- •Теплотехника
- •Раздел 1. Техническая термодинамика
- •Раздел 2. Теория теплообмена
- •Раздел 3. Промышленная теплотехника
- •Введение
- •Раздел 1. Техническая термодинамика
- •Основные понятия и определения термодинамики
- •Первый закон термодинамики
- •Второй закон термодинамики
- •Термодинамические процессы
- •Истечение и дросселирование газов и паров
- •Интегральный дроссель-эффект, величина равная изменению температуры рабочего тела в процессе адиабатного дросселирования: к.
- •Термодинамические циклы газовых машин
- •Термодинамические циклы паротурбинных установок
- •Циклы холодильных и теплонасосных установок
- •Раздел 2. Теория теплообмена
- •Основные понятия и определения
- •Теплопроводность
- •Конвективный теплообмен
- •Основы теории подобия и моделирования
- •Теплоотдача при вынужденном движении жидкости
- •Теплоотдача при свободном движении жидкости
- •Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества
- •Теплообмен излучением
- •Теплопередача
- •Основы расчета теплообменных аппаратов (та)
- •Раздел 3. Промышленная теплотехника
- •Топливо и основы теории горения
- •Котельные установки (ку)
-
Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики, утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Применительно к задачам технической термодинамики, аналитическое выражение первого закона может быть представлено в виде:
, , ,
, , .
Внутренняя энергия, функция состояния системы, характеризующаяся тем, что её величина включает все виды кинетической и потенциальной энергии микрочастиц вещества. Обозначают: полная внутренняя энергия U, Дж, удельная внутренняя энергия u = U/M, Дж/кг. Изменение внутренней энергии в процессе не зависит от пути его протекания, а определяется только начальным и конечным состояниями. Для идеального газа изменение внутренней энергии зависит только от температуры и определяется из выражения: .
Энтальпия, функция состояния системы, определяемая суммой внутренней энергии и произведения объема на давление в системе. Обозначают: полная энтальпия , Дж, удельная энтальпия , Дж/кг. Изменение энтальпии в процессе не зависит от пути его протекания, а определяется только начальным и конечным состояниями. Для идеального газа изменение энтальпии зависит только от температуры и определяется из выражения: .
Энтропия, функция состояния системы, дифференциал которой в равновесном процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты (dQ или dq), сообщенной системе, к термодинамической температуре (Т) системы. Обозначают: полная энтропия , Дж/К, удельная энтропия , Дж/кг. Поскольку Т > 0, то подвод теплоты в процессе (dq > 0) сопровождается увеличением энтропии (ds > 0), а отвод теплоты (dq < 0) сопровождается её уменьшением (ds < 0).
Ts-диаграмма, диаграмма, в которой по оси абсцисс откладывают удельную энтропию, а по оси ординат абсолютную температуру. В диаграмме можно изображать равновесные процессы, например, 1-2 – процесс с подводом теплоты (ds > 0). Так как теплота, подведенная в процессе равна , то площадь под процессом в Тs-диаграмме равна теплоте q.
-
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики, утверждает, что любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Это означает, что теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому. Аналитическое выражение второго закона: или . Эти соотношения справедливы и для обратимых (знак равенства) и для необратимых (знак >) процессов в любой системе.
Цикл (круговой процесс), замкнутый термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние.
Прямой цикл, цикл, полезным энергетическим результатом которого является преобразование части подведенной извне теплоты в работу. Эти циклы реализуют в тепловых двигателях.
Обратный цикл, цикл, полезным энергетическим результатом которого является перенос теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. Эти циклы реализуют в холодильных машинах и тепловых насосах.
Обратимый цикл, цикл, состоящий из обратимых процессов.
Необратимый цикл, цикл, в котором хотя бы один процесс является необратимым.
Термический коэффициент полезного действия (КПД), отношение работы(lц), полученной в результате осуществления прямого цикла, к теплоте, подведенной к рабочему телу (q1). Обозначают: , где q2 – теплота, отводимая в цикле. Величина КПД всегда меньше единицы. Для увеличения КПД следует увеличивать q1 и уменьшать q2.
Холодильный коэффициент, отношение теплоты (q2), отведенной в обратном цикле от охлаждаемого объекта, к затраченной в цикле работе (lц). Обозначают: , где q1 – теплота, отводимая в окружающую среду. Величина холодильного коэффициента больше единицы.
Цикл Карно, цикл, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. На рисунке изображен прямой обратимый цикл Карно 1-2-3-4-1. Процессы: 1-2 адиабатное расширение рабочего тела; 2-3 изотермический отвод теплоты; 3-4 адиабатное сжатие; 4-1 изотермический подвод теплоты. Величина термического КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а определяется только температурой подвода и отвода теплоты: . Цикл Карно имеет наибольший КПД по сравнению с любым другим циклом, осуществляемым в том же интервале температур. Цикл служит эталоном при оценке совершенства любых циклов тепловых машин.
Если рассматривать указанный цикл в обратном направлении (1-4-3-2-1), то это обратимый обратный цикл Карно. Показателем эффективности такого цикла может служить холодильный коэффициент: .
Свойства обратимых циклов, для любого обратимого цикла интеграл (интеграл Клаузиуса) равен нулю: . Для обратимого процесса . Если последнее выражение записать в виде , то получим уравнение второго закона термодинамики для обратимых процессов.
Свойства необратимых циклов, для любого необратимого цикла интеграл (интеграл Клаузиуса) меньше нуля: . Для необратимого процесса . Это означает, что в необратимых процессах энтропия рабочего тела увеличивается по сравнению с обратимым процессом при одинаковом значении dq. Выражение является уравнением второго закона термодинамики для необратимых процессов.
Принцип возрастания энтропии, в изолированной системе (dq = 0) ds 0. Знак равенства относится к обратимым процессам, а знак неравенства к необратимым процессам. Поскольку все реальные процессы необратимы, то энтропия изолированной системы всегда возрастает, стремясь к максимуму. Максимум энтропии соответствует состоянию равновесия, когда в системе не остается разностей температур, и становятся невозможными самопроизвольные процессы.
Обобщенный (регенеративный) цикл Карно, цикл, состоящий из двух изотерм и двух эквидистантных (равноудаленных) кривых. Характерен тем, что, не являясь циклом Карно, имеет такой же термический КПД. Регенерация – метод повышения эффективности реальных циклов тепловых машин.
Эксергия, максимально возможная работа, которая может быть произведена телом в результате его взаимодействия с окружающей средой. Обозначают: полная эксергия Е, Дж, удельная эксергия е, Дж/кг.
Эксергия рабочего тела, максимальная работа, которую может совершить тело с внутренней энергией и в системе с окружающей средой: . Индексом «0» отмечены параметры рабочего тела при условиях окружающей среды, а u, s, v – параметры рабочего тела в рассматриваемом состоянии.
Эксергия потока рабочего тела, максимальная работа, которая может быть получена от потока вещества с энтальпией h при его взаимодействии с окружающей средой: .
Эксергия теплоты, максимальная работа, которая может быть получена за счет источника теплоты q со средней температурой Т при условии, что холодным источником является окружающая среда с температурой Т0: .
Эксергетический КПД, отношение полезно используемой эксергии (еполезн), к затрачиваемой эксергии (езатр): е = еполезн/ езатр.