- •Конспект лекций
- •3.1. Термодинамика
- •3.1.1. Содержание и метод термодинамики
- •3.1.2. Основные понятия термодинамики
- •3.1.3. Газовые смеси
- •3.1.4. Законы идеальных газов
- •3.1.5. Первое начало термодинамики
- •3.1.5.1. Первое начало термодинамики как математическое выражение закона сохранения энергии
- •3.1.5.2. Первое начало термодинамики простого тела
- •3.1.6. Понятие теплоёмкости
- •3.1.7. Первое начало термодинамики для идеальных газов
- •3.1.7.1. Закон Майера
- •8314 Дж/(кмольк).
- •3.1.7.2. Принцип существования энтропии идеального газа
- •3.1.8. Термодинамические процессы
- •3.1.8.1. Классификация термодинамических процессов
- •3.1.8.2. Работа в термодинамических процессах
- •3.1.9. Круговые процессы (циклы)
- •3.1.9.1. Тепловые машины, понятие термического к.П.Д.,
- •3.1.9.2. Цикл Карно
- •3.1.10. Второе начало термодинамики
- •3.1.11. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания
- •3.1.11.1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •3.1.11.2. Циклы газотурбинных установок
- •3.1.12. Типовые задачи к разделам курса «термодинамика»
- •3.1.12.1. Параметры, уравнение состояния идеального газа
- •3.1.12.2. Газовые смеси
- •3.1.12.3. Первое начало термодинамики
- •3.1.12.4. Процессы изменения состояния вещества
- •3.1.12.5. Термодинамические циклы
- •4.1.Теплопередача
- •4.1.1. Теплопередача, её предмет и метод, формы передачи теплоты
- •4.2. Теплопроводность
- •4.2.1. Температурное поле
- •4.2.2. Температурный градиент
- •4.2.3. Тепловой поток. Закон Фурье
- •4.2.4. Коэффициент теплопроводности
- •4.2.5. Дифференциальные уравнения теплопроводности
- •4.2.6. Условия однозначности для процессов теплопроводности
- •4.2.7. Отдельные задачи теплопроводности при стационарном режиме
- •4.3. Конвективный теплообмен
- •4.3.1. Основные понятия и определения
- •4.3.2. Теория размерностей
- •Размерности и показатели степени при конвективном теплообмене
- •4.3.3. Теория подобия
- •4.3.4. Критериальные уравнения
- •4.3.5. Некоторые случаи теплообмена
- •4.3.6. Расчетные зависимости конвективного теплообмена
- •4.3.7. Теплообмен при естественной конвекции
- •4.3.8. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах и каналах
- •4.3.9. Теплоотдача при поперечном обтекании труб
- •4.4. Тепловое излучение
- •4.4.1. Основные понятия и определения
- •4.4.2. Виды лучистых потоков
- •4.4.3. Законы теплового излучения
- •4.4.4. Особенности излучения паров и реальных газов
- •4.5. Теплопередача
- •4.5.1. Теплопередача между двумя теплоносителями через разделяющую их стенку
- •4.5.2. Оптимизация (регулирование) процесса теплопередачи
- •4.5.3. Теплопередача при переменных температурах (расчет теплообменных аппаратов)
3.1.3. Газовые смеси
Смесь представляет собой систему тел, химически не взаимодействующих между собой. Структура отдельных компонентов смеси в процессах смесеобразования и стабилизации смеси не изменяется.
Различают два основных способа задания смеси: весовыми (массовыми) и мольными (объемными) концентрациями.
Весовая (массовая) концентрация смеси mi представляет собой отношение стандартного веса или массы компонента к стандартному весу или массе всей смеси:
; ;.
Мольная (объемная) концентрация ri есть величина отношения количества молей компонентов к количеству молей смеси:
ri=
; .
Количество молей компонента
Молекулярный (кажущийся) вес смеси равен в зависимости от способа задания смеси:
через объемные доли:
(3.22)
через массовые доли:
(3.23)
(3.24)
Пересчет весовых и объемных концентраций можно осуществить из уравнения:
mi/ri=i/m; mi/ri=i/m=Rm/Ri,
где Rm — газовая постоянная смеси Rm=
Давление смеси представляет собой сумму давлений компонентов, входящих в смесь Давление одного компонента устанавливается на основании закона Дальтона (закона диффузионного равновесия)Pi=Pmri, где Pi — парциальное давление газов, входящих в смесь.
3.1.4. Законы идеальных газов
Идеальным газом является газ, подчиняющийся уравнению Клапейрона при любых плотностях и давлениях.
1. Закон Бойля — Мариотта (1622 г.). Если температура газа постоянна, то давление газа и его удельный объем связаны зависимостью:
P11=P22=idem, или 2/1=P1/P2. (3.25)
2. Закон Гей — Люссака (1802 г.). При постоянном давлении объем газа при нагревании изменяется прямо пропорционально повышению температуры:
=0(1+t), (3.26)
где — удельный объем газа при температуре tC,
0 — удельный объем газа при температуре t=0С,
— температурный коэффициент объемного расширения идеальных газов при t=0C одинаковый для различных газов и сохраняющий одно и то же значение: =1/273,16=0,00366 1/С.
3. Закон (уравнение) Клапейрона (1834 г.). Сопоставление законов Бойля — Мариотта и Гей — Люссака приводит к уравнению состояния идеальных газов:
=0(1+t)=const/P=const/P(1/+t);
1/+t=T; const=R; T=273,16+tC;
P=RT; PV=GRT=MRT, (3.27)
где R — газовая постоянная идеального газа. Представляет собой удельную работу газа в изобарном процессе (P — idem) при изменении температуры газа на 1С.
4. Закон Авогадро (1811 г.). Объем киломоля идеального газа () не зависит от его природы и вполне определяется параметрами физического состояния газа (P, t):
ƒ(P, t).
Объем 1 кмоля идеального газа в нормальных физических условиях (температура 0С, давление 101,325 кПа)
Уравнение Клапейрона для одного кмоля идеального газа имеет вид
,
тогда R не зависит от природы газа и в силу этого называется универсальной газовой постоянной:
. (3.28)
Удельные газовые постоянные газов R определяются по значению их молярной массы:
(3.29)
Таким образом, уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона) может быть записано в следующих видах:
для 1 кг газа P=RT,
для G кг газа PV=GRT,
для 1 кмоля газа (уравнение Клапейрона — Менделеева)
для кмолей газа (3.30)