Термодинамический процесс - всякое изменение, происходящее в термодинамической системе и связанное с изменением хотя бы одного ее параметра состояния.

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Можно выделить несколько простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

-Адиабатный процесс — происходящий без теплообмена с окружающей средой;

-Изохорный процесс — происходящий при постоянном объёме;

-Изобарный процесс — происходящий при постоянном давлении;

-Изотермический процесс — происходящий при постоянной температуре;

-Изоэнтропийный процесс — происходящий при постоянной энтропии;

-Изоэнтальпийный процесс — происходящий при постоянной энтальпии;

-Политропный процесс — происходящий при постоянной теплоёмкости;

Термодинамические процессы удобно изобразить в виде кривых на графике с координатами V-P, V-T, P-V.

Тепловые процессы можно разделить на равновесные и неравновесные; на обратимые и необратимые.

5) Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. Коэффициент теплопроводности - количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности через единичную толщину стенки при перепаде температуры в один градус, . Является теплофизической характеристикой материала.

Коэффициент теплопроводности газов: где - средняя скорость перемещения молекул газа; - средняя длина свободного пробега молекул газа между соударениями; - теплоёмкость газа при постоянном объёме; - плотность газа.

Коэффициент теплопроводности жидкостей: , где - теплоёмкость жидкости при постоянном давлении; - плотность жидкости; μ - молекулярная масса.

Внутренняя энергия системы – это энергия системы, которая однозначно определяется ее термодинамическим состоянием. Внутренняя энергия системы включает в себя энергию хаотического движения всех микрочастиц системы и потенциальную энергию их взаимодействия. Во внутреннюю энергию системы не входит кинетическая энергия движения системы как целого и ее потенциальная энергия во внешнем силовом поле.

7) Теплопроводность плоской стенки: Однородная плоская стенка (Рис.9.2.).

Температуры поверхностей стенки –t_ст1 и t_ст2.
Плотность теплового потока:

q = -λ ∙ ∂ t/∂ n = - λ ∙ ∂ t/∂ x = - λ ∙ (t_c_т2 - t_c_т1)/(x_c_т2 - x_c_т1)∙
или q = λ ∙ (t_c_т2 - t_c_т1)/(x_c_т2 - x_c_т1)∙ Dt/Dx (9.13)

Тогда q = λ /δ ∙ (t_ст1 – t_ст2) = λ /δ ∙ Δ t, (9.14)

Если R =δ /λ -термическое сопротивление теплопроводности стенки [(м²∙ К)/Вт], то плотность теплового потока: q = (t_ст1 – t_ст2)/R. (9.15)

Общее количество теплоты, которое передается через поверхность F за время τ определяется: Q = q∙ F∙ τ = (t_ст1 – t_ст2)/R·F∙ τ . (9.16)

Температура тела в точке с координатой х находится по формуле: t_x = t_ст1 – (t_ст1 – t_ст2)∙ x/ δ . (9.17)

Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса и равно . внутренняя энергия системы зависит только от температуры .

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

18) Закон Стефана—Больцмана — закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона: Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела: где - степень черноты (для всех веществ , для абсолютно черного тела ). При помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определить как где — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света.

Численное значение Дж·с^{− 1}·м^{− 2} · К^{− 4}.

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 _СО2и 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.

21) 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.

Свободно конвективные течения возникают вследствие изменений плотности, обусловленных процессами тепло- или массообмена в поле гравитационных сил. Разность плотностей создает выталкивающую силу, под действием которой возникает течение. При охлаждении нагретого тела окружающим воздухом такое течение наблюдается в области, окружающей тело. К естественной конвекции относят также обусловленные выталкивающей силой течения при отводе теплоты в атмосферу или другую окружающую среду, циркуляцию в нагретых помещениях, в атмосфере или водоемах, течения, связанные с выталкивающей силой.

Нагретое вещество под действием Архимедовой силы перемещается относительно менее нагретого вещества в направлении, противоположном направлению силы тяжести.

Конвекция приводит к выравниванию температуры вещества.

При естественной конвекции интенсивность переноса теплоты пропорциональна разности температур DT различных частей среды, коэффициенту объемного расширения DV, напряженности силового поля g (гравитационного или сил инерции).

Многоступенчатое сжатие.

Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры (рисунок 5.9), в которых процесс сжатия осуществляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия.

Рисунок 5.9 – Схема многоступенчатого компрессора.

I – III – ступени сжатия; 1, 2 – промежуточные холодильники. Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора изображена

на рисунке 5.10. В первой ступени компрессора газ сжимается по политропе до давления рII, затем он поступает в промежуточный холодильник 1, где охлаждается до начальной температуры T1. Сопротивление холодильника по воздушному тракту с целью экономии энергии, расходуемой на сжатие, делают небольшим. Это позволяет считать процесс охлаждения газа изобарным. После холодильника газ поступает во вторую ступень и сжимается по политропе до рIII, затем охлаждается до температуры T1 в холодильнике 2 и поступает в цилиндр третьей ступени, где сжимается до давления p2.

Детандер (от франц. dé tendre — ослаблять) — устройство, преобразующее потенциальную энергию газа в механическую энергию. При этом газ, совершая работу, охлаждается. Используется в цикле получения жидких газов, таких как воздух и гелий. Наиболее распространены поршневые детандеры и турбодетандеры.

28) Цикл ДВС со сгоранием при V=const

На рисунке изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объёме.

При ходе поршня из левого мёртвого положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь. Этот процесс изображён кривой 0-1, называется линией всасывания, она не является термодинамическим процессом, т.к. в нём основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объём смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Изображается кривой 1-2, называется линией сжатия. В точке 2 происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т.е. практически при постоянном объёме. Этот процесс изображён кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мёртвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расширения изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа на лево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающим атмосферное давление. Изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа. Такой рабочий процесс совершается за четыре хода поршня или за два оборота вала. Такие двигатели называются четырёхтактными. Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме состоит из двух адиабат и двух изохор

Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия

– степень повышения давления

Количество подведённой теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла:

Термический к.п.д. цикла:

29) Цикл ДВС со сгоранием при p=const

В них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т.е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении осуществляется следующим образом.

Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты q₁. От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом в теплоприёмник отводится теплота q₂.

Характеристики цикла: -степень сжатия

степень предварительного расширения.

Количество подведённой теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла:

Термический к.п.д. цикла: