Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая термодинамика. Учебно-методическое пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Е.В. Котова, Т.Б. Тарабрина
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Учебно-методическое пособие для СПО
Профобразование
Саратов
2022
УДК 536
ББК 31.31
К73
Рецензент:
Стефанюк Е.В. — д-р техн. наук, проф.
Котова, Евгения Валериевна.
К73
Техническая термодинамика : учебно-методическое пособие для СПО /
Е.В. Котова, Т.Б. Тарабрина ; Самарский государственный технический
университет. — Саратов : Профобразование, 2022. — 83 с. — (Среднее
профессиональное образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4488-1418-1
В учебно-методическом пособии приводятся краткие теоретические
сведения по некоторым разделам термодинамики, технической термодинамики , тепло- и хладотехники. Изложены основные формулы и соотношения
для решения задач, большинство из которых снабжены ответами, приведены
типовые задачи с решениями. Впприложении содержатся основные
справочные материалы.
Учебно-методическое пособие предназначено для изучения дисциплины
«Основы технической термодинамики» по специальности среднего
профессионального образования 15.02.05 «Техническая эксплуатация
оборудования в торговле и общественном питании», дисциплины «Техни-
ческая термодинамика и теплопередача» по укрупненной группе специ-
альностей 26.00.00 «Техника и технологии кораблестроения ипводного
транспорта». Издание также будет полезно студентам всех специальностей
иппрофессий, учебными планами которых предусмотрено изучение курса
термодинамики.
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4488-1418-1 © Котова Е.В., Тарабрина Т.Б., 2019
© Самарский государственный
технический университет, 2019
© Оформление. ООО «Профобразование», 2022
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшие направления развития энергетики предъявляют опре-
деленные требования к учебной литературе. В связи с этим авторы
настоящего учебно-методического пособия уделили особое
внимание разделам, посвященным термодинамическим циклам
тепловых машин, сжатию газа в компрессорах, теории истечения.
Впкаждую главу введены основные расчетные формулы и даны
теоретические аспекты, необходимые для решения задач. Издание
ориентировано как на аудиторные практические занятия, так и на
самостоятельную работу студентов. Большая часть задач снабжена
ответами, а наиболее трудные – подробным решением.
В термодинамике абстрагируются от реальных объектов, вводя
ряд обобщающих понятий, таких как термодинамическая система,
окружающая среда, идеальный газ, работа, теплота, внутренняя энергия, верхний источник теплоты (ВИТ), нижний источник теплоты
(НИТ). Основополагающими в термодинамике являются законы сохранения энергии, принцип возрастания энтропии, а также её стремление к нулю по мере снижения температуры. Законы носят название
соответственно «первое, второе и третье начало термодинамики». На
их основе построен математический аппарат термодинамики, предметом изучения которой являются процессы в макроскопических системах, описываемые тремя основными законами термодинамики.
3
1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО
m
V
ТЕЛА, УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Рабочее тело – тело, посредством которого производится взаим-
ное превращение теплоты и работы. В термодинамике различают
идеальный и реальный газы.
Идеальный газ – это газ, молекулы которого представляют со-
бой материальные точки, не связанные между собой каким-либо взаимодействием и находящиеся в хаотичном движении.
Термодинамическим состоянием тела или системы тел назы-
вается совокупность физических свойств, присущих данной системе
или телу.
Для характеристики конкретных условий, в которых находится
данная система, или процесса, идущего в системе, необходимо знать
такие параметры состояния, как удельный объем, абсолютное
давление, абсолютная температура.
3
Удельный объем (v, м
где
– объем произвольного количества вещества, м3; m – масса
/кг) – это объем единицы массы вещества
V
v = ,
этого вещества, кг.
Давление – величина, определяемая отношением силы
(нормальной составляющей силы), действующей на поверхность, к
площади этой поверхности (p, Па=Н/м2) (табл. П1 приложения).
Для измерения давления применяют манометры, атмосферного
давления – барометры, разрежения – вакуумметры. Абсолютное дав-
ление (p
), если оно больше атмосферного (барометрического) (pб),
абс
определяется как сумма
p
=pб +pм,
абс
где pм – показания манометра, измеряющего избыточное давление.
где p
Если p
– показания вакуумметра, измеряющего разрежение.
в
< pб, то
абс
= pб – pв,
p
абс
4
c
c
<
>
µ
R
0
µ 8314,3
µ 8314,3
µ µ
pp
aб
p
б
pp
aб
p
б
f
p
а
p
а
h
d
d
а б
Рис. 1.1. Схема измерения давления U – образным манометром
Нормальные физические условия (н. ф. у.) соответствуют
Т
= 273,15 К, pо = 101325 Па
о
h
Уравнение состояния устанавливает связь между давлением,
температурой и удельным объемом среды постоянного состава.
Уравнение состояния для идеального газа (уравнение Клапейрона)
а) для 1 кг газа
pv = RT, (1.1)
где R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг⋅К);
б) m кг газа
pV = mRT, (1.2)
в) для моля идеального газа уравнение состояния pVµ = µRT, где
Vµ – объем, занимаемый одним молем газа при н.ф.у.
Vµ=22,4146 м3/кмоль, µ – молекулярная масса.
Универсальная газовая постоянная (одинаковая для любого газа)
,
Дж/(кМоль⋅К)
Газовая постоянная R, Дж/(кг⋅К) (табл. П2 приложения)
p V
0 µ
RT= =
R
R = =
5
. (1.3)
. (1.4)
Объем газа V, находящегося при произвольных физических
p RT
p
RT
условиях (p и T), может быть приведен к нормальным физическим
условиям (pн и Tн) по формуле
pT
Vн = V
н
. (1.5)
Tp
н
Температура (Т, К) – величина, характеризующая степень
нагретости тел. Она представляет собой меру средней кинетической
энергии поступательного движения молекул. Чем больше средняя
скорость движения молекул, тем выше температура тела [12].
Абсолютная температура тела
Т = 273,15 + t . (1.6)
Задачи
Исходные данные к задачам выбираются из таблицы 1.1.
1.1. Манометр показывает избыточное давление (pм) _______ мм
рт. ст), а барометр (pб) _________ мм рт. ст. Вычислить абсолютное
давление газа в резервуаре (p
абс
, Па).
Решение:
Абсолютное давление в резервуаре больше атмосферного,
поэтому представляет собой сумму избыточного (манометрического)
и барометрического (атмосферного) давлений
p
= pм+ pб.
абс
1.2. Чему равно абсолютное давление газа в резервуаре (p
абс
, Па),
если вакуумметр показывает разрежение (pв) _______ мм рт. ст, а
барометрическое давление (pб) _________ мм рт. ст.
Ответ (1 вариант): p
= 0,61·105 Па
абс
1.3. Чему равна плотность 1 кг газа__________при нормальных
физических условиях?
Решение:
1
=
, ρ
= .
ρ
6
1.4. Газ _________ массой 25 кг находится в ёмкости V = 10 м3.
mRT
pV
=
2 1
1 2
p T
p T
ρ
i
V
p p
V
Вычислить абсолютное давление в баке, если температура в нем t =
27 °C. Примечание: газы те же, что и в задаче 1.3.
Решение:
.
1.5. Какова будет плотность (ρ) газа _______при t = 20 °C и p
=710 мм рт. ст., если при t = 0 °C и p =760 мм рт. ст. она равна
_____кг/м3. Примечание: (газы те же, что и в задаче 1.3).
Решение:
№
Наименование
зада-
чи
1.1 p
1.2 p
1.3 Газ N2 NH
1.5
величин
м
pб
в
pб
ρ =ρ
2 1
.
Таблица 1.1
Исходные данные к задачам 1.1–1.5
Вариант
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
300
750
300
750
1,25 0,7714 1,7837 0,08988 0,804 0,1785 1,42 - 1,25 1,97
305
760
305
760
310
740
310
740
3
Ar H2 H2O He O2 CH
315
750
315
750
320
760
320
760
200
740
200
740
220
750
220
750
250
760
250
760
240
740
240
740
CO CO
4
350
750
350
750
2
2. СМЕСИ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Газовая смесь это смесь отдельных газов, которые химически
между собой не реагируют, каждый газ, в составе смеси сохраняет
все свои физические свойства и занимает весь объем смеси.
Парциальным (частичным) давлением называют давление, создаваемое молекулами каждого отдельного газа смеси, при том условии, что этот газ находится один в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.
Если объем смеси V и давление p, то парциальное давление отдельного компонента
=
i
, (2.1)
7
V
см n i
p p p p p
∑
см n i
V V V V V
∑
1
;
m
2
;
m
2
;
m
n
m
1
g
1.
=
; ; ,
n
V
V V V
⋅⋅⋅
где
– парциальный (приведенный) объем отдельного компонента
i
смеси.
Парциальный объем – это объем, который занимал бы газ, если
бы его давление и температура равнялись параметрам смеси газов.
Закон Дальтона общее давление смеси идеальных газов равно
сумме парциальных давлений газов, входящих в смесь
n
= + + + =
1 2
...
. (2.2)
1
i
=
Закон Амага: сумма приведенных объемов компонентов
смеси газов равна объему смеси
n
= + + + =
1 2
...
. (2.3)
1
i
=
Газовая смесь может быть задана массовыми, объемными и
молярными долями.
Массовая доля – отношение массы каждого отдельного газа к
суммарной массе смеси
где
gm=
1
,
g
,...,
g
2
– массовые доли отдельных газов; m – суммарная
n
gm=
2
gm=
2
gm= , (2.4)
n
масса всей смеси.
Сумма массовых долей равна единице
n
∑
ig=
i
1
(2.5)
Следовательно, массовая доля может быть определена долей
килограмма данного компонента, содержащейся в 1 кг смеси.
Объемная доля – отношение парциального (приведенного)
объема каждого газа к общему объему смеси
где
rrr ,,,
– объемные доли.
21
n
V V
r r r
1 2
= = =
1 2
8
n
1.
n
=
; ;...; ,
µ µ µ
n
n
m
.
i
M M
∑
; ;...; .
n
M
M M M
1.
=
8314,3
Если сложить объемные доли, то получим
∑
ir=
i
1
Задание смеси молярными долями заключается в следующем.
Сначала находим количество молей каждого компонента смеси по
соотношениям
m m
М M M= = =
1 2
1 2
1 2
n
(2.6)
где M1, M2,..., Mn – количество молей каждого компонента;
µ
– молекулярные веса соответствующих компонентов смеси.
n
µ
,
µ
, ... ,
1
2
Отсюда вся газовая смесь будет содержать М молей
n
=
1
i
=
(2.7)
Мольные доли
iy=
M
2;
n
n
i
1
(2.9)
(2.8)
M
y y y
1 2
1
= = =
∑
Таким образом, мольной долей данного компонента в смеси
можно назвать количество молей (долю моля этого компонента) в
одном моле смеси.
Мольные и объемные доли численно равны между собой yi=ri.
Знание кажущейся молекулярной массы смеси позволяет
находить газовую постоянную смеси R по формуле
Rµ=
см
. (2.10)
см
Уравнение состояния идеально – газовой смеси
pсмVсм = mсмRсмTсм,.
9
Таблица 2.1
доли
доли
µ
2 2
2 2
H O
g g
µ µ
2 2
2 2
H O
g g
µ µ
=
=
2 2
O O
p pr
=
2 2
N N
p pr
=
2 2
см O
p p p
= −
Основные формулы для расчета газовых смесей
Перевод
из одного
состава в
другой
Состав смеси
Плотность
и
удельный
объем
смеси
Кажущаяся
молекулярна
я масса
смеси
Газовая
постоянная
смеси
Парциальное
давление
Теплоемкость
1 2 3 4 5 6 7
g
i
µ
i
=
r
i
Массовые
=
∑
rg
ii
n
=
i
∑
;
g
i
µ
i
1
n
=
i
1
v
i
µ
r
ii
см
Объемные
1
=ρ
см
=
см
=
∑
i
∑
i
∑
i
n
∑
i
=1
n
g
i
ρ
i
=
1
n
g
i
ρ
i
=
1
n
rρ=ρ
i
iсм
=1
1
rvρ
i
i
1
=µ
см
n
∑
=
i
g
R =
i
µ
i
1
=
Rg
=
∑
ii
=ni
1
g
i
3,8314
∑
µ
=ni
1
i
∑
=
i
n
µ=µ
r
iiсм
1
R=
3,8314
µ
r
∑
ii
=ni
1
R
i
p
gp
=
ii
R
см
prp =
ii
=
∑
см
=ni
1
=
∑
см
′
=
∑
см
′
=
см
cgc
;
viiv
cgc
,
piip
=ni
1
′
crc
;
viiv
=ni
1
′
crc
∑
piip
=ni
1
Задачи
При решении задач 2.1–2.10 в качестве основных расчетных
формул использовать данные табл. 2.1. Исходные данные к задачам
приведены в табл. 2.2.
2.1. Смесь по массе состоит из ____% Н2 и ___% О2. Определить
объемный состав смеси.
Решение:
g
H
2
µ
H
r
=
H
2
2
H O
+
;
r
=
O
2
g
O
2
µ
O
2
H O
+
.
2.2. Определить парциальные давления кислорода и азота в смеси
при нормальных физических условиях, если смесь имеет массовый
состав
g
_______%,
O
2
Решение:
g
,
________%.
N
2
или по закону Дальтона
N
.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]