Раздел I техническая термодинамика

Тема 1. Газ, как рабочее тело термодинамических систем

1.1. Структура основных понятий термодинамики авиационных гтд

О

Термодинамическая система

Внешняя среда

сновные понятия термодинамики, имеющие отношение к процессам, происходящим с рабочим телом в авиационных газотурбинных двигателях, представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура основных понятий термодинамики авиационных ГТД

Применительно к авиационному двигателю рабочим телом называют воздух из атмосферы Земли, представляющий собой смесь газов (табл. 1.1.), его контрольной поверхностью является внутренняя поверхность цилиндра и поверхность поршня (в поршневых двигателях внутреннего сгорания), поверхность вращающихся и неподвижных лопаток и внутренняя поверхность каналов (в авиационных ГТД). В качестве внешней среды в авиационных двигателях выступает конструкция тепловой машины, форсунка, распыливающая топливо и другие элементы.

Таблица 1.1.

Состав сухого воздуха до высоты 90 км [15]

Наименование составляющей атмосферного воздуха	Химическая формула	Масса одного киломоля кг/кмоль	Содержание составляющей в процентах
1	2	3	4
Азот Кислород Аргон Углекислый газ Неон Метан Сернистый ангидрид Гелий Криптон Водород Окись азота Ксенон Озон Перекись азота Йод	N2 O2 Ar CO2 Ne CH4 SO2 He Kr H2 N2O Xe O3 NO2 J2	28,0134 31,9968 39,9440 44,0079 20,1830 16,0000 64,0658 4,0026 83,8000 2,0159 1,0000 131,8000 48,0000 46,0000 126,9044	78,084 20,9476 0,934 0,0314 1,818·10-3 0,2·10-3 0,1·10-3 524·10-6 114·10-6 50·10-6 50·10-6 8,7·10-6 7·10-6 (летом) 2·10-6 (зимой) 2·10-6 1·10-6

1.2. Основные понятия и определения термодинамики

Каждая наука имеет свой объект изучения. Объектом исследования в термодинамике является различные термодинамические системы (ТДС), представляющие совокупность макроскопических тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии как друг с другом, так и с внешней средой.

Рис. 1.2. Термодинамические системы:

а – закрытая, б – открытая

Внешней (окружающей) средой называют материальные тела, находящиеся за пределами термодинамической системы (рабочего тела). Границы раздела рабочего тела и внешней среды называют контрольной поверхностью или оболочкой.

Для обеспечения взаимного преобразования тепловой и меха­нической энергии ТДС должна состоять из одного или нескольких источников теплоты, рабочего тела и источника работы. Схема ТДС представлена на рис. 1.2. Охарактеризуем кратко каждый элемент ТДС.

Источники теплоты обмениваются тепловой энергией с рабо­чим телом, Различают горячие и холодные источники теплоты. Горячим источником (теплоотдатчиком) является тело, сообщаю­щее теплоту рабочему телу. Холодным источником (теплоприемником) является тело, принимающее от рабочего тела теплоту. Например, в ГТД горячим источником является факел пламени в камере сгорания, а холодным источником – атмосферный воз­дух, окружающий двигатель.

Источник работы обменивается механической энергией с ра­бочим телом. В ГТД источником работы является его ротор.

Преобразование теплоты в работу и наоборот осуществляется посредством рабочего тела. В ГТД рабочим телом является воз­дух, газ или другое вещество в газообразном состоянии, дающее наибольший эффект при преобразовании теплоты в работу. Это связано с тем, что газообразное вещество при нагревании спо­собно увеличивать свой объём в большей степени, чем жидкость или твёрдое тело, и при этом совершать большую работу расши­рения. Такая способность газов обусловлена малостью сил взаи­модействия между молекулами, поэтому при решении термодина­мических задач этими силами вообще пренебрегают. Кроме того, считают, что молекулы имеют массу, но не имеют объёма. Та­кой газ называют идеальным. Реальный газ можно рассматри­вать как идеальный, если он находится в достаточно разреженном состоянии. Так, при течении через тепловой двигатель газ имеет относительно низкую плотность, поэтому можно считать его иде­альным.

По характеру взаимодействия с окружающей средой ТДС раз­деляются на открытые и закрытые. Если ТДС обменивается с внешней средой только энергией, она называется закрытой (рис. 1.2, а). В открытой ТДС (рис. 1.2, б) кроме обмена энергией существует и обмен веществом (рабочим телом). Если между ТДС и внешней средой отсутствует обмен и веществом и энергией, такая система называется изолированной.

Система называется изолированной в тепловом отношении, если отсутствует теплообмен с внешней (окружающей) средой.

Если система обменивается теплом с внешней (окружающей) средой только путем теплообмена она называется изолированной в механическом отношении.