Раздел 2 Основы технической термодинамики

Основные понятия

Совокупность макроскопических тел, которые обмениваются энергией друг с другом и с окружающей средой, называются термодинамической системой (ТС).

,

где F – сила;

S – пермещение;

L - работа

 

Термодинамика изучает тепловое движение, т.е. движение в системах, состоящих из большого числа частиц, а отдельные частицы совершают механическое движение.

ТС называют изолированной, если она не взаимодействует с окружающей средой. Например, жесткий сосуд с тепловой изоляцией.

Основные термодинамические параметры

1. Давление:

1 бар = 10⁵ Па

1 атм (физическая) = 760 мм.рт.ст. = 1, 01325 бар

1 бар = 1, 01972 кгс/см²

2. Удельный объем: , где V - геометрический объем

Таким образом, плотность - величина, обратная удельному объему.

3. Температура: t°C; Т, К; T = t + 273, 16

(1.1)

Уравнение (1.1) называется уравнением состояния термодинамической системы.

Формула (1.1) - нулевое начало термодинамики, поэтому нахождение вида функции f считается одной из главных задач термодинамики.

Термодинамическая система называется равновесной, если все параметры одинаковы во всех точках объема. Если условие не выполняется, то система неравновесная.

Термодинамический процесс

Переход ТС из одного равновесного состояния в другое называется термодинамическим процессом.

Если при этом промежуточные состояния являются равновесными, то и весь процесс называют равновесным.

Если это условие не выполняется, то и весь процесс - неравновесный.

Равновесные процессы можно изображать графически:

а - равновесный процесс,

b - неравновесный процесс.

Пример 1. Рассмотрим двигатель внутреннего сгорания.

Дано: n = 3000 об/мин, S = 0, 1м (ход поршня)

Найти: среднюю скорость поршня - W

Решение:

С такой скоростью в данном случае создаются возмущения давления в цилиндре двигателя. Известно, что скорость волн давления в газовой среде равна скорости звука (≈ 340 м/с).

Таким образом, исходя из того, что скорость звука, т.е. скорость рассеивания возмущений, значительно больше скорости поршня с достаточной степенью точности (≈ 3%) процесс можно считать равновесным.

 

Рабочее тело

В процессах превращения тепла в механическую работу всегда участвует некоторое промежуточное вещество (например, продукты сгорания в ДВС; пар в паровой турбине; воздух в компрессорах). Это вещество и называют рабочим телом.

Все рабочие тела делят на 2 группы: идеальные и реальные газы:

1. Идеальный газ

- уравнение Клайперона (1.2)

где R - газовая постоянная, которая зависит от природы газа,

- уравнение для произвольной массы (1.3)

- уравнение Менделеева-Клайперона (1.4)

где V_μ - объем одного моля;

μ - молекулярная масса, кг/кмоль

 

- универсальная газовая постоянная (1.5)

Из (1.5) можно определить R для каждого конкретного газа:

(1.6)

Пример 2. Определить массу воздуха в комнате.

Пусть Р = 10⁵Па, t = 20°C, V = 200м³

Смесь идеальных газов

Смесь идеальных газов также подчиняется уравнению Клайперона, как и отдельные газы.

Существуют три способа задания смесей:

1. Массовый состав:

m = m₁ + m₂ +…+ m_i +…+ m_n

- массовая доля (2.1)

2. Объемный (парциальный) состав:

Парциальным объемом газа, входящего в смесь, называется объем, который занял бы этот газ при давлении и температуре всей смеси.

- объемная доля газа, входящего в смесь (2.2)

3. Мольный состав:

М - число киломолей всей смеси

M_i - число киломолей газа, входящего в смесь

- мольная доля (2.3)

Формула (2.3) определяет мольную долю, однако она численно равна объемной.

 

Переход от массовых долей к объемным

(2.4)

1.

- молекулярная масса смеси газа (2.5)

Пример 3. r_О2 = 0, 3 и r_N2 = 0, 7

m = 32× 0, 3+28× 0, 7=9, 6+19, 6=29, 2 кг/кмоль

Величина, определяемая по формуле (2.5) часто называется кажущейся молекулярной массой.

2.

- определение газовой постоянной смеси газа (2.6)

 

Реальные газы

Для реальных газов необходимо учитывать взаимодействие между молекулами, т.к. обычно это достаточно плотные газы.

Различные способы задания уравнения состояния реальных газов.

1 способ. Уравнение состояния с коэффициентом сжимаемости:

(2.7)

 

Здесь z - коэффициент сжимаемости (иногда его называют сверхсжимаемостью газа).

Недостаток этого способа в том, что коэффициент z находится чисто экспериментально, притом он зависит не только от природы газа, но и от давления и температуры.

2 способ. Параметрические уравнения. Одно из первых таких уравнений:

- уравнение Ван-дер-Ваальса (2.8)

где a, b - параметры, которые зависят только от природы газа.

Это уравнение описывает свойства реальных газов с погрешностью 10¸ 20%.

В настоящее время появились аналогичные уравнения - Редлиха-Квонга, Пенга-Робинсона и т.д., которые дают меньшую погрешность.

3 способ . Уравнения с вириальными коэффициентами.

(2.9)

А, В, С - вириальные коэффициенты,

Уравнение (2.9) считается наиболее точным для определения свойств реальных газов.

Помимо этих трех аналитических способов существуют графические методы расчета реальных газов с помощью различных диаграмм: Pv, Ts, Is.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: