Теоретические основы теплотехники - РУС

строительства и архитектуры, - 2001. - 110 с.: 76 илл.

Конспект лекций предназначен для студентов, изучающих курс "Теоретические основы теплотехники"

Конспект лекций посвящен изложению теоретических основ теплотехники в краткой и доходчивой форме с учетом изучения материала студентами специальности автомобили и автомобильное хозяйство. Курс, кроме обеспечения современной энергетической подготовки инженеров-автомобилистов, имеет и свою особую методику обобщенного раскрытия материала, позволяющую сосредоточить главное внимание на выявлении более широких закономерностей и новых возможностей развития энергетики.

Изложены теоретические основы технической термодинамики, теории тепломассообмена, особое внимание уделено термодинамическим циклам тепловых машин. Приводятся общие сведения о теплоснабжении и использовании вторичных энергоресурсов, имеющих целью максимально экономное расходование энергетических ресурсов

Изучение этого курса необходимо для глубокого понимания физической сущности термодинамических процессов тепловых двигателей, ясного представления о закономерностях энергопревращений в двигателях внутреннего сгорания.

Для студентов специальности 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО".

2

3

1.ВВЕДЕНИЕ. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ

1.1Теплотехника, ее предмет и метод

Теплотехника - наука, изучающая теорию и средства превращения энергии природных источников в тепловую механическую и электрическую энергии, а также использования тепла для практических целей.

Теоретические основы теплотехники включают термодинамику и теорию тепломассообмена.

Основным методом теплотехники является термодинамический метод. Сущность его состоит в том, что на основе изучения энергоэнтропийных балансов в макроскопических системах устанавливают условие максимальной эффективности тепловых машин и установок. Затем определяют пути приближения к этим условиям.

1.2. Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии в макроскопических физических системах.

Техническая термодинамика - раздел термодинамики, рассматривающий закономерности превращения тепловой энергии в другие виды.

Название "термодинамика" впервые применил Сари Карно (1824 г.) в работе "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".

"Терме" - тепло, жар, огонь. "Динамикос" - сила, движение.

"Термодинамика" - движущая сила огня - дословный перевод с греческого. В основу термодинамики положены два основных закона (начала),

установленных опытным путем.

-закон характеризует количественную сторону процессов превращения энергии.

-закон характеризует, устанавливает качественную сторону (направленность) процессов в физических системах.

1.3. Термодинамическая система. Термодинамический процесс.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией между собой и с окружающей средой.

Термодинамический процесс - совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое.

1.4. Обратимые и необратимые процессы.

Равновесное состояние тела - такое, при котором во всех точках объема параметры состояния одинаковы.

Равновесный процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое через равновесные состояния тела в любой момент времени.

Неравновесный процесс - процесс, включающий неравновесные состояния. Обратимый процесс - процесс, который протекает в прямом и обратном

направлении через одни и те же равновесные состояния.

4

Условия обратимости:

1.Отсутствие химических реакций.

2.Отсутствие внутреннего и внешнего трения.

3.Бесконечно медленное изменение состояния рабочего тела. Необратимый процесс - процесс, который самопроизвольно протекает

только в одном направлении.

1.5. Рабочее тело. Термодинамические параметры состояния

Взаимное преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых машинах осуществляются при помощи рабочего тела.

В качестве рабочего тела обычно используют пар или газ, т.к. они обладают значительно большим коэффициентом объемного расширения по сравнению с жидкостями и твердыми телами.

Для однозначного определения состояния вещества вводятся физические характеристики состояния вещества - параметры состояния.

Параметры состояния могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества, экстенсивные - зависят. Пример - объем и температура.

Экстенсивные параметры, отнесенные к единице количества вещества, приобретают смысл интенсивных. Их называют удельными.

Термодинамические параметры состояния - интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел.

Обычно состояние однородного тела может быть однозначно определено тремя параметрами - давлением, температурой и удельным объемом.

При наличии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние определяется неоднозначно.

1.6. Давление.

Давление - сила, действующая на единицу поверхности тела по нормали к этой поверхности.

[р] = Па =

H

м2

1 Па величина сравнительно небольшая. Поэтому вводят кратные величины

1 МПа = 106 Па = 103 кПа 1 бар = 105 Па = 102 кПа Внесистемные единицы

1 мм Нg 133.3 Пa.

1 мм вод. ст. 9.81 Па.

Виды давления 1. Абсолютное, т.е. полное давление, отсчитываемое от абсолютного

вакуума.

рабс

5

2.Атмосферное (барометрическое) - абсолютное давление атмосферы Земли

вданной точке

рабс = В.

3. Избыточное давление - разность между абсолютным и атмосферным. Параметром состояния не является.

pизб = pабс – B.

Избыточное давление иногда называют манометрическим (т.к. измеряется манометрами).

4. Вакууметрическое давление - разность между атмосферным и абсолютным.

pвак = B - pабс.

1.7. Температура

Температура характеризует тепловое состояние тела - степень "нагретости"

тела.

Температура - осредненная величина кинетической энергии хаотического движения молекул.

Температура, при которой полностью прекращается движение молекул,

принята за начало отсчета. Температура тройной точки воды принята равной 273,

16 К (0, 010С).

[T]=K - единица измерения абсолютной температуры. Температуру часто измеряют по шкале Цельсия.

[t]=C - единицы измерения температуры в обеих шкалах численно равны. Температура по шкале Цельсия термодинамическим параметром состояния

не является.

Плотность - величина обратная удельному объему.

1.9. Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона

Идеальный газ - модель газа, в которой молекулы не имеют объема и не взаимодействуют друг с другом.

Совместное рассмотрение законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака позволило Клапейрону в 1834 г. вывести уравнение состояния идеального газа

pv=RT - уравнение для 1 кг. газа (уравнение Клапейрона) R - газовая постоянная

6

Бойль Роберт (1627-1691). Англия. Физика, химия. Совместно с Мариоттом не работал.

Мариотт Эдм (1620-1684). Франция. Механика жидкости и газа. Оптика. Гей-Люссак Жозеф-Луи (1778-1850). Франция. Физика, химия.

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799-1864). Франция. Вывел уравнение Клапейрона-Клаузиуса для водяного пара. Первым обратил внимание на работы С.Карко, в которых был установлен II закон термодинамики.

pV=mRT- уравнение для газа массой m.

pV = RT- уравнение для 1 киломоля(уравнение Менделеева). V - объем киломоля газа

кмоль К

R 8315 - формула для вычисления газовой постоянной.

1.10. Особенности реальных газов. Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса

Уравнение состояния идеального газа можно применять в расчетах для реактивных газов при низких давлениях и высоких температурах. При нормальных условиях оно применимо для:

H2, He, O2, N2.

Углекислый газ (СО2) и некоторые другие дают отклонение до 2-3%. Уравнение состояния реальных газов, учитывающие размер молекул, силы

взаимодействия между ними, образование комплексов молекул (ассоциаций) и пр. имеют сложный вид.

Впрактике обычно используются таблицы и номограммы, построенные на основе этих уравнений.

Вобщей форме в 1937-46 г. в СССР (Н.Н.Богомолов) и США (Дж.Мейер) были выведены уравнения состояния реальных газов.

Наиболее простым, качественно правильно отображающим поведение реальных газов, является уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.).

(p a )(v b) RT, v2

где b - поправка на объем молекул газа;

a

v2

- поправка на давление газа, учитывающая силы взаимодействия

молекул.

Уравнение Ван-дер-Ваальса позволяет качественно анализировать поведение газов вблизи границ фазовых переходов.

1.11. Смеси идеальных газов. Законы Дальтона и Амага

Парциальное давление - давление отдельного компонента смеси газов.

7

n

pсм pi - закон Дальтона

i 1

Абсолютное давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.

n

Vсм Vi - закон Амагá

i 1

Полный объем смеси газов равен сумме приведенных к давлению и температуре смеси объемов компонентов (парциальных объемов).

Законы Дальтона и Амагá позволяют получить уравнение состояния смеси

газов.

pсмVсм=mсмRсмTсм ,

8314

где Rсм см .

Кажущаяся молярная масса смеси определяется из уравнения

n

см i ri , где ri - объемные доли компонентов

i 1

смеси

Пример: Полагая, что в воздухе 80% N2 и 20% О2

возд = 0,8 28 + 0,2 32 = 28,8 кг/моль Газовая постоянная смеси может быть установлена из уравнения

Следует отметить, что всегда

n n

gi 1; ri 1.

i 1 i 1

1.12. Теплоемкость газов и газовых смесей. Истинная, средняя и удельная теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры

Теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева тела на 1 К.

С

Дж

К

8

В справочной литературе обычно приводятся значения истинной теплоемкости при различных температурах, либо средние значения теплоемкости в интервале температур 00С до t0C.

Тогда среднее значение теплоемкости в интервале температур от t1 до t2 определяется выражением:

Эта формула применяема к массовой, объемной и мольной теплоемкостям. Нагрев газов или паров может осуществляться при различных условиях.

Среди них можно выделить: 1. Нагрев при постоянном объеме;

2.Нагрев при постоянном давлении.

Впервом случае теплоемкость процесса называют изохорной, во втором - изобарной.

Во втором случае требуется подвод большего количества тепла, чем в первом, т.к. в процессе подвода теплоты при постоянном давлении совершается работа против внешних сил.

Изобарная и изохорная теплоемкости связаны уравнениями: Сp - Сv = R- Майера

СР K - Пуассона

СV

К- коэффициент Пуассона.

Обычно принимают К=1,29.

Теплоемкость газовых смесей вычисляется на основе уравнения теплового баланса, из которого следует:

n

1. Для массовой теплоемкости смеси: Cсм Cii gi .

i 1

n

2. Для объемной теплоемкости смеси: Cсм/ C/i ri .

i 1

10