- •3. Циклы поршневых двигателй внутреннего сгорания (двс)
- •3.1. Принцип действия двс
- •3.2. Цикл со смешанным подводом тепла
- •3.4. Термодинамика идеального цикла Дизеля
- •3.5. Индивидуальное задание по термодинамическому расчету необратимых циклов поршневых двигателей
- •3.6. Указания к выполнению задания
- •3.7. Описание программы
- •3.8. Пример выполнения задания
- •4. Газотурбинные установки
- •4.1. Гту со сгоранием при постоянном давлении
- •4.2. Цикл газотурбинной установки с подводом тепла
- •4.3. Цикл газотурбинной установки со сгоранием
- •4.4. Газотурбинная установка со сгоранием при
- •4.5. Индивидуальное задание по термодинамическому
- •4.6. Указания к выполнению задания
- •4.7. Описание программы
- •4.8. Пример выполнения задания
- •0 Дж/кгДж/кгДж/кгДж/кг.
- •5. Элементы химической термодинамики
- •5.1. Закон Гесса и его следствия
- •5.2. Зависимость теплового эффекта химической
- •5.3. Задание по расчету теплового эффекта
- •5.4. Пример расчёта
- •5.5. Закон действующих масс. Константы равновесия
- •5.6. Степень завершенности реакции и состав
- •5.7. Термодинамические уравнения процесса протекания
- •5.8. Методы расчета констант равновесия
- •Метод Темкина-Шварцмана
- •5.9. Индивидуальные задания по определению
- •5.10. Примеры выполнения заданий
0 Дж/кгДж/кгДж/кгДж/кг.
В изобарном процессе 2-3 подводимое тепло идет на увеличение энтальпии системы, а располагаемая работа равна нулю. При этом эксергия рабочего тела возрастает на величину эксергии подводимого тепла:
.
Потери эксергии в этом процессе равны анергии тепла:
.
Вычислим значения этих величин:
Дж/кг;
Дж/кг.
Баланс эксергии для этого процесса:
или
Дж/кгДж/кгДж/кгДж/кг.
В процессе политропного расширения 3-4, для совершения внешней технической работы эксергия рабочего тела должна уменьшиться на величину, равную
.
Тепло, выделившееся вследствие частичной диссипации энергии при совершении системой работы, в случае адиабатности корпуса турбины, будет подведено обратно к рабочему телу и пойдет на увеличение как его эксергии, так и анергии. Причем, эксергия рабочего тела возрастет на величину эксергии тепла :
,
а анергия – на величину потерь эксергии:
.
Тогда суммарное изменение эксергии рабочего тела будет равно:
.
Определим величины ,,и:
Дж/кг;
Дж/кг;Дж/кг;
Дж/кг.
Как уже отмечалось выше, действительно отводимая в политропном процессе 3-4 работа будет меньше работы расширения рабочего тела на величину теплоты. Поэтому эксергия, отводимая от системы, будет определяться величиной отводимой работы:
;
Дж/кг.
Таким образом, баланс эксергии для процесса 3-4 можно записать в следующем виде:
или
Дж/кгДж/кгДж/кгДж/кг.
По полученным значениям эксергии и анергии построим эксергетическую диаграмму, показанную на рис. 4.23.
Определим эксергетический КПД ГТД как отношение отводимой эксергии к химической эксергии топлива, в нашем случае равной количеству тепла, подведенного в изохорном и изобарном процессах:
; .
Внутренний относительный коэффициент полезного действия компрессора, можно определить как отношение работы необходимой для сжатия рабочего тела в адиабатном процессе к работе подведенной в некотором политропном процессе:
;
.
Рис. 4.23. Эксергетическая диаграмма цикла ГТД
Внутренний относительный коэффициент полезного действия турбины, можно определить как отношение работы, отведенной от рабочего тела при его политропном расширении, к работе, полученной при обратимом адиабатном процессе расширения:
;.
5. Элементы химической термодинамики
5.1. Закон Гесса и его следствия
Тепловым эффектом химической реакции называется сумма теплоты, выделенной системой, и всех видов работ, совершённых над ней, за исключением работы в поле сил давления, для случая, когда все величины отнесены к одинаковой температуре.
Уравнение первого закона термодинамики применительно к химическим процессам имеет вид :
. (5.1)
Можно показать, что изохорный тепловой эффект реакции (протекающей при изохорно-изотермическом процессе) равен изменению внутренней энергии системы а изобарный тепловой эффект реакции (протекающей при изобарно-изотермическом процессе) равен изменению энтальпии системы:.
Закон Гесса – основной закон химической термодинамики – устанавливает, что тепловой эффект химической реакции не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое, а определяется лишь начальным и конечным её состояниями при условии, что единственной работой, совершаемой системой, является работа против внешнего давления, и что давление или объём в течение всего процесса останутся неизменными.
Соотношения
и (5.2)
являются алгебраическими выражениями закона Гесса.
Закон Гесса имеет большое практическое значение, с его помощью можно вычислить тепловые эффекты химических реакций, экспериментальное определение которых затруднительно или практически неосуществимо. Поясним это на примере (рис. 5.1).
Предположим, что вещество А превращается в вещество В тремя путями: непосредственно из вещества А в вещество В с тепловым эффектом Q1; через стадии С, D с тепловыми эффектами Q2, Q3, Q4, через стадии Е, N, М с тепловыми эффектами Q5, Q6, Q7 и Q8. По закону Гесса суммарные тепловые эффекты одинаковы, поэтому
;
Рис.5.1.
Схема, иллюстрирующая закон Гесса
С помощью закона Гесса можно производить расчеты, используя так называемые термохимические уравнения, представляющие собой стехиометрические уравнения химических реакций, в которых наряду с химическими формулами веществ, участвующих в реакции, записываются тепловые эффекты (отнесенные к одинаковым условиям). С этими уравнениями можно производить алгебраические действия так же, как с любыми алгебраическими уравнениями.
Количество молей исходных и полученных веществ в химической реакции пропорционально стехиометрическим коэффициентам. В газовых реакциях объемы и парциальные давления реагирующих веществ и продуктов реакции также пропорциональны стехиометрическим коэффициентам.
Так как тепловые эффекты зависят от физического состояния реагирующих веществ и условий, при которых протекает реакция, то для возможности проведения термохимических расчетов, тепловые эффекты, вводимые в термохимические уравнения, должны быть отнесены к каким-то одинаковым условиям, в противном случае они несопоставимы. За такие условия принимают условия, при которых реакция осуществляется между веществами, находящимися в определенных стандартных состояниях.
За стандартные состояния индивидуальных жидких и твердых веществ принимают их устойчивое состояние при данной температуре и давлении р = 1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,013105 Па, а для индивидуальных газов – такое их состояние, когда при давлении р = 760 мм рт. ст. и данной температуре они подчиняются уравнению состояния идеального газа.
Широко приводимые в справочниках тепловые эффекты обычно относят к давлению р = 1 атм (1,013·105 Па) и температуре t = 25 °С (298,15 К) и обозначают и или и .
Из закона Гесса вытекают следствия, имеющие большое практическое значение.
1. Тепловой эффект реакции разложения Qpaзл химического соединения по величине равен и противоположен по знаку тепловому эффекту образования Qoбp этого соединения из продуктов разложения: .
2. Если из двух химических систем образуются одни и те же конечные продукты двумя различными путями, то разность между значениями тепловых эффектов химических реакций равна тепловому эффекту превращения одной химической системы в другую. Так, например, для реакции образования вещества В из веществ А и С (рис. 5.2) согласно закону Гесса, Q1 = Q2 + Q3, откуда тепловой эффект превращения вещества А в С .
3. Если одинаковые по химическому составу системы двумя путями превращаются в различные конечные продукты, то разность между значе-
ниями тепловых эффектов, равна теплоте, полученной при превращении одного конечного продукта химической реакции в другой. Так, при образовании из вещества А веществ В и С (рис. 5.3.), согласно закону Гесса,
Рис.
5.3.
Схема, иллюстрирующая третье следствие
закона Гесса
Рис.
5.2.
Схема, иллюстрирующая второе следствие
закона Гесса
При термохимических расчетах особое значение имеют два вида тепловых эффектов химических реакций: теплота образования соединений и теплота сгорания.
Теплотой образования принято называть тепловой эффект реакции образования данного соединения из соответствующих простых веществ в стандартных условиях.
За стандартное состояние простых веществ принимают их стабильное состояние при давлении, равном одной физической атмосфере (760 мм рт. ст. или 1,013105 Па) и температуре 298,15 К.
Из закона Гесса следует, что тепловой эффект реакции равен разности теплоты образования продуктов реакции и теплоты образования исходных веществ, взятых с соответствующими стехиометрическими коэффициентами:
. (5.3)
Из закона Гесса следует также, что тепловой эффект реакции равен разности между теплотой сгорания исходных веществ и теплотой сгорания продуктов реакции с учётом их стехиометрических коэффициентов:
. (5.4)
По известному значению теплового эффекта реакции при постоянном давлении (Qp) можно рассчитать тепловой эффект реакции при постоянном объёме (Q):
, (5.5)
где – изменение числа молей газообразных продуктов реакции и исходных веществ ().