Термодинамические процессы в реальных газах.  Диаграммы

Фазовым переходом называется переход вещества из одной фазы в другую, сосуществующую с первой. В термодинамике рассматриваются три фазовых состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное.

При рассмотрении процессов с фазовыми переходами удобно пользоваться диаграммой  (рис. 8).

 

На диаграмме  имеются три основных кривых:

            

–  кривая сублимации;

–  кривая плавления;

–  кривая насыщения.

 

Кривые имеют общую точку , называемую критической точкой.

Рис. 8. диаграмма и фазовые   состояния вещества

Вещество, находящееся левее кривой  находится в твердой фазе; выше кривой  – в жидкой фазе; правее кривой  – в газообразной фазе. В критической точке  (ее также называют тройной точкой) возможно сосуществование всех трех фаз вещества.

 

Фазовый переход из твердой фазы в жидкую называется плавлением; из жидкой в газообразную – парообразованием; из твердой в газообразную – сублимацией. Обратные переходы (процессы, обратные плавлению и парообразованию) называются кристаллизацией и конденсацией.

 

Как правило, кривые плавления, насыщения и сублимации имеют в  диаграмме положительный наклон. Исключение составляет аномальное поведение кривой плавления некоторых веществ (например воды, висмута, сурьмы).

На диаграмме  легко отслеживать фазовые переходы вещества и температуры плавления (кристаллизации), испарения (конденсации) и сублимации для каждого конкретного давления. Например, для давления  (рис. 8), вещество будет плавиться (кристаллизоваться) при температуре , и испаряться (конденсироваться) при температуре . При давлениях ниже критического, будет происходить только процесс сублимации.

 

Для перехода вещества из одной фазы в другую необходимо затратить некоторое количество теплоты, называемое теплотой фазового перехода. Эта теплота тратится на разрушение внутримолекулярных связей в процессе парообразования или сублимации и на разрушение кристаллической решетки в процессе плавления.

Теплота, затраченная для фазового перехода на 1 кг вещества, называется удельной. В зависимости от процесса фазового перехода различают:

- удельную теплоту плавления;

- удельную теплоту парообразования;

- удельную теплоту сублимации.

 

В обратных переходах выделяется точно такое же количество теплоты, которое было затрачено на прямой переход.

 

При исследованиях различных процессов, происходящих с водой и водяным паром широко используются  и  диаграммы воды и водяного пара.

На диаграмму  наносится пограничная кривая  – линия насыщения (рис. 9). Крити-ческая точка  делит линию насыщения на две части:  – нижнюю погранич-ную кривую;  – верхнюю пограничную кри-вую. Влево от нижней пограничной кривой распо-лагается область жидкости, вправо и вверх от верхней пограничной кривой – область перегретого пара, между пограничными кри-выми – двухфазная область влажного насыщенного пара.

Рис. 9.  диаграмма воды и водяного пара.

 

Насыщенным называется пар, находящийся в термическом и динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкости, называется сухим насыщенным паром. Двухфазная смесь, представляющая собой смесь пара со взвешенными частицами жидкости, называется влажным насыщенным паром.

Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара и обозначается – .

На диаграмму  наносятся линии постоянной степени сухости пара – , исходящие из критической точки. Причем нижняя пограничная кривая представляет собой линию постоянной степени сухости пара  (чистая вода), а верхняя пограничная кривая – линию постоянной степени сухости пара  (сухой насыщенный пар).

Площадь диаграммы под горизонтальным участком докритической изобары численно равна теплоте парообразования –  при данном давлении.

 

 

В  диаграмме (рис. 10) несколько необычно располо-жение критической точки – левее максимума пограничной кривой. Изобары в двухфазной области влажного насыщенного пара представляют собой пучок расходящихся прямых. Изотермы в этой области совпадают с изобарами. Изобары, пересекая линию насыщения, не имеют изломов, в отличие от изотерм. В области перегрева температура пара (при постоянном давлении) растет с увеличением энтропии примерно по логарифмичес-кому закону.

 

Рис. 10. Диаграмма  для воды и водяного пара.

В  диаграмме наносятся также изохоры, которые расположены под большим углом, чем изобары.

Изображение основных термодинамических процессов в i – s диаграмме показано на рис. 10:

– адиабатное расширение пара;

– изохорный процесс;

– изоэнтальпный процесс ( ) – дросселирование.

Дросселированием называется необратимый термодинамический процесс уменьшения давления газа или жидкости в результате которого не происходит увеличения кинетической энергии и не совершается никакая техническая работа.

 

 

Термодинамические циклы

 

Термодинамическим циклом называется непрерывная последовательность периодически повторяющихся термодинамических процессов, в результате которых термодинамическое состояние рабочего тела в начале и в конце цикла совпадают.

 

Рассмотрим произвольный термодинамический цикл в различных системах координат:

В  диаграмме (рис. 11) рабочее тело при расширении от объема  до объема  (процесс ) совершает работу расширения – , численно равную площади диаграммы .

В дальнейшем, в ходе процесса , над рабочим телом производится работа, в результате которой оно сжимается от объема  до объема . Работа сжатия – , совершаемая над рабочим телом, численно равна площади диаграммы .

Разность работ расширения и сжатия (площадь фигуры ) равна полезной работе, совершенной в цикле:

 

Рис. 11. Произвольный термодинамический цикл в координатах  и .

Для того, чтобы тепловой двигатель непрерывно производил полезную работу, работа расширения должна быть больше работы сжатия. Поэтому кривая сжатия  должна лежать ниже кривой расширения .

В диаграмме  (рис. 11) аналогичный цикл выглядит следующим образом:

Весь цикл можно разбить на два участка: , на котором к рабочему телу производится подвод теплоты – , количество подведенной теплоты в цикле равно площади, описываемой фигурой ; и , на котором от рабочего тела отводится теплота , численно равная площади .

 

В точках 1 и 2 подвод и отвод теплоты отсутствуют, а поток теплоты меняет свой знак. Разность между подведенной теплотой в цикле  и отведенной теплотой  составляет полезную работу цикла. Она численно равна площади фигуры :

 

Таким образом, для непрерывной работы теплового двигателя необходим циклический процесс, в котором к рабочему телу от горячего источника подводится теплота  и отводится от него к холодному источнику теплота .

Рис. 12. Обратный термодинамический       цикл в координатах .

Помимо рассмотренных выше прямых термодинамических циклов, в теплотехнике широко используется понятие обратного цикла. В обратном цикле (рис. 12) сжатие рабочего тела происходит при более высокой температуре, чем расширение. Работа сжатия больше работы расширения на величину площади диаграммы , ограниченной контуром цикла. Работа сжатия превращается в теплоту, подводимую к циклу , и передается горячему источнику в виде теплоты . Таким образом, затратив на осуществление обратного цикла работу , можно перенести теплоту от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой. При этом работа, затраченная на осуществление цикла, будет равна разности площадей фигур  и :

 

Таким образом, для осуществления прямого термодинамического цикла к рабочему телу необходимо подвести большее количество теплоты –  при большей температуре и отвести меньшее количество теплоты –  при меньшей температуре. Для осуществления обратного термодинамического цикла к рабочему телу необходимо подвести меньшее количество теплоты –  при меньшей температуре и отвести большее количество теплоты –  при большей температуре.

Прямые циклы лежат в основе работы теплосиловых установок, в которых за счет подвода теплоты совершается полезная работа. Обратные циклы лежат в основе холодильных установок и тепловых насосов. В холодильных установках за счет затраты работы цикла  отводится теплота  из холодильной камеры (испарителя); в тепловых насосах подвод теплоты  на нужды теплофикации осуществляется за счет работы цикла .

 

Тепловой двигатель   Холодильная установка          Тепловой насос

Из рассмотренных выше прямых и обратных циклов видно, что при заданных значениях температур «горячего» –  и «холодного» –  источников, максимальная работа цикла будет равна фигуре, имеющей максимальную площадь. Такой фигурой в системе координат  является прямоугольник. Таким образом, максимальную работу в тепловом двигателе можно получить, если организовать цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 13). Этот идеальный цикл называется циклом Карно (по имени французского ученого Сади Карно, впервые описавшего его).

При осуществлении реальных прямых и обратных циклов одним из источников теплоты, как правило, является температура окружающей среды  –  (температура воздуха или забортной воды).

 

Экономичность любого цикла можно оценить коэффициентом полезного действия:

Рис. 13. Способы осуществления прямого и обратных циклов Карно.

 

· для прямых циклов теплосиловых установок это термический КПД:

       

          – в общем виде;

                 

– для идеального цикла Карно;

 

· для обратных циклов холодильных установок это холодильный коэффициент:

   – в общем виде;

    – для идеального цикла Карно;

 

· для обратных циклов тепловых насосов это отопительный коэффициент:

– в общем виде;

    – для идеального цикла Карно.

где:

 и – средние значения температур в процессах подвода и отвода теплоты.

 

Таким образом, любой термодинамический цикл, осуществляемый в заданных пределах температур горячего и холодного источников  и , можно рассматривать как вписанный внутрь идеального цикла Карно, осуществляемого в том же диапазоне температур.

 

Основные понятия теории теплообмена

 

Теплообменом называется самопроизвольный необратимый процесс распространения теплоты в пространстве, обусловленный разностью температур.

В природе существует три основных способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение.

 

Теплопроводностью называется перенос теплоты от более горячего тела к более холодному при их непосредственном контакте, или от более нагретой части тела к менее нагретой, обусловленный взаимодействием микрочастиц (атомов и молекул), имеющих различную кинетическую энергию.

Молекулы и атомы, из которых состоит тело, движутся со скоростями, пропорциональными их температуре. За счет взаимодействия друг с другом быстродвижущиеся микрочастицы отдают часть своей энергии более медленным, перенося таким образом теплоту из зоны с высокой температурой в зону с более низкой температурой.

 

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности вещества – , [Вт/(м ×К)], который можно найти в специальных справочниках для каждого конкретного вещества, и разностью температур между нагретой и холодной частями тела (нагретом и холодном телах при их контакте).

 

Конвекцией (конвективным теплообменом) называется перенос теплоты вследствие пространственного перемещения вещества.

 

Конвекция наблюдается в текучих средах (жидкостях и газах) и, как правило, сопровождается теплопроводностью. Однако конвективный перенос тепла в жидкостях и газах является определяющим, поскольку он значительно интенсивнее теплопроводности.

Процесс обмена теплотой между твердой поверхностью и жидкостью или газом путем и теплопроводности и конвекции одновременно называется конвективным теплообменом или теплоотдачей (рис. 14.а).

Процесс переноса теплоты от одной текучей среды к другой через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей (рис. 14.б).

Поверхность тела, через которую в процессе теплопередачи переносится теплота, называется поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Интенсивность конвективного теплообмена (теплоотдачи или теплопередачи) зависит от площади поверхности теплообмена, скорости движения среды относительно поверхности и от разности температур жидкости (газа) и стенки.

Рис. 14. К понятиям теплоотдачи (а) и теплопередачи (б).

 

Количество теплоты, переданной конвективным теплообменом:

 

                                  , [Дж]

где:

 – коэффициент теплоотдачи, зависящий от многих факторов. Коэффициент теплоотдачи либо определяется экспериментальным путем, либо вычисляется по формулам для каждого конкретного случая теплообмена (теплообмен с плоской поверхностью, с цилиндрической поверхностью, с многослойной стенкой, продольное или поперечное обтекание тела и др.);

, [м²] – площадь поверхности нагрева;

, [К] – температуры жидкости и стенки соответственно.

 

Лучистым теплообменом называется теплообмен посредством электромагнитного поля с двойным взаимным превращением энергии:  тепловой энергии в энергию поля и наоборот.

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тела в энергию электромагнитных колебаний. При попадании тепловых лучей (волн) на тело их энергия частично поглощается им, снова превращаясь во внутреннюю энергию данного тела.

Тепловой поток, излучаемый телом, зависит от природы этого тела и его температуры. Излучением теплота передается через все лучепрозрачные среды, в том числе и через вакуум. Носителями энергии при лучистом теплообмене являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами. Схема лучистого теплообмена между двумя телами приведена на рис. 15. Здесь:

 

–  – температуры 1 и 2 тела;

–  – коэффициенты поглощения

    1 и 2 тела;

–  – энергия собственного

 излучения первого тела на

 второе;

–  – энергия собственного

 излучения второго тела на

 первое.

 

Рис. 15. Схема теплообмена излучением            между двумя телами.

В большинстве случаев теплообмен происходит сочетанием всех трех способов, но часто одним или даже двумя видами теплообмена пренебрегают ввиду их относительно небольшого вклада в суммарный сложный процесс теплопереноса.

ГЛАВА 1.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: