции, протекающей при постоянном объеме, на величину работы расширения PΔV.

Поскольку подавляющее большинство химических реакций проходит при постоянном давлении, в дальнейшем основное внимание мы будем уделять изобарным процессам.

8

Энергетические эффекты. Тепловые эффекты реак-

цийопределяют как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов. Следует отметить, что мы не можем оценить абсолютных значений энтальпии и внутренней энергии. Однако для термохимических расчетов и экспериментального определения тепловых эффектов это несущественно, поскольку нас интересует изменение состояния системы, т. е. изменение значений Н и U.

Все процессы в электрохимии подразделяют на экзо-

термические и эндотермические. При экзотермических ре-

акциях теплота выделяется, т. е. уменьшается энтальпия, или внутренняя энергия системы, и значения ΔH и ΔU для них отрицательны. При эндотермических реакциях теплота поглощается, т. е. Н и U системы возрастают, а ΔH и ΔU имеют положительные значения.

Для того, чтобы можно было сравнивать тепловые эффекты различных процессов, термохимические расчеты обычно относят к одному молю соединения и условиям, принятым за стандартные. За стандартные принимают давление 1 атм. и температуру чаще всего 25 °С (298,15 °К). Стандартные тепловые эффекты принято обозначать ΔH°298.

Параметры, описывающие состояние системы, называются функциями состояния. Так, функциями состояния идеального газа, входящими в его уравнение состояния, являются давление, объем и температура. Энергия - также функция состояния. Важно помнить, что если заданы некоторые функции состояния, то остальные функции состояния могут принимать лишь вполне определенные значения. Например, задав давление и объем 1 моля идеального газа, мы тем самым вполне однозначно определим его температуру, а также энергию и другие функции состояния.

Одним из основных свойств любой функции состояния является независимость ее изменения от способа или пути изменения состояния системы. Например, если изменить объем-

9