19) Понятие о термодинамических циклах. Термический коэффициент полезного действия цикла

Работа за процесс - площадь под графиком на PV - диаграмме, но если мы используем только один термодинамический процесс, мы вернемся в конечную точку по тому же пути, и суммарная энергия перехода1 -> 2 -> 1 будет равна 0, т.е. работа равна 0.

Термодинамическим циклом называется такая совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Прямой цикл - цикл, в котором система совершает положительную работу (A > 0). Примером прямого цикла является цикл, совершаемый рабочим телом в тепловом двигателе. В таком двигателе рабочее тело получает энергию в форме теплоты от внешних источников и часть ее отдает в форме работы.

Обратный цикл - цикл, в котором система совершает отрицательную работу (A < 0). Пример - цикл рабочего тела в холодильной установке. В такой установке рабочее тело получает энергию в форме работы и передает энергию в форме теплоты от холодного тела к более нагретому телу.

Термическим КПД h называется отношение работы A, совершенной рабочим телом в прямом круговом процессе, к сумме Q_подв всех количеств теплоты, сообщенных в цикле рабочему телу нагревателями: h=A/Q_подв.

На PV-диаграмме A - площадь внутри цикла, Q_подв - площадь под верхним графиком.

Для цикла Карно: h=(T₁-T₂)/T₁=1-T₂/T₁.

Чем больше КПД, тем лучше экономичность, но повышается максимальная температура в цикле, т.е. повышается степень пожарной опасности.

20) Излучение газов

Одноатомные и двухатомные газы считаются прозрачными, поскольку они обладают малой излучательной, а следовательно, и малой поглощательной способностью. Трехатомные (СО2, Н2О, SО2 и др.) и многоатомные газы обладают значительными излучательной и поглощательной способностями, и их излучение играет большую роль как в топочных устройствах, где они образуются при сгорании топлива, так и в первых газоходах котельного агрегата, в которых они движутся при относительно высоких температурах. Спектры излучения трехатомных газов имеют резко выраженный селективный, т.е. избирательный, характер, так как они в отличие от серых тел поглощают и излучают энергию только в определенных интервалах длин волн, расположенных в различных частях спектра. Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала, по которому движется газ, очень сложен: его выполняют с помощью графиков и таблиц.

Коэффициент теплоотдачи излучением можно определить по формуле:

(9.21)

где б_л – коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К);

с'_ε – эффективная степень черноты поглощательных поверхностей, учитывающая излучение газов: (9.22)

где с_ε – степень черноты поглоща-

тельных поверхностей; ε_г – суммарная

степень черноты газов:

(9.23)

где, ε_СО2 и ε_Н2О – степени черноты углекислого газа и водяных паров; в – поправочный коэффициент, которым учитывается парциальное давление водяных паров; ε _г'– суммарная степень черноты газа, определяемая по формуле (9.23) при температуре поглощательной поверхности; Т_с – средняя температура поглощательной поверхности, К; Т_г – средняя температура газов, К, определяемая по

формуле

(9.24)

где T_c' и T_c"– начальная и конечная температуры поглощательной поверхности стенки, К; T'_г и T"_г – начальная и конечная температуры газов, К.

2 1) Цикл Карно - обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Состоит из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл представ­ляет собой замкнутый процесс, со­вершаемый рабочим телом в идеаль­ной тепловой машине при наличии двух источников теплоты: нагревателя и холодильника.

Процессы 1—2 и 3—4 являются изо­термическими, а 2—3 и 4—1 — адиа­батными. Начальная температура ра­бочего тела в цикле принимается рав­ной температуре нагревателя T₁. При изотермическом расширении от состо­яния 1 до состояния 2 рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q₁ при температуре T₁. На участке 2—3 рабочее тело адиабатно расширяется. При этом температура рабочего тела понижается отT₁ до T₂, а давление падает от p₂ до p₃. При сжа­тии по изотерме 3—4 от рабочего тела отводится к холодильнику количество теплоты q₂ при температуре T₂. Дальнейшее сжатие по адиабате 4—1 приводит к повышению температуры рабочего тела от T₂ до T₁, а рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Суммарная работа цикла l_ц графически изображается площадью 12341:

Термический к. п. д. цикла:

Количество подведённой теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла Карно:

Термический к.п.д. цикла:

22) Энтропия обладает всеми свойствами координаты термодинами­ческого состояния. Так, в равновесных процессах при наличии тепло­вого взаимодействия энтропия обязательно изменяется и остается постоянной только при отсутствии теплообмена (в адиабатном равно­весном процессе dS = 0). Количество термического воздействия, т. е. количество теплоты dQ в элементарном равновесном термодинамичес­ком процессе, пропорционально изменению энтропии, а множителем пропорциональности служит потенциал термического взаимодействия— термодинамическая температура Т.

Таким образом, количество термического воздействия, т. е. коли­чество теплоты, может быть представлено в форме, аналогичной выра­жению, в виде произведения: dQ = TdS или для удельного количества теплоты: dq = Tds.

Энтропия S системы выражается в Дж/К, а удельная энтропия s однородного рабочего тела — в Дж/ (кг • К)

С микрофизической точки зрения энтропия является количественной мерой хаотичности, беспорядочности теплового движения. Увеличение энтропии соответствует уменьшению упорядоченности в распо­ложении микрочастиц и в распределении энергии между ними. Количественная связь между микрофизическими характеристиками вещества и энтропией как макроскопической величиной устанавливается методами статистической термодинамики.

23) Закон Дальтона. В инженерной практике часто приходится иметь дело с газообразными веществами, близкими по

свойствам к идеальным газам и представляющими собой механическую смесь отдельных компонентов различных газов, химически не реагирующих между собой. Это так называемые газовые смеси. В качестве примера можно назвать продукты сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания, топках печей и паровых котлов, воздух в сушильных установках и т.д.

Основным законом, определяющим поведение газовой смеси, является закон Дальтона: полное давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех входящих в нее компонентов:

(1.8)

Парциальное давление p_i – давление, которое имел бы газ, если бы он один при той же температуре занимал весь объем

смеси.

Способы задания смеси.

Состав газовой смеси может быть задан массовыми, объемными или мольными доля-

ми. Массовой долей называется отношение массы отдельного компонента m_i к м ассе смеси m:

g_i = m_i/ m. (1.9)

Очевидно, что

Массовые доли часто задаются в

процентах. Например, для сухого воздуха

g_N2 ≈ 77%, g_o2 ≈ 23%.