Основные параметры состояния рабочего тела.

Термодинамика. Основные понятия и определения. Теплота, работа, внутренняя энергия.

Термодинамика – это наука о свойствах энергии в различных ее видах, а также о закономерностях перехода энергии от одних тел к другим и из одного вида в другой.

Фундаментальными понятиями термодинамики являются теплота и работа.

Совокупность тел, участвующих в процессах передачи энергии, рассматриваемая в энергетическом взаимодействии с внешней средой, называется термодинамической системой.

Энергия, запасом которой обладает всякое тело, в общем случае состоит из:

· внешней энергии, присущей всему телу в целом, и

· внутренней энергии, присущей самим молекулам, из которых состоит тело.

Суммарный запас кинетической и потенциальной энергий всех молекул тела образует его внутреннюю или тепловую энергию, обозначаемую в дальнейшем буквой U.

У газов размеры молекул исчезающе малы по сравнению с расстоянием между ними и силы взаимного притяжения ничтожны (идеальные газы).

Пары в термодинамике относятся к реальным газам и их свойства изучаются с учетом сил взаимного притяжения молекул.

Основные параметры состояния рабочего тела.

Удельный объем газа – объем, занимаемый 1 кг данного газа. Так, если масса всего газа равна М кг, а полный объем V м³, то удельный объем его составляет

Величина, обратная удельному объему, т.е. масса газа, заключенная в 1м³ его, называется плотностью

, кг/м³

Абсолютное давление газа является средним результатом ударов молекул о поверхность, ограничивающую объем, занимаемый газом. Оно представляет собой силу, отнесенную к единице площади этой поверхности и действующую со стороны газа в направлении, нормальном по отношению к ней.

Давление земной атмосферы зависит от высоты и метеорологических условий в данный момент. В среднем над уровнем моря оно равно 760 мм.рт.ст. Эта величина называется нормальным давлением.

Абсолютная температура газа является мерой интенсивности хаотического движения его молекул и измеряется в градусах.

҇ Т,

w – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул;

Термическое уравнение состояния рабочего тела

Наиболее естественным является такое состояние газа, при котором удельный объем, давление и температура, а вместе с ними и все остальные параметры, имеют одинаковое значение во всех точках объема, занимаемого газом.

Такое термодинамическое состояние газа называется равновесным.

Всякий реальный процесс перехода газа из одного состояния в другое неизбежно связан с нарушением термодинамического равновесия, и каждое из промежуточных состояний его является неравновесным.

Каждое из промежуточных состояний газа характеризуется конкретными значениями параметров p,

и Т. Они связаны между собой однозначной зависимостью:

которое называется термическим уравнением состояния.

Всякое изменение объема газа сопровождается совершением работы. При расширении газ совершает работу против внешних сил, при сжатии внешние силы совершают работу над газом.

Суммарная работа, совершаемая газом в процессе 1–2, составит:

, кДж/кг

Работа является функцией процесса и при одинаковых начальных и конечных состояниях газа может быть различной в зависимости от того, по какому пути совершается этот процесс.

Отсюда вытекает, что работа не является функцией состояния.

Если по завершении процесса в двигателе поршень возвращается в исходное положение, а газ – в исходное состояние, то в цилиндре осуществляется термодинамический цикл, изображаемый в

– диаграмме замкнутой кривой.

Для всей смеси в целом основное уравнение кинетической теории газов

где

– средняя кинетическая энергия молекул для всей смеси в целом, может быть представлено в виде формулы

Учитывая, что все компоненты находятся при одной и той же температуре, из уравнения Больцмана имеем:

где V_к – приведенный объем, который занял бы компонент, находясь отдельно от других компонентов при давлении и температуре смеси.

Последнее выражение можно записать в таком виде

Составляя такие выражения для каждого из компонентов, а затем складывая их левые и правые части, получаем

и, производя сокращение на основании закона Дальтона, находим окончательно

т.е. объем газовой смеси равен сумме приведенных объемов ее компонентов.

Газовая смесь характеризуется своим мольным (Z_к), объемным (r_к) или массовым составом (m_к).

Для пересчета объемного состава в массовый и наоборот введено понятие о средней (кажущейся) молекулярной массе смеси m_см.

где z₁, z₂ … – мольные доли компонентов смеси.

Также, среднюю молекулярную массу смеси можно выразить через молекулярные массы компонентов и их объемные доли:

Пересчет объемного состава на массовый и наоборот производится на основе следующих соотношений между объемными и массовыми долями компонентов:

Уравнение состояния для всей смеси в целом имеет вид

а для каждого из компонентов может быть записано так:

откуда видно, что изобара нагревания направлена слева направо, а изобара охлаждения – справа налево.

Аналитическое выражения первого закона термодинамики для изобарного процесса:

В изобарном процессе все подводимое тепло расходуется на изменение энтальпии газа.

поэтому

Энтальпия является функцией состояния, и ее изменение не зависит от характера процесса, поэтому приведенные формулы справедливы для любого процесса.

Величина работы изменения объема газа в изобарном процессе

следует, что линия изотермы представляет собой гиперболу.

т.е. внутренняя энергия не изменяется, аналитическое выражение первого закона термодинамики принимает вид

Аналитическое выражение первого закона термодинамики:

Политропными называются процессы, в которых теплоемкость имеет любое, но постоянное на протяжении всего процесса значение.

Уравнение политропы выводится на основе уравнений 1 закона термодинамики и теплоёмкости:

Все соотношения, вытекающие из уравнения политропы, аналогичны соотношениям, вытекающим из уравнения адиабаты.

Согласно первому закону термодинамики для политропного процесса

В цикле, предложенном С. Карно, теплота подводится и отводится по изотермам при температурах горячего источника теплоты и холодного теплоприемника.

Термический к.п.д. прямого цикла Карно тем больше, чем выше температура горячего источника теплоты и чем ниже температура холодного теплоприемника.

В обратном цикле Карно холодильный коэффициент

Водяной пар. Основные понятия и определения.

Газообразные тела (с примесью одноименной жидкости в виде взвешенных мелкодисперсных частиц или без нее) принято называть парами.

Все пары являются реальными газами и подчиняются всем присущим этим газам закономерностям, в частности закономерностям фазовых переходов.

Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством ее испарения или кипения. Между этими двумя процессами существует принципиальное различие.

Испарение жидкости может происходить лишь с открытой поверхности и при любой температуре.

С повышением температуры жидкости процесс испарения ускоряется, т.к. средняя скорость движения молекул возрастает.

Кипение жидкости может происходить и при отсутствии открытой поверхности. Сущность его состоит в том, что образование пара происходит в основном в объеме самой жидкости.

В сосуде одновременно происходят противоположные процессы испарения жидкости и конденсации пара.

Пока концентрация молекул пара в паровоздушной смеси мала, первый процесс превалирует над вторым. Вместе с этим увеличивается и парциальное давление пара Р_п в паровоздушной смеси; парциальное же давление воздуха Р_в уменьшается, ибо избыток его удаляется в окружающую среду через обратный клапан, но суммарное давление паровоздушной смеси остается неизменным.

С повышением парциального давления пара скорость испарения жидкости уменьшается, а скорость обратной конденсации пара возрастает и в конечном итоге наступает момент, когда скорости обоих процессов становятся одинаковыми, а Р_п устанавливается одинаковым.

Пар какого-либо вещества, находящийся в динамическом равновесии с одноименной жидкостью, называется насыщенным.

Температура и давление насыщенного пара взаимосвязаны и каждой температуре соответствует вполне определенное давление насыщения.

По мере роста температуры паровоздушной смеси содержание воздуха в ней уменьшается за счет вытеснения его паром через обратный клапан. Поэтому наступает момент, когда из сосуда удаляются последние остатки воздуха и в верхней его части остается один лишь насыщенный пар.

Этот момент отмечается тем, что давление насыщенного пара становится равным давлению окружающей среды, под которым все время находилась жидкость, а потому становится возможным кипение жидкости.

Температура, при которой давление насыщения становится равным внешнему давлению на жидкость, называется температурой кипения; она является функцией внешнего давления и с увеличением его возрастает.

После начала кипения в рассматриваемом сосуде продолжение подвода тепла сопровождается дальнейшим парообразованием, причем давление в нём сохраняется неизменным, т.к. излишки пара вытесняются через обратный клапан. Неизменной остается и температура, как пара, так и самой жидкости. Такой процесс продолжается до полного выкипания жидкости, и, наступает момент, когда весь сосуд оказывается заполненным лишь насыщенным паром, температура которого еще равна температуре кипения.

Пар какого-либо вещества, не содержащий в себе одноименной жидкости и имеющий температуру кипения при данном давлении, называется сухим насыщенным.

Пар какого-либо вещества, температура, которого превышает температуру кипения при данном давлении, называется перегретым.

Состояние перегретого пара определяется значениями двух независимых параметров, в качестве которых наиболее часто используются давление и температура.

С повышением перегрева пар по своим свойствам приближается к идеальному газу.

При изобарном отводе теплоты от сухого насыщенного пара температура его не изменяется, а вместо этого начинается конденсация пара, и по всему его объему образуются мельчайшие капельки жидкости.

Насыщенный пар какого-либо вещества, содержащий в себе одноименную жидкость в виде взвешенных мелкодисперсных частиц, называется влажным насыщенным паром.

Представив себе влажный пар как механическую смесь сухого насыщенного пара и равномерно распределенной в нем жидкости, можно определить степень сухости х влажного пара как массовую долю содержащегося в нем сухого насыщенного пара.

Очевидно, величина х может изменяться от единицы (что соответствует сухому насыщенному пару) до нуля (что соответствует кипящей воде).

Таким образом, состояние влажного пара определяется значениями двух независимых параметров, – давления (или температуры) и степени сухости.

Объем влажного пара можно представить как сумму объемов двух компонентов.

Первое слагаемое представляет собой объем жидкости, содержащейся в 1 кг влажного пара, а второе – объем содержащегося в нем сухого насыщенного пара.

Для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при постоянном давленииему необходимо сообщить количество теплоты, называемое теплотой парообразования:

Часть теплоты парообразования расходуется на увеличение внутренней энергии, связанное с совершением работы против сил взаимного притяжения молекул (внутренняя теплота парообразования). Остальная часть теплоты парообразования расходуется на работу расширения, не связанную с наличием сил молекулярного взаимодействия (внешняя теплота парообразования).

С помощью теплоты парообразования r энтальпия влажного пара определяется следующим образом.

где Т_н– температура кипения при заданном постоянном давлении.

Основной тепловой потерей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, является теплота парообразования отработавшего пара, отдаваемая охлаждающей воде конденсатора и нигде не используемая.

В Ts–диаграмме эта потеря изображается площадью прямоугольника 2-3-8-10-2.

Невозможность использования теплоты охлаждающей воды конденсаторов для удовлетворения тепловых потребителей объясняется низкой температурой этой воды, составляющей обычно около 20⁰С, что примерно соответствует давлению в конденсаторе р₂ = 0,04 бар (t_н = 29⁰С).

Устранить эту потерю можно путем повышения противодавления (давления в конденсаторе), а следовательно, и температуры отработавшего пара, что делает его пригодным для удовлетворения тепловых нужд промышленности или коммунального хозяйства.

Положим, пар расширяется до давления, близкого к атмосферному, чему на Ts-диаграмме соответствует точка 6. В таком случае количество в работу (а затем тепла, превращенного в электроэнергию), будет измеряться площадью 1-6-7-4-5-1, а тепло, полезно использованное для удовлетворения нужд тепловых потребителей, – площадью 7-6-10-9-7.

Из диаграммы видно, что работа 1 кгпара (и соответственно выработка механической или электрической энергии) будет меньше, чем при расширении до предельно низкого давления, и расход пара на получение того же количества электроэнергии будет больше.

Зато теплота парообразования отработавшего пара не теряется, а полезно используется.

Для оценки экономичности такого рода установок вводится понятие о степени использования тепла, под которой понимается отношение всего использованного (в виде механической и тепловой энергии) тепла к количеству тепла, затраченному на образование пара:

В цикле Ренкина степень использования тепла есть не что иное, как термический к. п. д. цикла. Следовательно, для конденсационных установок степень использования тепла может достичь лишь 52-53%.

В теоретическом цикле комбинированной выработки электроэнергии и тепла (иначе говоря – выработки электроэнергии на базе теплового потребления) степень использования тепла составляет 100% (в действительности из-за необратимости процессов расширения к. п. д. теплофикационных установок достигает 70-75%).

Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии имеет огромное преимущество по сравнению с раздельной их выработкой на конденсационных электростанциях и в котельных соответственно.

Паросиловые установки для комбинированной выработки электрической и тепловой энергий называются теплофикационными электростанциями или теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Сравнивая цикл Ренкина для перегретого пара с циклом Карно, взятым для того же температурного интервала можно заметить, что заполнение верхней части этого интервала у цикла Ренкина невелико из-за относительно низкой температуры насыщения, при которой идет парообразование в котле.

Увеличить заполнение верхней части располагаемого температурного интервала можно путем создания установки с двумя турбинами – газовой и паровой.

Воздух, сжатый в компрессоре 1, подается в камеру сгорания парогенератора 2, работающего на жидком или газообразном топливе.

Продукты сгорания топлива расширяются до атмосферного давления в газовой турбине 3, а затем, охладившись в противоточном регенеративном подогревателе 4 до температуры 40-50 °С, удаляются в атмосферу.

Перегретый пар, полученный в парогенераторе 2, расширяется в паровой турбине 5, затем направляется в конденсатор 6, а конденсат его, нагревшись за счет тепла отработавших газов газовой турбины, поступает в качестве питательной воды в парогенератор.

Термодинамический цикл описанной парогазовой установки представлен в Ts-диаграмме.

Он состоит из двух циклов – газового цикла (1-2-3-4-1) и парового цикла (5-6-7-8-9-10-5), причем весь процесс подогрева питательной воды по линии 8-9 осуществляется за счет регенерации тепла уходящих газов газотурбинной установки путем их охлаждения по линии 4-1.

Теплопередача. Основные понятия и определения.

Рассмотрим теплопередачу через однородную и многослойную плоские стенки.

- теплоотдачу от более горячей жидкости к стенке,

- теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде.

Заданы толщина δ плоской однородной стенки, коэффициенты теплопроводности стенки λ, температуры окружающей среды t_ж1 и t_ж2, а также коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂;

будем считать, что величины t_ж1, t_ж2, α₁ и α₂постоянны и не меняются вдоль поверхности.

При заданных условиях необходимо найти тепловой поток от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхностях стенки.

Плотность теплового потока от горячей жидкости к стенке

При стационарном тепловом режиме тот же тепловой поток пройдет теплопроводностью через твердую стенку

Тот же тепловой поток передается от второй поверхности стенки к холодной жидкости за счет теплоотдачи

Эти уравнения можно записать в виде системы

Величина k имеет ту же размерность, что и α, и называется коэффициентом теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи k характеризует интенсивность передачи теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку и численно равен количеству теплоты, которое передается через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в один градус.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередаче.

– термическое сопротивление теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки;

– термическое сопротивление теплопроводности стенки;

– термическое сопротивление теплоотдачи от поверхности стенки к холодной жидкости.

В случае многослойной стенки нужно учитывать термическое сопротивление каждого слоя:

Плотность теплового потока через многослойную стенку, состоящую из n слоев

Тепловой поток Q, Вт, через поверхность F твердой стенки

Рассмотрим однородную цилиндрическую стенку (трубу) с постоянным коэффициентом теплопроводности λ. Заданы постоянные температуры подвижных сред t_ж1 и t_ж2 и постоянные значения коэффициентов теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях труб α₁ и α₂.

Необходимо найти q_l и t_c. Будем полагать, что длина трубы велика по сравнению с толщиной стенки. Тогда потерями теплоты с торцов трубы можно пренебречь.

Для стационарного режима теплопередачи можно написать

Представим эти уравнения следующим образом

Величина k_l называется линейным коэффициентом теплопередачи; измеряется в Вт/(м·К). Он характеризует интенсивность передачи теплоты от одной подвижной среды к другой через разделяющую их стенку.

Значение k_l численно равно количеству теплоты, которое проходит через стенку длиной 1 м в единицу времени от одной среды к другой при разности температур между ними 1 град.

Величина R_l= 1/ k_l, обратная линейному коэффициенту теплопередачи, называется линейным термическим сопротивлением теплопередаче:

Основные понятия конвективного теплообмена.

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью.

Если в единицу времени через единицу контрольной поверхности нормально к ней проходит масса жидкости

, кг/(м²·с), где

– скорость,

– плотность жидкости, то вместе с ней переносится теплота, Вт/м²:

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, т.к. при движении жидкости или газа происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. В результате конвективный теплообмен описывают уравнением

При расчетах конвективного теплообмена между текущей жидкостью и твёрдой стенкой используют закон Ньютона – Рихмана:

Коэффициент теплоотдачи α зависит от большого количества факторов. В общем случае α является функцией

Чтобы привести жидкость в движение, к ней необходимо приложить силу. Силы, действующие на какой-либо элемент жидкости, можно разделить на массовые (или объемные) и поверхностные.

Массовыми называют силы, приложенные ко всем частицам жидкости и обусловленные внешними силовыми полями (например, гравитационным или электрическим).

Поверхностные силы возникают вследствие действия окружающей жидкости или твердых тел; они приложены к поверхности контрольного объема жидкости. Такими силами являются силы внешнего давления и силы трения.

Различают свободную и вынужденную конвекцию.

В первом случае жидкость с неоднородным распределением температуры, и, как следствие, с неоднородным распределением плотности, находится в поле земного тяготения. Поэтому в ней может возникнуть свободное гравитационное движение.

Вынужденное движение объема жидкости происходит под действием внешних поверхностных сил, приложенных на его границах, за счет предварительно сообщенной кинетической энергии (например, за счет работы насоса, вентилятора, ветра).

Вынужденное движение в общем случае может сопровождаться свободным движением. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разница температур отдельных частиц среды и чем меньше скорость вынужденного движения.

Основные понятия и законы теплового излучения.

Газы испускают лучи не всех длин волн – селективное (избирательное) излучение

Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным излучением (Q).

Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям, называется плотностью интегрального излучения тела, Вт/м²

где dQ – элементарный поток излучения, испускаемый элементом поверхности dF.

Общее количество энергии излучения, падающей на тело

Величину А называют поглощательной способностью. Она представляет собой отношение поглощенной энергии излучения ко всей энергии излучения, падающей на тело.

Величину R называют отражательной способностью. R есть отношение отраженной энергии излучения ко всей падающей.

Величину D называют пропускательной способностью. D есть отношение прошедшей сквозь тело энергии излучения ко всей энергии излучения, падающей на тело.

Абсолютно черная поверхность - если поверхность поглощает все падающие на нее лучи, т. е. А = 1, R = 0 и D = 0.

Если поверхность отражает полностью все падающие на нее лучи, то такую поверхность называют абсолютно белой.

Если поверхность правильно отражает лучи (т.е. отражение следует законам геометрической оптики), то такую поверхность называют зеркальной.

Если падающий луч при отражении расщепляется на множество лучей, идущих по всевозможным направлениям, то такое отражение называют диффузным.

Интенсивность излучения представляет собой плотность потока излучения тела для длин волн от λ до λ + dλ, отнесенная к рассматриваемому интервалу длин волн dλ.

где I_s_λ – спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела, Вт/м³.

где k - коэффициент абсорбции, или коэффициент поглощения вещества, 1/м.

Термодинамика. Основные понятия и определения. Теплота, работа, внутренняя энергия.

Фундаментальными понятиями термодинамики являются теплота и работа.

Энергия, запасом которой обладает всякое тело, в общем случае состоит из:

· внешней энергии, присущей всему телу в целом, и

· внутренней энергии, присущей самим молекулам, из которых состоит тело.

Основные параметры состояния рабочего тела.

Величина, обратная удельному объему, т.е. масса газа, заключенная в 1м³ его, называется плотностью

, кг/м³

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: