СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА - Конспект Лекций, раздел Науковедение, КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЛЕКЦИЯ 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Термодинамическая Система Представляет Собой Совокупно...
Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими телами. Термодинамическая система, которая не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной, или замкнутой. Объектом изучения в технической термодинамике служит вещество (пар, газ, продукты сгорания и т. п.), называемое рабочим телом.
Термодинамическая система характеризуется рядом физических величин, позволяющих определять ее состояние при взаимодействии с окружающей средой. Физические величины, значения которых однозначно определяют состояние термодинамической системы, называются параметрами состояния. Основные из них – давление, температура и удельный объем. Эти параметры устанавливают состояние рабочего тела в том случае, когда они в любой момент времени по всей массе будут иметь одно и то же значение. Состояние рабочего тела при этом называется равновесным.
Для равновесия термодинамической системы во всех ее точках должны быть одинаковыми давление и температура. Всякая изолированная термодинамическая система с течением времени приходит в равновесие, которое остается далее неизменным, и вывести систему из такого состояния можно только внешним воздействием.
Методы термодинамики применимы только для равновесных систем, так как при отсутствии равновесия зависимость параметров состояния от времени и от положения точки внутри системы очень сложна.
Рассмотрим кратко основные параметры состояния.
Д а в л е н и е р обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей по нормали на единицу площади поверхности тела.
В Международной системе единиц (СИ, см. приложение 1) давление измеряется в паскалях (Па); давление – действие силы один ньютон на площадь 1 м2:
1 Па = 1 Н/м2
Поскольку эта единица давления очень мала, на практике применяют производные единицы: 1 кПа = 103 Па (килопаскаль), 1 МПа= 106 Па (мегапаскаль), а также внесистемную единицу – бар – 1 бар = 105 Па.
Между упомянутыми единицами существует такое соотношение:
1 бар = 105 Па = 102 кПа = 0,1 МПа
В технике применяют внесистемную единицу измерения давления – техническую атмосферу: это действие килограмм-силы (кгс) на площадь 1 см2:
1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2
Так как 1 Н – это сила, сообщающая массе 1 кг ускорение 1 м/с2, а килограмм-сила придает той же массе ускорение 9,81 м/с2, то отсюда вытекает соотношение
1 кгс/м2 = 9,81 Па
Очевидно, что 1 Па = 0,101927 кгс/м2 » 0,102 кгс/м2 » 1,02 х х 10-5 ат.
В практике давление может быть измерено в единицах высоты столба жидкости:
1 мм рт. ст. » 133 Па;
1 мм вод. ст. » 9,807 Па. (1)
Давление атмосферного воздуха измеряется барометром и называется барометрическим, или атмосферным (Ратм).
Давление газа выше атмосферного измеряется манометром. Называется оно избыточным, или манометрическим (Ризб).
Давление газа ниже атмосферного измеряется вакуумметром и называется разрежением (Рвак).
Избыточное и вакуумметрическое давление не являются параметрами состояния, так как они зависят от атмосферного давления. Параметром состояния является а б с о л ю т н о е д а в л е н и е (р).
На основании изложенного выше можно сделать вывод:
Р = Ратм + Ризб (2)
или
Р = Ратм – Рвак (3)
При измерении давления показания ртутных приборов изменяются в зависимости от температуры ртути. Поэтому показания барометра, манометра, вакуумметра, измерение высотой ртутного столба, необходимо привести к 00С по уравнению
Р0 = Рt(1 – 0,000172t), (4)
где Р0 – показание прибора, приведенное к 00С; Рt– показание прибора при температуре t, 0С; 0,000172 – коэффициент объемного расширения ртути.
Т е м п е р а т у р а Т есть мера интенсивности теплового движения молекул вещества. В лабораторных и промышленных условиях температуру измеряют жидкостными термометрами, пирометрами, термопарами и другими приборами. В системе СИ за единицу температуры принят кельвин (К); на практике широко применяют градус Цельсия (0С).
Соотношение между ними имеет вид:
Т, К = t0С + 273,15 (5)
Параметром состояния является абсолютная температура (К).
У д е л ь н ы й о б ъ е м J – это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем V, то по определению
J = V/M. (6)
Удельный объем вещества обратно пропорционален его плотности r.
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные условия»:
физические – р = 760 мм рт. ст. = 101,325 кПа;
Т = 273,15 К;
технические – р = 735,6 мм рт. ст. = 98 кПа;
t = 150C/
Контрольные вопросы и задания. 1. Что такое рабочее тело? 2. Какими основными параметрами состояния характеризуется рабочее тело? 3. Как определяется абсолютное давление газа по заданному избыточному давлению и по заданному разрежению? 4. Напишите соотношения между единицами измерения давления.
Все темы данного раздела:
ТЕРМОДИНАМИКИ И ЕЕ ЗАДАЧИ
Процессы обмена энергией имеют место в любых явлениях окружающего мира. Поэтому термодинамика как наука о взаимном превращении теплоты и работы дает методы изучения энергетических я
И РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Реальные газы при низких давлениях близки к идеальным, так как в этом случае можно пренебречь силами межмолекулярного взаимодействия и объемом молекул. Это относится, в частности, к кислороду, возд
ГАЗОВЫЕ СМЕСИ
В практике в качестве рабочего тела используют, как правило, не какой-либо однородный газ, а газовую смесь: воздух, продукты сгорания различных видов топлива, природные газы и т. п.
ИСТИННАЯ И СРЕДНЯЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ
Теплоемкости могут быть массовые, объемные, молярные. Теплоемкость 1 кг газа называется массовой: она обозначается буквой с и измеряется в Дж/(кг . К).
Те
ТЕПЛОЕМКОСТИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
Как указывалось выше, температура газа при одном и том же количестве сообщаемой теплоты q изменяется по-разному в зависимости от характера термодинамического процесса. Это означает,
Значения молярных теплоемкостей и коэффициента k в зависимости от атомности
Газ
mсJ
mср
mсJ
mср
k
ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
Теплоемкость газовой смеси, как и отдельных газов, может быть отнесена к 1 кг, 1 м3 или 1 кмолю.
Если смесь задана массовыми долями, то ее массовую теплоемкость
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
В результате воздействия на рабочее тело (газ, пар) внешней среды, например сжатия, расширения, нагрева и т. д. происходит изменение параметров его состояния.
Всякое измене
И ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Работа совершается только при изменении объема газа. Если происходит расширение газа, то работа совершается против внешних сил; при сжатии, наоборот, газ воспринимает работу
ТЕПЛОТА
Теплота является формой движения мельчайших частиц тела. Передача теплоты от одного тела к другому осуществляется либо путем непосредственного контакта между ними (теплопроводность,
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам.
Формулировка первого зако
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗАХ
Всякое изменение состояния рабочего тела (газа) в общем случае характеризуется изменением его основных параметров: r, J, T. Состояние газа изменяется двумя путями: сообщением ему те
ЭНТРОПИЯ ГАЗОВ
При исследовании все процессы рассматриваются как равновесные и обратимые.
Прежде чем рассматривать порядок исследования термодинамических процессов, введем пятый параметр
ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС
Процесс, протекающий при постоянном удельном объеме, называется изохорным. Изохорный процесс применяется, в частности, при расчетах теоретических циклов карбюраторных двигате
ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС
Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарным. Такой термодинамический процесс может протекать в цилиндре, поршень которого перемещается без трения, так
ЭНТАЛЬПИЯ ГАЗА
В процессах, связанных с расчетом котельных установок, паровых турбин, а также с сушкой и охлаждением сельскохозяйственной продукции, используют параметр состояния рабочего тела (га
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Процесс, протекающий при постоянной температуре рабочего тела, называется изотермическим. Он возможен, например, в цилиндре поршневой машины, если по мере подвода теплоты q к рабоче
АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС
Адиабатным называется процесс, который осуществляется без теплообмена между газом и внешней средой (q = 0). Практическое использование этот процесс находит в соплах паровых т
ПОЛИТРОПНЫЙ ПРОЦЕСС
Во всех реальных тепловых машинах (двигателях внутреннего сгорания – ДВС, компрессорах, газотурбинных установках и т. д.) процессы сжатия рабочего тела (газа), горения топлива, расш
Результаты анализа политропных процессов
Группа
Пределы
изменения
показателя
политропы
Изменение внутренней энергии
Подвод (отвод) теплоты
Теплое
КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Замкнутый процесс, в результате которого газ, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное, называется круговым процессом (циклом).
Поясним данное определ
ПРЯМОЙ ОБРАТИМЫЙ ЦИКЛ КАРНО
В 1824 г. С. Карно предложил цикл, которому было присвоено его имя. Прямой обратимый (то есть состоящий только из равновесных, обратимых процессов) цикл Карно является идеальным цик
ОБРАТНЫЙ ОБРАТИМЫЙ ЦИКЛ КАРНО
Этот цикл является идеальным циклом холодильных машин. Изображение обратного цикла Карно приведено на рисунке 10. Цикл состоит из тех же процессов, что и прямой цикл, но состояние р
ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность теплоты и работы как двух форм передачи энергии. Однако этот закон ничего не говорит об условиях преобразования теплоты и ра
КОМПРЕССОРОВ
Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются тепловые поршневые машины, в которых в качестве рабочего тела используются продукты сгорания жидких или газообразных топлив, сжигае
ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Для анализа работы ДВС и определения основных показателей (индикаторная мощность, механический КПД) на работающем цилиндре записывают с помощью индикатора индикаторную диаграмму, пр
ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
Газотурбинные установки (ГТУ) по сравнению с ДВС имеют существенное преимущество – отсутствие в ГТУ механизмов с возвратно-поступательным движением позволяет строить их быстроходным
ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
Сжатый воздух находит широкое применение в технологических процессах, в частности для привода пневмомеханизмов, молотов, вибраторов, пневмоподъемников, для транспортировки сыпучих м
ВОДЯНОЙ ПАР
Водяной пар в качестве рабочего тела находит широкое применение в паровых турбинах, являющихся основными тепловыми двигателями на тепловых и атомных электростанциях.
В каче
RV- И Ts-ДИАГРАММЫ ВОДЯНОГО ПАРА
Парообразование может осуществляться путем испарения или кипения.
Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости. Этот процесс про
Hs-ДИАГРАММА ВОДЯНОГО ПАРА
В инженерной практике термодинамические процессы с водяным паром рассчитывают с помощью hs-диаграммы. Эта диаграмма в СССР построена до давления 100,0 МПа и до температуры 1000
ПАРАМЕТРЫ ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА
При исследованиях принято считать, что при 0 0С и любом давлении энтальпия h0, внутренняя энергия u0, энтропия s0 воды равны нулю. В изоб
ЦИКЛ КАРНО ДЛЯ ВОДЯНОГО ПАРА
Наиболее совершенным идеальным циклом паросиловой установки является прямой обратимый цикл Карно, термический КПД которого, как отмечалось выше, максимальный в заданном интервале температур и не за
ЦИКЛ РЕНКИНА
Основным идеальным циклом паросиловых установок является цикл Ренкина. На рисунке 24 приведена принципиальная схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, а на рисунке 25 – rJ- и Ts-ди
ЦИКЛА РЕНКИНА
Исследование выражения для термического КПД цикла Ренкина при различных начальных (на входе в паровую турбину) и конечных (на входе в конденсатор) параметрах пара позволяет сделать вывод – начально
ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ
В качестве рабочего тела атмосферный воздух применяется при сушке, нагреве, охлаждении различных материалов, в установках кондиционирования и т. д.
В атмосферном воздухе со
ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Согласно закону Дальтона, давление смеси газов равно сумме парциальных давлений ее компонентов:
pнл.в. = pс.в. + pв.п., (128)
&nbs
Hd-ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Данная диаграмма позволяет наиболее просто и быстро определять параметры влажного воздуха.
В Hd-диаграмме (рис. 27, а) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d (г/кг сухого воздуха),
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Одно из основных понятий теплопроводности – температурное поле. Температура – один из основных параметров, характеризующих тепловое состояние рабочего тела или среды. Совокуп
ЗАКОН ФУРЬЕ
Закон Фурье устанавливает количественную взаимосвязь между температурным полем и интенсивностью распространения теплоты в нем посредством теплопроводности. Согласно закону Фурье, ве
ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ
Теплопроводность однослойной плоской стенки. Схема распространения теплоты для этого случая приведена на рисунке 30. Пусть теплота распространяется в стенке, ограниченной пар
КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА
В практике наиболее часто приходится рассчитывать конвективный теплообмен между жидкостью (газом) и поверхностью твердого тела или канала (трубы), по которому она протекает. Если пр
ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ
Теплоотдача при кипении жидкости сопровождается изменением агрегатного состояния рабочего тела. Это явление имеет специфические особенности и большое практическое значение для энерг
И ЗАКОНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
Теплообмен излучением – процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн (фотонов). Этот вид теплообмена осуществляется в три этапа: внутренняя энергия тела в начале пре
ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ
Знание законов излучения позволяет получить расчетные формулы для лучистого теплообмена между телами. В частности, формулой (155) пользуются при определении излучательной способност
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА. СНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Разделение процесса переноса теплоты на теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением удобно для его изучения. В действительности встречается сложный теплообмен,
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ СТЕНКУ
Пусть однослойная плоская стенка (рис. 37) толщиной d из материала, коэффициент теплопроводности которого l, омывается с одной стороны горячей жидкостью с температурой tж1
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКУЮ СТЕНКУ
В практике наиболее распространенным элементом теплообменных устройств является труба. Схема процесса теплопередачи через цилиндрическую стенку (трубу) представлена на рисунке 38.
ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
При решении практических задач теплопередачи требуется либо повысить интенсивность переноса теплоты от греющей среды к нагреваемой, либо, наоборот, затормозить этот процесс. Интенси
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от греющего теплоносителя (с более высокой температурой) к нагреваемому тепл
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО
Энергетическим топливом называют такие горючие вещества, которые экономически целесообразны при сжигании в технических устройствах для получения теплоты.
В качестве топлива
ПОНЯТИЕ УСЛОВНОГО ТОПЛИВА
Теплота сгорания топлива показывает, какое количество теплоты (в килоджоулях) выделяется при полном сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива при нормальных условиях.
ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА
Главная составляющая горючей части топлива – углерод. Теплота сгорания углерода – 33 650 кДж/кг. Содержание углерода по горючей массе топлива составляет: в антраците – 87…93%
ВИДОВ ТОПЛИВА
Древесина. Использование древесины в качестве топлива ограничено. Теплота сгорания дров в значительной степени определяется влажностью. Чем больше влажность дров, тем меньше
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
В зависимости от скорости горения различают нормальное горение и взрывное. Скоростью горения называется скорость распространения пламени. При нормальном горении скорость распростран
ДЛЯ ПОЛНОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
Если состав топлива известен, то количество воздуха, необходимого для полного сгорания любого из его компонентов, можно определить из выражения С + О2 = СО2. Э
ОБЪЕМ И СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
Для правильного расчета и выбора теплотехнических агрегатов необходимо знать количество образующихся продуктов сгорания. Как правило, количество продуктов сгорания относят к 1 кг тв
Численные значения энтальпий составляющих продуктов сгорания и воздуха при различных температурах
Температура,
К
НСО2, кДж/м3
НN2, кДж/м3
НО2,
кДж/м3
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ
Алексеев Г. Н. Общая теплотехника.– М.: Высшая школа, 1980. Андрющенко А. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок.– М., Высшая школа. Ар
Новости и инфо для студентов