Т е м а 4. Термодинамические процессы

Общие вопросы исследования процессов изменения состояния любых рабочих тел. Термодинамические процессы идеальных газов. Политропные процессы. Уравнение политропы. Определение показателя политропы и теплоемкости политропного процесса. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный как частные случаи политропного процесса. Изображение политропных процессов в pv-и Ts-диаграммах. Отличие реального газа от идеального. Термодинамические процессы изменения состояния водяного пара как реального газа. Процессы парообразования в pv- и Ts-диаграммах. Понятие об уравнении Вукаловича – Новикова. Термодинамические таблицы воды и водяного пара. Расчет термодинамических процессов водяного пара с помощью таблицы и hs-диаграммы.

Методические указания

В термодинамике переход рабочего тела из одного равновесного состояния в другое совершается в обратимом термодинамическом процессе. Задание начального и конечного состояний рабочего тела означает полное знание всех термодинамических параметров состояния начальной и конечной точек процесса. Основная задача исследования термодинамического процесса – определение теплоты (q _1-2), участвующей в процессе, и работы изменения объема рабочего тела (l _1-2). Такие величины, как изменение внутренней энергии (Δ u _1-2), энтальпии (Δ h _1-2) и энтропии( Δ s _1-2), являются вспомогательными, служащими для решения основной задачи.

Общий метод исследования термодинамических процессов является универсальным, не зависящим от природы рабочего тела. Метод базируется на применении уравнения первого закона термодинамики, записанного в двух равнозначных формах: q _1-2 = Δ u _1-2+ ∫ pdv = Δ h _1-2– ∫ vdp.

Различие в применении общего метода исследования к идеальным газам и водяному пару обусловлено отсутствием для пара такого простого уравнения состояния, как уравнение Клапейрона для идеального газа, и сложной зависимостью теплоемкости пара от температуры и давления. Поэтому решение основной задачи для идеального газа опирается на конечные аналитические зависимости, в то время как для пара применение общего метода требует использования таблиц или диаграммы hs. Например, в случае изотермического процесса изменения состояния 1 кг рабочего тела общими формулами будут:

q _1-2 = Т Δ s _1-2 = T (s ₁ - s ₂), l _1-2 = q _1-2 — Δ u _1-2.

В случае идеального газаΔ s _1-2= R lnv ₂ ∕ lnv₁ = R ln p₁ ∕ ln p_{2  ;} Δ u_1-2 =0, q _1-2 = RТ lnv ₂ ∕ lnv₁ = RТln p₁ ∕ ln p₂   = l _1-2. В случае реального газа (пара): Δ u_1-2 = (h₂ – p₂v₂) – (h₁ – p₁v₁);

q _1-2= T (s₁ - s ₂); l _1-2 = q _1-2 – [(h₂ – p₂v₂) – (h₁ – p₁v₁ )] и где s₂, s₁, h₁, h₂, p₁, p₂ , v₁, v₂берутся из таблиц или снимаются с диаграммы hs для точек, определяющих начальное и конечное состояния пара.

Водяной пар является рабочим телом в современных теплосиловых установках, а также находит широкое применение в различных технологических процессах. Необходимо разобраться в процессе парообразования и уметь изображать этот процесс в рv и в Ts-диаграммах. Параметры водяного пара можно определить по таблицам, а также с помощью hs-диаграммы. Наиболее просто и с достаточной для инженерных расчетов точностью параметры влажного, сухого насыщенного и перегретого паров определяются с помощью hs-диаграммы. Студент должен уяснить принцип работы с hs-диаграммой и научиться определять по ней параметры пара различного состояния. Любая точка на диаграмме hs в области перегретого пара и на кривой сухого насыщенного пара определяет шесть параметров (р, v, Т, s, h, u, -h– pv), а любая точка в области влажного пара определяет семь параметров, так как к названным выше параметрам добавляется еще степень сухости х< 1. Нужно уметь определять все параметры любой точки на диаграмме hs. Для успешного решения различных задач, связанных с водяным паром, научитесь схематично изображать основные процессы (изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный) в диаграммах pv, Ts и hs.

Уясните понятие политропного процесса, под которым понимается любой термодинамический процесс идеального газа с постоянной теплоемкостью (или показателем политропы n ) в этом процессе, общность политропного процесса, выраженного уравнением pv^п = const, получая из него уравнение известных основных процессов (изохорного, изобарного, изотермического и адиабатного). Разберитесь в определении показателя политропы и теплоемкости политропного процесса идеального газа как обобщающих величин, из которых получают частные значения для основных процессов.

Научитесь изображать графически в pv- и Ts-диаграммах как основные, так и общие политропные процессы.

Вопросы для самопроверки

1. Какие термодинамические процессы рабочего тела называют основными? 2. Изобразите в pv- и Ts-диаграммахосновные процессы идеального газа и приведите характеристику каждому из них. 3. Чему равен показатель политропы в основных процессах идеального газа? 4.Чему равна теплоемкость политропного процесса? 5. Какие группы политропных процессов вы знаете? Покажите их на pv- и Ts-диаграммах. 6. В чем физический смысл отрицательной теплоемкости? 7. В чем принципиальное различие между идеальным и реальным газами? 8.Изобразить процесс парообразования в pv-и Ts-диаграммах. 9. В чем сущность исследования термодинамических процессов любого рабочего тела? 10. Как определяют теплоту и работу изменения объема для основных термодинамических процессов идеального газа? 11. Изобразите в pv-, Ts - и hs-диаграммах основные термодинамические процессы водяного пара. 12. Как определяют теплоту и работу изменения объема для основных термодинамических процессов водяного пара?

Тема 5. Влажный воздух

Определение влажного воздуха. Абсолютная и относительная влажности воздуха, влагосодержание. Психрометр. Температура точки росы. Энтальпия и плотность влажного воздуха. hd-диаграмма влажного. воздуха.

Методические указания

Усвойте основные определения и понятия влажного воздуха. Научитесь определять газовую постоянную влажного воздуха и его энтальпию. Обязательно приобретите навыки в пользовании hd-диаграммой влажного воздуха.

Вопросы для самопроверки

1.Приведите определение влажного воздуха. 2. Что такое абсолютная и относительная влажности? 3. Что такое влагосодержание? 4. В каких пределах может изменяться влагосодержание? 5. Что такое точка росы? 6. Как изображают основные процессы влажного воздуха в hd-.диаграмме?

Т е м а 6. Термодинамика потока. Истечение и дросселирование газов и паров.

Уравнение первого закона термодинамики для потока и его анализ. Адиабатное истечение. Скорость адиабатного истечения. Критическое отношение давлений. Расчет скорости истечения и секундного массового расхода для критического режима. Воздействие на поток геометрии канала. Сопло Лаваля. Особенности определения скорости истечения для водяного пара. Влияние потерь на скорость истечения. Сущность процесса дросселирования. Изменение параметров рабочего тела при дросселировании. Понятие об эффекте Джоуля – Томсона. Температура инверсии. Техническое применение эффекта дросселирования. Условное изображение процесса дросселирования водяного пара в hs-диаграмме. Потеря работоспособности рабочего тела при дросселировании.

Методические указания

Тщательно разберите физический смысл отдельных членов уравнения первого закона термодинамики для потока. Уясните, за счет чего совершаются различные виды работ при течении рабочего тела, почему в суживающихся и цилиндрических каналах скорость потока не может превзойти скорости звука. Разберитесь в воздействии профиля канала на скорость потока и проанализируйте изменение параметров рабочего тела при течении его по соплу Лаваля. Поймите принципиальную разницу в расчете скорости истечения идеального газа и водяного пара. Необходимо отчетливо представлять себе влияние трения на адиабатный процесс истечения идеального газа и водяного пара и уметь изображать реальный процесс истечения в Ts - и hs-диаграммах. Из-за явной необратимости адиабатного процесса дросселирования последний нельзя отождествлять с процессом, протекающим при постоянной энтальпии. Уясните принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором dq = 0, а Ds> 0, и адиабатным обратимым процессом расширения рабочего тела, при котором dq=O и Ds = 0. Понять, почему в результате дросселирования водяного пара температура его может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной.

Вопросы для самопроверки

1. Какие допущения лежат в основе вывода уравнения первого закона термодинамики для потока? 2. Объясните физический смысл каждого члена уравнения первого закона термодинамики для потока. 3. На что расходуется работа расширения газа в потоке? 4. Что такое работа проталкивания и какой она может иметь знак? 6. Что такое располагаемая работа, как показать ее на рv  -диаграмме? 6. Что такое сопло и диффузор? 7. Каков физический смысл критической скорости? 8. Какая связь между изменением профиля канала, изменением плотности рабочего тела и изменением скорости его течения? 9. Каким условиям должны отвечать диффузор и сопло для дозвукового и сверхзвукового режимов течения? 10. Какой процесс носит название дросселирования? 11. Как протекает процесс адиабатного дросселирования? 12. Как и почему меняется температура водяного пара при его дросселировании? 13.Возможно ли осуществить сжижение газа в процессе дросселирования?

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: