8.2. Контрольные вопросы

1. Сформулируйте второй закон термодинамики для тела, используя уравнение теплоты его процесса q=Tds.

2. Поясните, в чем физический смысл уравнения второго закона термодинамики для замкнутой изолированной системы S_c0?

3. Какие условия необходимы для получения полезной механической работы в термодинамической системе?

4. Что такое эксергия тела в объеме и какое расчетное выражение ей соответствует?

5. Что такое эксергия источника теплоты и на основании какой закономерности ее можно рассчитать?

6. Какое универсальное выражение позволяет рассчитать потерю эксергии в реальных необратимых процессах?

7. Какой коэффициент характеризует тепловую экономичность прямого обратимого цикла теплового двигателя?

8. Какой коэффициент характеризует тепловую экономичность обратного обратимого цикла холодильной установки?

9. Какой коэффициент характеризует тепловую экономичность обратного обратимого цикла теплового насоса?

10. Какие формулировки второго закона термодинамики можно дать на примере прямых и обратных циклов тепловых установок?

11. В чем преимущество эксергетического и энтропийного методов оценки термодинамической экономичности тепловых машин по сравнению с методом теплового баланса?

9. Первый закон термодинамики для потока. Работа изменения давления в потоке. Эксергия в потоке

В любой теплоэнергетической машине, будь то паровая или гидравлическая турбина, компрессор или насос, имеется поток рабочего тела. Вещество, движущееся по каналу (поток), относится к открытой термодинамической системе.

Первый закон термодинамики для обратимого процесса движения вещества по каналу (потока) имеет вид

, (9.1)

где h_о, h_к и с_о, с_к – энтальпии и скорости потока в начале и конце процесса соответственно;

q – теплота процесса;

_т – техническая работа, т.е. механическая работа на валу тепловой машины (турбины, насоса, компрессора и т.п.).

Правая часть уравнения (9.1) может быть представлена как

, (9.2)

где величина _о получила название работы изменения давления в потоке, а для обратимых процессов ее называют располагаемой работой.

Из выражения (9.2) видно, что работа изменения давления в потоке возможна только при наличии изменения давления потока dр≠0.

Из выражений (9.1) и (9.2) следует, что работа изменения давления в потоке в общем случае может идти на изменение кинетической энергии потока и на совершение технической работы. При этом, когда нет изменения кинетической энергии (турбина, насос), работа изменения давления в потоке равна технической работе (_о=_т). В случае, когда потоком не совершается техническая работа (сопловой канал, диффузор и т.п.), работа изменения давления в потоке идет только на изменение кинетической энергии потока.

Расчетное выражение работы изменения давления в потоке для необратимого процесса аналогично выражению (9.2) для обратимого процесса, отличаются только численные значения параметров в конце процесса:

. (9.3)

В р,v- диаграмме работе изменения давления в потоке для обратимого процесса 1-2, соответствует площадь под процессом в проекции на ось давлений (рис. 9.1).

В Т,s- диаграмме (рис. 9.2) работе изменения давления в потоке для обратимого процесса 1-2 соответствует площадь А122’A’A.

Разница работ аналогичных обратимого _о и необратимого _oi процессов представляет собой потерю работы изменения давления в потоке за счет трения:

. (9.4)

Работе _oi в р,v- диаграмме будет соответствовать меньшая площадь, чем площадь под обратимым процессом 1-2 в проекции на ось давлений (рис. 9.1), для ее показа требуются дополнительные построения.

Потеря работы , вызванная трением, зависит только от конечного состояния необратимого процесса – отh_кi, теплота трения q_тр зависит от траектории самого необратимого процесса 1-2* (рис.9.2). Разница теплоты трения и работы трения называется работой возврата теплоты трения _v:

. (9.5)

Формулы (9.2)  (9.4) применимы к потоку при расширении вещества, когда dр<0, следовательно, _о>0. При сжатии вещества dр>0, и следовательно, _о<0, в таких процессах затрачивается техническая работа, например затраты технической работы на привод насосов или компрессоров.

Работу изменения давления в потоке при сжатии в инженерной практике берут с обратным (положительным) знаком, а в расчетах, где это необходимо, присваивают её действительный знак (отрицательный). Поэтому, обозначив ее как , расчетное выражение работы изменения давления в потоке при сжатии приобретает вид

. (9.6)

Для необратимого процесса сжатия работа изменения давления в потоке при сжатии больше, чем для обратимого на величину работы трения:

, (9.7)

где – затраты работы на преодоление трения.