Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплогазоснабжение и вентиляция. Учебное пособие для студентов направления «Строительство» профиля «Экспертиза и управление недвижимостью»
.pdf
турбокомпрессорах, а также в поршневых машинах в процессах впуска и выпуска.
- закрытая, в которой отсутствует обмен веществом с другими телами и (или) окружающей средой. Примером закрытой системы может быть газ, находящийся в цилиндре
с поршнем.
- изолированная которая не обменивается энергией и массой с другими системами (горячий чай в закрытом термосе).
Термодинамическая система может быть равновесной,
если она характеризуется неизменностью во времени и по
объему термодинамических параметров рабочего тела и
разности температур и/или давлений.
2.1. Параметры состояния
термодинамической системы
Величины, характеризующие состояние системы (рабочего тела), называют термодинамическими параметрами.
Различают интенсивные параметры – не зависящие от массы вещества (давление, температура, удельные величины)
и экстенсивные – пропорциональные массе вещества (объём, внутренняя энергия, энтальпия и др.).
21
Изменение состояния системы, характеризуемое
изменением термодинамических параметров, называется
термодинамическим процессом. Процесс, рассматриваемый как непрерывный ряд равновесных состояний системы, называется равновесным. Все реальные процессы являются неравновесными.
Физическое состояние однородного газа однозначно
определяется тремя основными параметрами состояния:
температурой, давлением и удельным объемом.
Температура характеризует степень нагретости тела и
определяет направление самопроизвольного теплообмена.
Для измерения температуры установлены две шкалы: основная термодинамическая температурная шкала– символ
Т, единица Кельвин (К); и практическая шкала МПТШ-68
– символ t, единица градус Цельсия (оС), причем 1К = 1 оС.
Параметром состояния системы является только термодинамическая температура Т.
Термодинамическая (или абсолютная) шкала установлена по одной реперной (опорной) точке - тройной точке
воды, которой присвоена температура 273,16 К (0,01 оС).
Тройной точкой называется такое состояние системы, при
котором одновременно находятся в равновесии все три фазы воды: пар, вода и лед (Р = 610,755 Па, Т = 273,16 К).
22
Численные значения температуры, определенной по
этим двум шкалам, связаны соотношением Т К = t оС +
273,15.
По шкале Фаренгейта, применяемой в Англии и США,
температура плавления льда и температура кипения воды
при нормальном давлении соответственно равны 32 и 212
о
F, следовательно, t оС = (5/9)·(t оF – 32).
Давление. Абсолютное давление, отсчитываемое от
нуля (абсолютного вакуума) с точки зрения молекулярнокинетической теории, является средним результатом ударов молекул о поверхность, ограничивающую объём, занимаемый рабочим телом. Давление имеет размерность
силы, отнесённой к единице площади поверхности. Основной единицей измерения давления является Паскаль: 1 Па
= 1 Н/м2.
Другие единицы измерения давления:
1 техническая атмосфера 1 кгс/см2 = 9,8065 104 Па.
1 бар = 105 Па; 1 мм.в.ст. = 9,81 Па; 1 мм рт.ст. = 133,32 Па.
Измерители давления Б атмосферного воздуха называют барометрами, избыточного давления р
- маномет-
изб
рами, а разности между давлением окружающей среды и
рабочего тела в – вакуумметрами. Абсолютное давление
получают суммированием показаний манометра и давле-
23
ния атмосферного воздуха: р
абс
= р
+ Б. При разрежении
изб
абсолютное давление получают, вычитая показания вакууметра из давления окружающей среды: р
= Б – в . Здесь
абс
Б – барометрическое давление и в – вакуум (разрежение).
Удельный объём. Удельным объёмом называется
объём единицы массы вещества v =V/m, [м3/кг], где V –
полный объём; m – масса. Плотность рабочего тела ρ = 1/
v, кг/м3.
2.2. Теплоёмкость газов
Теплоемкостью тела называется количество теплоты,
необходимое для повышения его температуры на 1 К.
Удельной теплоемкостью называется количество теплоты,
необходимое для нагревания единицы количества вещества на один градус. В зависимости от принятой единицы
количества вещества различаются удельные теплоёмкости:
- массовая с, Дж/(кг К);
- объёмная Ĉ, Дж/(мз К)
- мольная с, Дж/(кмоль К).
Соотношение между удельными теплоёмкостями:
с = с/ = Ĉ 22,4/ = Ĉ / ρ
24
Ниже под теплоёмкостью будем понимать удельную
1
1
tc
t
o
2
2
tc
t
o
массовую теплоёмкость с.
Теплоемкость рабочего тела зависит от его природы,
температуры тела и характера процесса, в котором происходит подвод или отвод теплоты. Теплоемкость газов с повышением температуры увеличивается. Если газ нагревают
от t1 до t2 для нагревания 1 кг затрачивают q Дж теплоты,
то средняя теплоемкость газа в рассматриваемом интервале температур:
Если известны средние теплоемкости в интервале температур 0 ÷ t1 и 0 ÷ t2 , то средняя теплоемкость в интервале
температур t1 ÷ t2:
.
Произведения
и
соответственно пред-
ставляют количества теплоты, необходимой для нагревания тела от 0 до t1 и t2 . Разность этих количество теплоты
есть теплота нагревания тела от t1 до t2 . При делении этого
количества теплоты на разность температур получаем
среднюю теплоемкость тела в рассматриваемом интервале
25
температур. Следует учитывать, что средняя теплоемкость
1
t
o
c
2
t
o
c
газа в интервале температур t1 ÷ t2 (при t1 > 0) будет боль-
ше
и
.
Теплоемкость, соответствующая определенной температуре, называется истинной теплоемкостью. Истинная
теплоемкость равна пределу, к которому стремится средняя теплоемкость при бесконечном уменьшении интервала
температур t1 ÷ t2 .
Понятие теплоёмкости имеет смысл, если известен характер (путь) термодинамического процесса, так как от
этого зависит величина подвода или отвода теплоты. В зависимости от характера процесса теплоёмкость с может
принимать значение от 0 до ∞ , являясь функцией температуры:
c = а +bt + dt2 + …
где a, b, d – постоянные для каждого газа коэффициенты, учитывающие физические свойства газа.
Для двухатомных газов c = а +bt, тогда средняя теплоёмкость в интервале температур t1 ÷ t2 определяется из равенства:
26
Особое значение имеют теплоемкости газа при постоянном
Rcc
vp
3,8314vpcc
kcc
vp
/
давлении (в изобарном процессе) ср и постоянном объеме
(в изохорном процессе) сv . Величина сv < ср , т.к. при
нагревании тела в изохорном процессе теплота затрачивается только на повышение температуры. При изобарном
нагревании газ расширяется и совершает работу.
Теплота нагревания ср (1 кг газа на 1 К в изобарном
процессе) больше теплоты сv на величину работы расширения, которая равна газовой постоянной R . Удельные
теплоемкости связаны формулой Майера
Для мольных теплоемкостей формула Майера
Дж/(кмоль .К)
Отношение теплоемкостей для всех газов больше единицы
где k – показатель адиабаты (коэффициент Пуассона).
Для одноатомных газов к = 5/3; для двухатомных - к =
7/5, для прочих газов к = 9/7.
Теплоёмкость газовых смесей. Если смесь задана
массовыми долями
определяется по формуле:
, то удельная массовая теплоёмкость
27
2.3. Законы идеальных газов
В реальных газах между молекулами действуют силы
взаимного притяжения или отталкивания. Знак силы молекулярного взаимодействия определяется расстоянием
между молекулами. В термодинамике в качестве рабочего
тела рассматривается идеальный газ, у которого силы молекулярного взаимодействия отсутствуют и молекулы не
имеют объема.
При низких давлениях и сравнительно высоких температурах расстояния между молекулами реального газа значительны, а силы молекулярного взаимодействия (притяжения) малы, поэтому свойства реальных газов близки к
свойствам идеального газа. Это позволило опытным путем
установить основные законы идеальных газов.
Закон Бойля-Мариотта. Бойль в 1662 г. и Мариотт в
1676 г. обнаружили, что при постоянной температуре Т
произведение абсолютного давления газа на его удельный
объем есть величина постоянная, т.е.
при Т = const рv = const.
28
Отсюда следует, что для любых двух состояний газа,
соответствующих постоянной температуре, справедливо
равенство:
Закон Гей-Люссака. Гей-Люссак в 1802 г. опытным
путем установил, что при постоянном давлении газа отношение удельного объема к его абсолютной температуре
есть величина постоянная, т.е.
при р = const v/Т = const, отсюда
Закон Шарля (следствие первых двух законов, 1787г.)
при v = const p/T = const; отсюда
Закон Авогадро (1811 г.). Авогадро выдвинул гипотезу (ставшую законом): одинаковые объемы различных газов при одинаковых физических условиях содержат одинаковое количество молекул. Важное следствие: при одинаковых физических условиях молярные объемы разных газов одинаковы, т.е. μv = idem. При нормальных физических условиях молярный объем идеального газа равен 22,4
м3/кмоль.
29
Уравнение состояния идеального газа. Сопоставле-
RTvp
RTvp
ние законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака приводит к
соотношению:
где R – удельная газовая постоянная, Дж/кгК. Это
уравнение было получено Клапейроном в 1834 году.
Для одного килограмма газа
Для произвольного количества газа m, кг
,
где V= mv – полный объём газа.
Для моля газа уравнение состояния было предложено
Д.И.Менделеевым в виде:
где v = v - объём моля.
Из уравнения состояния киломоля газа при нормальных
физических условиях (РН = 760 мм рт.ст. = 101325 Па; tН
= 0C = 273,15 K)
101325 * 22,4 = R*273,15
можно получить величину универсальной газовой постоянной
R=8314,2 Дж/(кмоль.К)
Удельная газовая постоянная R=8314,3/ имеет размерность работы, совершаемой 1 кг рабочего тела Дж/(кг .К).
30
или
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]