Техническая термодинамика и теплопередача. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов

1 ДК 536.7(07) + 536.24 Рецензенты: кафедра “Теплотехника и теплосиловые установки” Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (д-р техн. наук, проф. И.Г. Киселев), профессор Б.С. Фокин (АОО НПО "ЦКТИ им. И.И. Ползунова") Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 319 с. ISBN 5-7422-0098-6 Изложены основы технической термодинамики и теплопередачи. Представлены начала термодинамики, методы расчета термодинамических процессов с идеальным газом и с реальными рабочими телами, циклов энергетических установок, холодильных машин и тепловых насосов. Описаны процессы стационарной и нестационарной теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением. Даны основы теплового расчета теплообменников. Предназначен для бакалавров по направлению 551400 “Наземные транспортные системы”. I8ВN 5-7422-0098-6 Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1999 Сапожников С.З., Китанин Э.Л., 1999 2 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие........................................................................ 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА...................... 1.1. Предмет и метод технической термодинамики....... 1.2. Основные понятия термодинамики........................ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры........................................................... 1.2.2. Термодинамическое равновесие и равновесный тер- модинамический процесс.................................. 1.2.3. Термическое уравнение состояния. Термодинамическая поверхность и диаграммы состояний………………………………………………. 1.2.4. Смеси идеальных газов........................................ 1.2.5. Энергия, работа, теплота...................................... 1.2.6. Теплоемкость......................................................... 1.3. Первое начало термодинамики.................................. 1.3.1. Уравнение первого начала................................... 1.3.2. Внутренняя энергия как функция состояния......................................................................... 1.3.3. Энтальпия и ее свойства...................................... 1.3.4. Уравнение первого начала для идеального газа......................................................................................... 1.4. Анализ процессов с идеальным газом....................... 1.4.1. Изобарный процесс.............................................. 1.4.2. Изохорный процесс............................................... 1.4.3. Изотермический процесс...................................... 1.4.4. Адиабатный процесс............................................. 1.4.5. Политропные процессы........................................ 1.4.6. Сжатие газа в поршневом компрессоре.............. 1.5. Второе начало термодинамики................................... 1.5.1. Обратимые и необратимые процессы................. 1.5.2. Циклы и их КПД.................................................... 1.5.3. Формулировки второго начала............................ 1.5.4. Цикл Карно. Теорема Карно................................ 3 1.5.5. Энтропия, ее изменение в обратимых и необрати- мых процессах................................................................. 1.5.6. Т–s-диаграмма состояний. Изменение энтропии в процессах идеального газа.................................................................................... 1.5.7. Термодинамическая шкала температур.............. 1.6. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания................................................................................. 1.6.1. Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто) 1.6.2. Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля) ........................................................................................................... 1.6.3. Сравнение эффективности циклов ДВС............. 1.7. Циклы газотурбинных установок.............................. 1.7.1. Схема и цикл с изобарным подводом теплоты.. 1.7.2. Термический КПД цикла Брайтона................... 1.7.3. Регенеративный цикл ГТУ.............................. 1.7.4. Эффективность реальных циклов................... 1.8. Термодинамика реальных рабочих тел.................... 1.8.1. Уравнения состояния реальных газов............... 1.8.2. Изменение агрегатного состояния вещества.... 1.8.3. Диаграммы и таблицы состояний..................... 1.9. Циклы паросиловых установок................................. 1.9.1. Паровой цикл Карно.......................................... 1.9.2. Цикл Ренкина..................................................... 1.10. Циклы холодильных машин и тепловых насосов 1.10.1.Обратный цикл Карно.................................... 1.10.2. Цикл парокомпрессионной холодильной машины с перегревом пара и дросселированием................. 1.10.3. Цикл теплового насоса................................... 1.11. Влажный воздух.......................................................... 1.11.1 Основные понятия и определения................... 1.11.2. h–d-диаграмма влажного воздуха.................. 2.ТЕПЛОПЕРЕДАЧА......................................................... 4 2.1. Общие представления о теплопередаче................... 2.2. Теплопроводность........................................................ 2.2.1. Основные понятия и определения............ 2.2.2. Гипотеза Био-Фурье.................................... 2.2.3.Дифференциальное уравнение теплопроводности. ………………………………………………………… 2.2.4. Условия однозначности................................. 2.2.5.Модели тел в задачах теплопроводности...... 2.3. Стационарная теплопроводность.............................. 2.3.1. Теплопроводность пластин и оболочек......... 2.3.2. Теплопроводность оребренных поверхностей. 2.4. Нестационарная теплопроводность.......................... 2.4.1. Теплопроводность термически тонких тел....... 2.4.2. Теплопроводность полуограниченного тела и стержня....................................................... 2.4.3. Нагрев и охлаждение пластины, цилиндра и шара. 2.4.4. Нагрев и охлаждение тел конечных размеров…….. 2.4.5. Регулярный тепловой режим......................... 2.5. Приближенные методы теории теплопроводности.. 2.5.1. Электротепловая аналогия............................. 2.5.2. Графический метод........................................ 2.5.3. Метод конечных разностей.......................... 2.6. Физические основы конвективного теплообмена.. 2.6.1. Основные понятия и определения................. 2.6.2.Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена.............................................................. 2.7. Основы теории подобия............................................... 2.7.1. Подобие физических явлений....................... 2.7.2. Теоремы подобия............................................. 2.7.3. Уравнения подобия......................................... 2.7.4. Правила моделирования.................................. 2.8. Конвективный теплообмен в однофазной среде..... 2.8.1. Режимы течения жидкостей и газов............... 5 2.8.2. Пограничный слой............................................ 2.8.3.Теплообмен в ламинарном пограничном слое на плоской поверхности................................................. 2.8.4. Теплообмен в турбулентном пограничном слое на плоской поверхности............................................. 2.8.5. Теплообмен при вынужденной конвекции в трубах и каналах............................... 2.8.6.Теплообмен на стабилизированном участке течения.Интеграл Лайона......................................... 2.8.7. Теплообмен при ламинарном течении в трубах ……………………………………………………….. 2.8.8. Теплообмен при турбулентном течении в трубах... 2.8.9. Теплообмен при обтекании труб и трубных пучков.......................................................................... 2.8.10. Теплообмен при свободной конвекции........ 2.8.11. Теплообмен в псевдоожиженных средах....... 2.9. Конвективный теплообмен при кипении и конденсации........................................................................... 2.9.1. Теплообмен при кипении................................ 2.9.2. Теплообмен при конденсации......................... 2.9.3. Тепловые трубы................................................ 2.10. Теплообмен излучением............................................ 2.10.1. Физические основы излучения...................... 2.10.2. Расчет теплообмена излучением................... 2.10.3. Солнечное излучение..................................... 2.10.4. Сложный теплообмен..................................... 2.11. Теплообменники.......................................................... 2.11.1 Классификация и назначение......................... 2.11.2. Основы теплового расчета............................ 2.11.3.Эффективность теплообменников. Реальные коэффициенты теплопередачи............................. 2.11.4. Гидравлический расчет теплообменников... Список литературы............................................................. 6 ПРЕДИСЛОВИЕ “Техническая термодинамика и теплопередача” - один из основных курсов, читаемых бакалаврам по направлению “Наземные транспортные системы”. Он насыщен сведениями и сжат по времени изучения до 1–2 семестров, поэтому большинство фундаментальных учебников мало помогут студентам: они излишне подробны, не сориентированы на круг задач, связанных с транспортными системами и, наконец, просто рассчитаны на курсы значительно большего объема. Для инженеров-транспортников главное - уяснить предмет и основные идеи термодинамики и теплопередачи, освоить сложившуюся терминологию этих наук. Совершенно необходимо помнить 10–15 основных формул (таких, например, как уравнение состояния идеального газа, формула для расчета теплопередачи через многослойную пластину, закон Стефана–Больцмана и т. д.). Остальные сведения, при всей их важности, нужно просто понять, представить физически, связать с примерами из различных областей жизни и техники. Поэтому главное внимание авторы постарались уделить физической стороне рассматриваемых явлений, а математическому аппарату оставили достойное, но скромное место. Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам - кафедре "Теплотехника и теплосиловые установки" Петербургского государственного университета путей сообщения в лице д-ра техн. наук проф. И. Г. Киселева и канд. техн. наук доц. В. И. Крылова, а также д-ру техн. наук проф. Б. С. Фокину - за ценные замечания, позволившие улучшить первоначальный текст. Особая благодарность - канд. техн. наук Г. Г. Гавра за большую помощь в подготовке рукописи; ей принадлежит идея сопоставить N, ε - метод расчета теплообменников с традиционной расчетной схемой. И, конечно, очень ценной оказалась помощь в оформлении книги сотрудниц кафедры “Теоретические основы теплотехники” Санкт-Петербургского государственного технического 7 университета Э. О. Введенской, Р. М. Грозной, аспиранток Ю. В. Бурцевой и Е. М. Ротинян. С. Сапожников Э. Китанин 8 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 1.1.ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамика - наука о преобразованиях энергии - фундаментальна для инженера-энергомашиностроителя. Зарождение термодинамики совпадает по времени с появлением первых паровых машин. В 1824 г. французский инженер С. Карно рассмотрел энергетическое взаимодействие воды и пара с различными частями двигателя и с окружающей средой, ему принадлежит первая оценка эффективности паровой машины. С тех пор предметом изучения термодинамики стали процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физико- химические, плазменные и другие процессы. В основу этих исследований положен термодинамический метод: объектом исследования могут быть любые тела, входящие в так называемую термодинамическую систему. Эта система должна быть: достаточно обширной и сложной, чтобы в ней соблюдались статистические закономерности (движение молекул вещества в некотором объеме, нагрев и охлаждение частиц твердого материала в засыпке и т. д.); замкнутой, т. е. иметь пределы во всех пространственных направлениях и состоять из конечного числа частиц. Других ограничений для термодинамической системы нет. Объекты материального мира, не входящие в термодинамическую систему, называют окружающей средой. Возвращаясь к работам С. Карно, отметим, что вода и полученный из нее пар являются термодинамической системой. Проследив энерговзаимодействие воды и пара с окружающими телами, можно оценить эффективность преобразования подведенной к машине теплоты в работу. Но современные энергомашины для преобразования энергии не всегда используют воду. Условимся называть любую среду, которая используется для преобразования энергии, рабочим телом. 9 Таким образом, предметом технической термодинамики являются закономерности преобразования энергии в процессах взаимодействия рабочих тел с элементами энергомашин и с окружающей средой, анализ совершенства энергомашин, а также изучение свойств рабочих тел и их изменений в процессах взаимодействия. В отличие от статистической физики, которая изучает физическую модель системы с четкими закономерностями взаимодействия микрочастиц, термодинамика не связана в своих выводах с какой-либо структурой тела и с определенными формами связи между элементами этой структуры. Термодинамика использует законы универсального характера, т. е. справедливые для всех тел, независимо от их строения. Эти законы заложены в основу всех термодинамических рассуждений и носят название начал термодинамики. Первое начало выражает закон сохранения энергии - всеобщий закон природы. Оно определяет баланс энергии при взаимодействиях внутри термодинамической системы, а также между термодинамической системой и окружающей средой. Второе начало определяет направленность энергетических превращений и существенно расширяет возможности термодинамического метода. Оба начала носят опытный характер и применимы ко всем термодинамическим системам. Основываясь на этих двух началах, представленных в математической форме, можно выразить параметры энергообмена при различных взаимодействиях, установить связи между свойствами веществ и т. д. Однако для того, чтобы довести результаты до конкретных чисел, одних только "внутренних ресурсов" термодинамики недостаточно. Необходимо использовать экспериментальные или теоретические результаты, которые учитывают природу рабочего тела в реальной термодинамической системе. Если, например, воспользоваться опытными данными о плотности вещества, то с помощью термодинамического анализа можно вычислить его теплоемкость и т. д. 10 Таким образом, термодинамические исследования основываются на фундаментальных законах природы. В то же время инженерные расчеты в термодинамике невозможны без использования данных опытов или результатов теоретических исследований физических свойств рабочих тел. 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры Мы назвали термодинамической системой любое тело или систему тел, находящихся во взаимодействии между собой и(или) с окружающей средой (в такую систему могут, в частности, входить рабочие тела энергетических машин). В определении не уточняется, что именно считать термодинамической системой, а что - окружающей средой. Можно, например, термодинамической системой считать само рабочее тело, а “все остальное” полагать окружающей средой; можно выделить только часть тела, а окружающей средой считать оставшуюся часть и все другие тела. Можно, наоборот, расширить термодинамическую систему - включить в нее, кроме первого тела, несколько других, а все прочие тела считать окружающей средой. Такое расширение или сужение круга объектов, составляющих термодинамическую систему, позволяет выяснить важные особенности рабочих тел и энергетических взаимодействий между ними. Известно, что одно и то же вещество может находиться в жидком, газообразном или твердом состоянии. При этом, естественно, различными будут и свойства этого вещества, этой термодинамической системы, например, плотность, коэффициент объемного расширения, магнитная проницаемость, скорость звука и т. д. Все эти, а также другие величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния. Их очень много; традиционно выделяют

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Предметиметодтермодинамики

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных про-

цессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловы-

ми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объ-

ект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несо-

измеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче-

скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопические системы, термодинамика изучает за-

кономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огром-

ного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микро-

структурных частиц (молекул, атомов, ионов).

Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическими термодинамическим методами. Статистический метод основан на использовании тео-

рии вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет со-

влечения модельных представлений о структуре вещества и является феномено-

логическим (т. е. рассматривает «феномены» - явления в целом).

При этом все основные выводы термодинамики можно используя только два основных эмпирических закона термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодинамического метода мы будем для нагляд-

ности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.

Термодинамическая система

Т е р м о д и н а м и ч е с к а я система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой . Систему отделяют от окру-

жающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней сре-

дой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки ци-

линдра и поршень.

Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осу-

ществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также электрические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет совершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодинамики, но нами в дальнейшем рассматриваться не будут). В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровож-

дается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе тепло-

ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В

рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.

В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом

(массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой . Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах - примеры открытых систем. Если веще-

ство не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальней-

шем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые сис-

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с ок-

ружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатной. Приме-

ром адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покры-

ты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в

сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве-

ществом, называется изолированной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осу-

ществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе го-

рючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

Термодинамическиепараметрысостояния

Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исче-

зающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодей-

ствуют друг с другом лишь при соударениях.

Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с по-

верхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением

где n - число молекул в единице объема;

т - масса молекулы;с 2 - средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.

В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях

(1Па=1 Н/м2 ). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа = 1000 Па и

1 МПа=106 Па.

Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.

Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, пред-

ставляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р изме-

ряемой среды и атмосферным давлением p атм , т.е.p изб p атм p

Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум-

метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума):

р в р атм р, т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным.

Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление.

Именно оно входит в термодинамические уравнения.

Температурой называется физическая величина, характеризующая сте-

пень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения:

если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их темпе-

ратур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры рав-

ны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с

где k - постоянная Больцмана, равная 1,380662 10ˉ23 Дж/К. Температура T,

определенная таким образом, называется абсолютной .

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широ-

ко применяется градус Цельсия (°С). Соотношение между абсолютной Т и стогра-

дусной t температурами имеет вид

T t 273,15.

В промышленных и лабораторных условиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, пирометров, термопар и других приборов.

Удельный объем v - это объем единицы массы вещества.Если од-

нородное тело массой М занимает объемv, то по определению

v= V/М.

В системе СИ единица удельного объема 1 м3 /кг. Между удельным объемом вещества и его плотность существует очевидное соотношение:

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях,

вводится понятие «нормальные физические условия»: p =760 мм рт.ст.= 101,325 кПа;T =273,15K.

В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные

от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (p = 735,6 мм

рт.ст.= 98 кПа, t =15˚C) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (p =101,325 кПа,t =20˚С) и т. д.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояниесистемыназываетсяравновесным .

Если между различными точками в системе существуют разности темпера-

тур, давлений и других параметров, то она является неравновесной . В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что

изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.

Уравнение состояния

Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением со-

стояния . Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление про-

стейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термическим уравнением состояния видаf (p ,v ,T ) 0.

Уравнению состояния можно придать другую форму: p f 1 (v ,T );v f 2 (p ,T );

T f 3 (p, v);

Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых.

Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не может быть получено в рамках термодинамики и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической физи-

ки. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств веще-

Уравнениесостояния идеальныхгазов

Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p nkT .

Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следова-

Постоянную величину Nk, отнесенную к 1 кг газа, обозначают буквойR и на-

зывают газовой постоянной . Поэтому

Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона.

Умножив (3) на М, получим уравнение состояния для произвольной массы газа

Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести га-

зовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в кило-

граммах численно равна молекулярной массе μ. Положив в (1.4) М= μ иV=V μ , полу-

чим для одного моля уравнение Клапейрона - Менделеева:

pV RT .

Здесь V - объем киломоля газа, аR - универсальная газовая постоянная.

В соответствии с законом Авогадро (1811г.) объем 1 кмоля, одинаковый в од-

них и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физических усло-

виях равен 22,4136 м3 , поэтому

Термодинамическийпроцесс

Изменение состояния термодинамической системы во времени называется

термодинамическим процессом . Так, при перемещении поршня в цилиндре объём, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться,

будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.

Как уже отмечалось, система, выведенная из состояния равновесия, и пре-

доставленная при постоянных параметрах окружающей среды самой себе, через не-

которое время вновь придет в равновесное состояние, соответствующее этим пара-

метрам. Такое самопроизвольное (без внешнего воздействия) возвращение системы в состояние равновесия

называется релаксацией , а промежуток времени, в течение которого систе-

ма возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации .

Для разных процессов он различно: если для установления равновесного давления в газе требуется всегда, то для выравнивания температуры в объеме того же газа нуж-

ны десяти; минут, а в объеме нагреваемого твердой тела - иногда несколько часов.

Термодинамический процесс называется равновесным , если все пара-

метры системы при его протекании меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равновесия с окружающей средой, чем и определяется название процесса.

Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров системы dA d должна удовлетворять соотношению

dA d c релД A рел

где А - параметр, наиболее быстро изменяющийся в рассматриваемом про-

цессе; с рел - скорость изменения этого параметра в релаксационном процессе;τ рел -

время релаксации.

Рассмотрим, например, процесс сжатия газа в цилиндре. Если время смещения поршня от одного положения до другого существенно превышает время релаксации,

то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выровняться по

всему объему цилиндра.

Это выравнивание обеспечивается непрерывным столкновением молекул, в

результате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав-

номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня будут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным. Таким образом, равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последовательных состояний равновесия, поэтому в каждой его точке состояние термодинамической системы можно описать уравнением состояния данного рабочего тела. Именно поэтому классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процессами. Они являются удобной идеализацией реальных процессов, позволяющей во многих случаях существенно упростить решение задачи. Такая идеализация вполне обоснована, так как условие

(1.8) выполняется на практике достаточно часто. Поскольку механические возму-

щения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа и цилинд-

ре будет равновесным, если скорость перемещения поршня много меньше скорости звука.

Процессы, не удовлетворяющие условию dAd cрел Д A рел , протекают с нарушением равновесия, т. е. являютсянеравновесными . Если, например, быстро увеличит температуру окружающей среды, то газ в цилиндре будет постепенно про-

греваться через его стенки, релаксируя к состоянию равновесия, соответствующему новым параметрам окружающей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружающей средой и его нельзя характеризовать уравнением состоя-

ния хотя бы потому, что в разных точках объема газа температура имеет различные значения.

Раздел 1. Термодинамика.

Введение.

Основы технической термодинамики.

Безопасность технологических процессов и производств на воздушном транспорте в узком смысле означает обеспечение безопасности полётов (БП), под которой обычно подразумевается способность авиационной транспортной системы (совокупность летательного аппарата (самолёта, вертолёта), экипажа, служб подготовки и обеспечения полётов, управления воздушным движением) осуществлять воздушные перевозки без угрозы для жизни и здоровья людей.

На исход полёта влияет большое количество факторов, закономерности возникновения которых весьма сложны и изучаются в различных науках: теплотехнике, газовой динамике, теории авиационных двигателей и др.

Термодинамика, являясь разделом теоретической физики, представляет собой одну из самых обширных областей современного естествознания – науку о превращениях различных видов энергии друг в друга. Эта наука рассматривает самые разнообразные явления природы и охватывает огромную область химических, механических и физико-химических явлений.

Теплотехника – общая профессиональная (общетехническая) дисциплина, изучающаяметоды получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и рабочие процессы тепловых машин, аппаратов и устройств и др. Теплотехника базируется на сведениях из технической термодинамики, теплообмена и массообмена.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и является (вместе с теорией теплообмена и массообмена) теоретическим фундаментом теплотехники. На её основе осуществляется расчёт и проектирование тепловых двигателей – паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, а также всевозможного технологического оборудования – компрессоров, сушильных и холодильных установок и т.д.

Газовая динамика изучает открытые термодинамические системы , в которых рабочее тело представляет поток газа. На постулатах и выводах газовой динамики осуществляется конструирование каналов, лопаток турбомашин и других устройств.

Теория авиационных двигателей изучает схемы, принцип действия различных типов газотурбинных и поршневых двигателей (ГТД и ПД) и их элементов, а также эксплуатационные характеристики ГТД и ПД и их элементов. ГТД широко распространены в гражданской авиации вследствие их большой мощности при малых габаритах и массе, а также из-за использования дешёвых сортов топлива (керосина).

Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является составной частью учебного плана подготовки инженера-механика по специальности «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиадвигателей» для всех форм обучения. Дисциплина состоит из двух самостоятельных разделов:

Техническая термодинамика;

Теплопередача.

Техническая термодинамика является частью термодинамики – раздела теоретической физики. Объектом исследований технической термодинамики являются авиационные двигатели – тепловые машины, в которых изучаются закономерности взаимного превращения теплоты в работу, устанавливается взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, имеющими место в тепловых машинах.

Техническая термодинамика начала развиваться с 20-х годов XIX столетия, но, несмотря на свою сравнительную молодость, она заслуженно занимает в настоящее время одно из центральных мест среди физических и технических дисциплин.

В теоретической части техническая термодинамика является общим отделом, науки об энергии, а в прикладной части представляет собой теоретический фундамент всей теплотехники, изучающей процессы, протекающие в тепловых двигателях.

В термодинамике используются два метода исследования: метод круговых процессов и метод термодинамических функции и геометри­ческих построений. Последний метод был разработан и изложен в клас­сических работах Гиббса. Этот метод получил за последнее время ши­рокое распространение.

В начале второй половины XVIII в. была решена очень важная тех­ническая задача – был создан универсальный тепловой двигатель для промышленности и транспорта. Первую паровую машину изобрел русский инженер И. И. Ползунов. Она была построена уже после его смерти в 1766 г., т. е. почти за 20 лет до паровой машины Джемса Уатта. И. И. Ползунов не только создал первую в мире паровую машину, но и изобрел к ней распределительное устройство и впервые осуществил автоматическое питание парового котла.

До 50-х годов XIX столетия наука рассматривала теплоту как осо­бое, невесомое, неуничтожаемое инесоздаваемое вещество – тепло­род. Одним из первых, кто опроверг эту теорию, был М. В. Ломоносов. В 1744 г. в своей диссертации «Размышление о причине теплоты и хо­лода» он писал, что теплота состоит во внутреннем движении собствен­ной материи и указывал, что огонь и теплота состоят во вращатель­ном движении частиц, из которых состоят все тела. Тем самым в своих работах М. В. Ломоносов заложил основы механической теории теплоты. Однако Ломоносов не был понят современниками. Еще дол­гое время физики продолжали толковать о теплороде. Только, к сере­дине XIX в. механическая теория теплоты в результате работ целого ряда ученых находит повсеместное признание, становится основой всей термодинамики.

Теплопередача– это наука, изучающая процессы переноса теплоты (теплообмена) в пространстве с неоднородным температурным полем. В зависимости от характера теплообмена перенос теплоты может быть назван теплопроводностью (например, через стенки корпуса), конвекцией (например, при охлаждении турбинных лопаток воздухом) и излучением (например, при горении топливовоздушной смеси от пламени к стенкам жаровой трубы в камере сгорания).

Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и механической работы в теплоту, дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них, и позволяет выявлять их экономичность для каждого типа отдельно.

Термодинамический расчёт теплофикационного цикла

Термодинамические основы теплофикации

Как известно, тепловые двигатели, по самому определению, предназначены для преобразования хаотической формы передачи энергии (в виде теплоты) в упорядоченную форму (механическое перемещение, электричество и др.). Однако кроме упорядоченной формы энергии человечество в своей деятельности нуждается также и в теплоте, в частности для отопления и осуществления всевозможных технологических процессов (приготовление пищи, сушка, химическая технология, металлургия и т.д.).

На первый взгляд может показаться, что проблема экономического совершенствования теплоснабжения к технической термодинамике как науке о совершенствовании тепловых двигателей не имеет прямого отношения, однако это не так. Дело в том, что теплота как одна из форм передачи энергии кроме количества, измеряемого в джоулях, обладает также и качеством, а именно потенциалом, т.е. температурой. В самом деле, мало кого заинтересует большое количество теплоты, подводимой в жилое помещение при температуре 10…12 о С. С другой стороны, температура горения большинства из органических топлив, будь то дрова, уголь, газ, нефть и т.д., является слишком высокой для того, чтобы быть непосредственно используемой в целях отопления, либо для других технологических процессов. Техническая термодинамика указывает на один из возможных путей рационального использования «тепловой энергии» (заметим, что это устоявшееся в обиходе словосочетание не является корректным с точки зрения термодинамики; следует иметь в виду, что речь должна идти о передаче энергии в форме теплоты). Поскольку обычно используемый в целях отопления потенциал теплоты (температура) составляет 50…150 о С (330…430 К), а температура горения топлива (температура факела) составляет величину порядка 1500…2000 о С (1800…2300 К), то представляется весьма рациональным осуществить между этими температурными уровнями (потенциалами) цикл какого-либо теплового двигателя, уменьшив тем самым эксергетические потери, т.е. потери, связанные с необратимым теплообменом между обогреваемым помещением и источником теплоты. Такая совместная выработка упорядоченной формы энергии (как правило, электрической) и теплоты для производственных нужд и отопления помещений получила название теплофикация .

Покажем, что совместная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) всегда более экономична с термодинамической точки зрения, нежели раздельная выработка. Для этого рассмотрим диаграмму , на которой условно изобразим температурные уровни для различных процессов подвода и отвода теплоты (рис. III.27). Точки над величинами в диаграмме обозначают полную производную по времени, т.е. мы будем сравнивать мощности различных схем выработки тепловой и электрической энергии. При этом мы не будем учитывать неизбежные в таких установках потери, так как их учёт не повлияет на ход рассуждений, хотя заметно усложнит анализ.

Раздельная выработка тепловой и электрической энергии представлена на рис. III.27 диаграммами и . В отопительной котельной продукты сгорания топлива отдают теплоту в процессе в количестве теплоносителю (как правило, воде), который через тепловые сети подаётся потребителю, обеспечивая тепловую нагрузку (без учёта потерь). Электрическая нагрузка N обеспечивается паросиловой установкой, работающей по циклу Ренкина со сбросом теплоты охлаждающей воде в конденсаторе. Такая установка получила название конденсационной .

Общий расход теплоты в котельной и в конденсационной установке при заданных тепловой и электрической нагрузках будет тогда определяться суммой

При совместной выработке тех же количеств тепловой и электрической энергии тепловая мощность парогенератора будет равна (также без учёта потерь)

Разность выражений и даёт экономию тепла (а значит топлива)

Теплофикация получила широкое распространение на тепловых и атомных электростанциях, питающих электроэнергией и теплом большие населённые пункты и крупные энергоёмкие производства. При этом в энергетической практике используются две схемы теплофикационных циклов – с противодавлением и с отбором пара на теплофикацию.

Термодинамический расчёт теплофикационного цикла

С противодавлением

Принципиальная схема теплофикационной установки с противодавлением и диаграмма T–s цикла представлены на рис. III.28.

Схема теплофикационной установки с противодавлением конструктивно не отличается от схемы обычной конденсационной установки за исключением того, что в установке с противодавлением давление отработавшего пара на выходе из турбины поддерживается достаточно большим (отсюда название противодавление ), настолько, чтобы температура отработавшего пара составляла 150…180 о С (давление насыщения при этом составляет 5…10 бар). По этой причине в установке с противодавлением конденсатор заменяется менее громоздким теплообменником, носящим название бойлер (англ.boiler – котёл , кипятильник , испаритель ).

Приведём алгоритм термодинамического расчёта теплофикационного цикла с противодавлением с учётом потерь в парогенераторе, турбине, механических и электрических потерь и потерь в тепловых сетях. Все эти потери численно оцениваются с помощью коэффициентов η пг, , η мех, η эл, η тс.

С помощью диаграммы h–s или с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара находим стандартным образом удельные энтальпии h 1 , h 2 , h 3 . Далее, исходя из определения относительного внутреннего КПД турбины, находим действительное значение удельной энтальпии отработавшего пара

Считая бойлер идеально теплоизолированным, из его теплового баланса находим массовый расход пара в установке, обеспечивающий заданную тепловую нагрузку,

Мощность установки с учётом перечисленных потерь будет

Подведённое в парогенераторе тепло к рабочему телу

а тепловая мощность парогенератора с учётом потерь η пг будет равна

что позволяет вычислить расход топлива при известном значении его теплотворной способности

«А.Т. Манташов ТЕПЛОТЕХНИКА Часть I Термодинамика и теплопередача Учебное пособие Пермь 2009 УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7 М.23 Рецензент: Кандидат технических наук, доцент Пермской...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени

академика Д.Н.Прянишникова»

А.Т. Манташов

ТЕПЛОТЕХНИКА

Термодинамика и теплопередача

Учебное пособие

УДК 631.371 (075.8)

Рецензент:

Кандидат технических наук, доцент Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н.Прянишникова В.С. Кошман Манташов А.Т.

М 23 Теплотехника. Часть I Термодинамика и теплопередача; Учебное пособие. – Пермь: Изд-во ПГСХА, 2009 – 184 с.

В настоящем учебном пособии изложена часть 1 дисциплины “Теплотехника”, утвержденной Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, в качестве обязательной при подготовке дипломированного специалиста 660300 Агроинжинерии. В часть дисциплины включены разделы “Техническая термодинамика” и “Основы теории теплообмена”. Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения по специальностям: 110 301 – “Механизация сельского хозяйства”, 280 101 – “Безопасность жизнедеятельности в техносфере”,. 110 304 – “Технология обслуживания и ремонта машин в АПК” и 190603 – “Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в автомобильном транспорте)”.

Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета ПГСХА (протокол № 4 от « 10 » декабря 2008 года) УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7 © «ФГОУ ВПО. Пермская ГСХА»

Раздел 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА…………………………………….

Глава 1.Законы термодинамики …………………………………………………………………….

1.1.Исходные определения и понятия ……………………………………..

1.1.1.Термодинамическая система ………………………………………… 1.1.2. Термодинамические параметры ……………………………………..

1.1.3. Состояние термодинамической системы …………………………...

1.1.4. Энергия термодинамической системы ……………………………...

1.1.5. Теплота и работа - формы энергообмена …………………………...

1.2. Законы термодинамик ………………………………………………… 1.2.1. Первый закон термодинамики ……………………………………….

1.2.2. Второй закон термодинамики ………………………………………..

1.2.3. Энтропия. Математическое выражение второго закона 31 термодинамики ……………………………………………………………... 31 1.2.4. Эксергия

–  –  –

Глава 2. Термодинамические свойства рабочих тел …………………….

2.1. Рабочее тело тепловых машин ………………………………………...

2.1.1. Газ как рабочее тело ………………………………………………….

2.1.2. Газовые смеси ………………………………………………………...

2.2. Теплоемкость газов и газовых смесей ………………………………..

2.2.1. Понятие теплоемкости ……………………………………………… 2.2.2. Теплоемкости сp и сv ……………………………………………….

2.2.3. Зависимость теплоемкости от температуры ………………………..

2.2.4. Теплоемкость газовых смесей ……………………………………….

2.3. Термодинамические процессы ………………………………………..

2.3.1. Понятие термодинамического процесса ……………………………

–  –  –

Глава 4. Термодинамика газового потока …………………………………

4.1. Уравнения и параметры движущегося газа …………………………..

4.1.1. Уравнение энергии …………………………………………………...

4.1.2. Параметры торможения ……………………………………………... 77 4.1.3.Уравнение скорости движения газа …………………………………. 77 4.1.4.Уравнение расхода ……………………………………………………

4.2. Течение газа в каналах ………………………………………………… 80 4.2.1. Уравнение обращения воздействия ………………………………… 4.2.2.Течение газа в соплах Лаваля ………………………………………... 85 4.2.3.Дросселирование газа и пара ………………………………………… 87 Глава 5. Циклы тепловых машин …………………………………………..

5.1. Цикл Карно ……………………………………………………………...

5.2. Идеальные циклы поршневых ДВС …………………………………..

5.2.1. Цикл ДВС с изохорным подводом тепла …………………………..

–  –  –

…………………………..

5.3. Идеальный цикл газотурбинного двигателя ………………………….

5.4. Цикл паросиловой установки …………………………………………

5.5. Цикл универсальной тепловой машины Стирлинга …………………

5.6. Циклы компрессоров …………………………………………………...

5.6.1. Способы получения высоких давлений газов ……………………...

5.6.2. Поршневой компрессор и его показатели …………………………..

5.6.3. Идеальный цикл одноступенчатого поршневого компрессора 107 …… 107 5.6.4. Идеальный цикл многоступенчатого компрессора ……………….. 109

5.7. Циклы холодильных машин ………………………………………….. 109 5.7.1.Способы получения низких температур …………………………….

5.7.2. Цикл паровой компрессорной холодильной машины …………….. 113 5.7.3. Цикл абсорбционной холодильной машины ………………………. 113

5.8. Цикл теплового насоса ………………………………………………… 115 Раздел II. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА ………………………...

–  –  –

7.2.1. Подобные процессы теплоотдачи …………………………………...

7.2.2. Критерии теплового подобия ………………………………………..

7.2.3. Критериальные уравнения …………………………………………... 153

7.3. Теплоотдача при естественной конвекции ………………………….. 153

7.4. Теплоотдача при вынужденной конвекции ………………………….. 1 7.4.1. Теплоотдача в прямолинейных каналах 155 ……………………………. 157 7.4.2. Теплоотдача на начальном участке канала ………………………… 7.4.3. Теплоотдача в изогнутых каналах ………………………………….. 161 7.4.4. Теплообмен потока с преградами …………………………………... 161 7.4.5. Теплоотдача в газоходах ……………………………………………. 163

7.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителя. 165 7.5.1. Конвективный теплообмен при кипении …………………………...

7.5.2.Теплоотдача при конденсации пара ………………………………… Глава 8. Лучистый теплообмен …………………………………………….

8.1. Закономерности лучистого теплообмена ……………………………..

8.1.1.Понятие лучистой энергии …………………………………………..

8.1.2. Законы теплового излучения ………………………………………...

8.2. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой …………………………………………………………………...

8.3. Лучистый теплообмен в камерах сгорания …………………………..

Глава 9. Теплопередача и теплообменные аппараты …………………….

9.1. Уравнение теплопередачи ……………………………………………..

9.2. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки …………..

9.3. Теплопередача через оребренную стенку …………………………….

9.4. Интенсификация теплопередачи ………………………………………

9.5. Тепловая защита ……………………………………………………..…

9.6. Теплообменные аппараты ……………………………………………..

9.6.1. Устройство и классификация теплообменных аппаратов ………… 9.6.2. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов …………….

9.7.Тепловые трубы ………………………………………………………… Библиографический список ………………………………………………...

Приложение …………………………………………………………………

6 Предисловие

Современный сельскохозяйственный комплекс – это сложный технический и технологический объект. Он оснащен различного рода энергетическими установками, тепловыми машинами, техническими системами и т.п.

Их функционирование связано с такими видами энергии, как химическая, тепловая, механическая и др.

Для освоения этой техники, грамотной ее эксплуатации и готовности к замене модифицированными образцами необходимо знать:

– законы и способы преобразования природных энергоресурсов в непосредственно используемые виды энергии: тепловую, механическую и др.;

– закономерности взаимопреобразования двух форм энергообмена – теплоты и работы в технических устройствах и системах;

– сущность и закономерности процессов, происходящих с рабочими веществами, участвующими в энергообмене;

– принцип действия и оценку эффективности машин и аппаратов для преобразования или передачи тепловой энергии;

– основы теории и инженерные методы расчетов теплопередачи в теплонапряженных устройствах и конструкциях машин и технических систем.

Т е п л о т е х н и к о й называют научную дисциплину и отрасль техники, охватывающие методы и способы преобразования различных видов энергии в теплоту, ее транспортирование и использование при помощи тепловых машин, аппаратов и установок.

Для специалистов сельскохозяйственного производства дисциплина “Теплотехника” по своему содержанию делится на две сомостоятельные части: – теоретические основы теплотехники (термодинамика и теплопередача) и – теплоэнергетика сельскогохозяйственного производства.

Автор настоящей книги, на основе многолетнего опыта чтения курса “Термодинамика и теплопередача” сделал попытку создать краткое учебное пособие по первой части дисциплины “Теплотехника”, соответсвующее в полном объеме ее программе по специальности 660300 Агроинженерии.

Целью данного пособия является получение будущими специалистами теоретических знаний по части программы дисциплины, включающей техническую термодинамику и основы теории теплообмена.

В разделе первом предложен своеобразный подход к понятию термодинамической системы, к изложению термодинамических и калорических параметров состояния; подробно рассмотрены термодинамические процессы, диаграммы состояния систем и их прикладное значение; проведен анализ циклов наиболее распространенных тепловых двигателей. Рассмотрен принцип работы и цикл одного из перспективных тепловых двигателей – двигателя стирлинга.

Во втором разделе при рассмотрениии видов переноса тепла в пространстве (теплопроводности, конвективноого и лучистого теплообменов) существенное внимание уделено природе этих процессов и их методам расчета; подробно проанализированы способы теплозащиты, теплоизоляции и интенсификации теплопередачи.

В приложении приведены данные справочного характера, позволяющие рассмотреть конкретные прикладные задачи.

Наименования величин и единиц, их определения и обозначения соответствуют государственному стандарту “Единицы физических величин”, сборникам рекомендованных терминов Комитета научно-технической терминалогии АН РФ по термодинамике и теплообмену.

Замечания читателей, направленные на улучшение учебного пособия, будут приняты автором с признательностью.

8 Раздел 1 Техническая термодинамика

Слово “термодинамика” в переводе с греческого – движущая сила тепла (“терме” – тепло, жар, огонь; “динамис” – сила, работа). Впервые это словосочетание в указанном смысле применил французский инженер С. Карно (1796-1832) в своей работе “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу”, опубликованной в 1824 г.

Термодинамике этого периода отводилась роль науки, изучающей переход теплоты в механическую работу, что диктовалось необходимостью создания теоретических основ работы тепловых машин. Она развивалась, когда еще не сложились представления о внутренней структуре материи. Поэтому методы исследования основывалась на изучении самых общих зависимостей между физическими величинами, которые можно было определить непосредственными измерениями, не прибегая к анализу взаимодействия между отдельными частицами материи. Уже к концу ХIХ столетия сформулировались основные понятия и законы термодинамики. Это явилось отправным пунктом для построения логического и математического аппарата т е р м о- д и н а м и ч е с к о г о м е т о д а исследования явлений, происходящих в материальных системах при взаимопреобразованиях теплоты и работы. Таким образом, сущность т е р м о д и н а м и ч е с к о г о метода состоит в анализе условий и установлении количественных связей между физическими величинами в системах, служащих для взаимного преобразования различных видов энергии.

Раздел теоретической физики, в котором физические свойства макроскопических систем изучаются с помощью термодинамического метода, именуют т е р м о д и н а м и к о й. Строго говоря, термодинамика – это наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими системами. То направление термодинамики, где рассматриваются процессы в энергетических системах и установках, связанные с такими формами энергообмена, как т е п л о т а и р а б о т а, а также свойства тел, участвующих в этих процессах, именуется т е х н и ч е ск о й т е р м о д и н а м и к о й.

Развитие технической термодинамики связано с такими именами отечетственнных и зарубежных ученых, как Михаил Васильевич Ломоносов, Дмитрий Иванович Менделеев, Александр Александрович Радциг, Вячеслав Владимирович Сушков, Василий Игнатьевич Гриневецкий, Михаил Петрович Вукалович, Андрей Станиславович Ястржемский, Николай Леонард Сади Карно, Бенуа Поль Эмиль Клапейрон, Роберт Майер, Джеймс Прескотт Джоуль, Виллиам Томсон (Кельвин), Рудольф Клаузиус, Уильям Джон Ренкин и др

Глава 1 Законы термодинамики

Исходные определения и понятия 1.1.

1.1.1. Термодинамическая система Материальное тело, выделенное в качестве объекта исследования термодинамическим методом, называется т е р м о д и н а м и ч ес к о й с и с т е м о й.

За термодинамическую систему может приниматься и совокупность материальных тел, способных взаимодействовать между собой и с другими телами.

Все, что не включено в систему, но может взаимодействовать с ней (обмениваться энергией и веществом), представляет собой о к р у ж а ющ у ю с р е д у. Поверхность раздела между системой и окружающей средой принято называть к о н т р о л ь н о й п о в е р х н о с т ь ю. Термодинамическая система формируется в соответствии с решаемой задачей. Пространственные размеры термодинамической системы и время ее существования предполагаются достаточными для проведения измерений. Примерами термодинамических систем могут служить: газ в цилиндре поршневого компрессора; продукты сгорания в тракте газотурбинного двигателя; хладагент в агрегатах паровой компрессорной холодильной машины и т.д.

В зависимости от возможных способов изоляции системы от внешней среды различают несколько видов термодинамических систем. Если термодинамическая система обменивается с окружающей средой веществом, то такую систему называют о т к р ы т о й. У закрытых систем обмен веществом отсутствует. Среди закрытых систем выделяют э н е р г о и з о л и р о- в а н н ы е – такие, которые не обмениваются с окружающей средой никакими видами энергии. Кроме того, закрытые системы могут быть а д и а- б а т н ы м и – они не обмениваются с окружающей средой энергией только в форме теплоты.

Строго говоря, понятия изолированных и адиабатных систем являются абстрактными. Необходимо отметить, что использование научных абстракций при анализе свойств исследуемых систем является характерным для термодинамики.

Тела, входящие в термодинамическую систему, могут находиться в твердом, жидком, газообразном и ионизированном фазовых состояниях.

Термодинамическую систему, состоящую из одной фазы, называют г о м ог е н н о й, а систему, состоящую из различных фаз, разграниченных поверхностями раздела, – г е т е р о г е н н о й.

10 Вообще говоря, любую термодинамическую систему следует рассматривать как совокупность микрочастиц (агрегатов молекул, молекул, атомов, электронов и т.д.). Все частицы находятся в состоянии движения, и между ними существуют силы взаимодействия. У тел в твердом состоянии силы взаимного притяжения молекул очень велики, вследствие чего тело имеет определенную форму. У тел в жидком состоянии межмолекулярные связи ослаблены до такой степени, что тело принимает форму сосуда, в котором оно находится. В газообразных телах молекулы находятся на столь больших расстояниях друг от друга, что межмолекулярные силы весьма малы, и поэтому газ стремится к беспредельному расширению.

В данном разделе будут рассматриваться в основном гомогенные системы, состоящие из газообразной фазы.

Совокупность физических свойств, присущих рассматриваемой системе, называют с о с т о я н и е м системы. Величины, характеризующие физические свойства, именуют п а р а м е т р а м и с о с т о я н и я. В зависимости от способа определения их численных значений параметры состояния делятся на т е р м о д и н а м и ч е с к и е и к а л о р и ч е с к и е.

К термодинамическим относят те параметры состояния, которые определяются путем измерений (давление, температура, объем).

Калорические параметры также описывают состояние системы, но их значения определяются только расчетным путем (например, энтальпия, энтропия и др.). Особенностью калорических параметров является то, что их изменение зависит только от начальных и конечных состояний системы. По этой причине калорические параметры состояния еще называют ф у н кц и я м и состояния.

Параметры состояния обладают либо свойствами и н т е н с и в н о ст и, либо свойствами э к с т е н с и в н о с т и (а д д и т и в н о с т и).

Интенсивный (с лат. – усиленный) параметр как для всей системы, так и для отдельных ее частей одинаков, он не зависит от количества вещества в системе. К интенсивным параметрам состояния относят температуру, давление и др.

Экстенсивный или аддитивный (с лат. – получаемый сложением) – это тот параметр системы, который вычисляется как сумма идентичных параметров отдельных ее частей. Так как количество вещества в системе равно сумме количеств веществ отдельных ее частей, то термодинамические параметры, пропорциональные количеству вещества в данной части системы, относятся к экстенсивным. Примерами экстенсивных параметров состояния являются внутренняя энергия, энтропия и др.

Будучи отнесены к количеству вещества, экстенсивные величины перестают зависеть от размеров системы, и приобретают свойства интенсивных величин.

Для выражения значений термодинамических величин следует использовать основные и производные, кратные и дольные величины Международной системы единиц (СИ). В табл.1 Приложения приведены основные и производные единицы величин, используемые в теплотехнике.

1.1.2. Термодинамические параметры К термодинамическим параметрам состояния относят т е м п е р а т ур у, д а в л е н и е, у д е л ь н ы й о б ъ е м и п л о т н о с т ь.

Температура Понятие температуры является одним из важнейших в теплотехнике.

С молекулярно-кинетической точки зрения температура характеризует интенсивность движения структурных частиц системы. Более строгое определение температуры как физической величины дается при рассмотрении второго закона термодинамики.

Температура – это термодинамический параметр, определяющий тепловое состояние системы. Численное значение температуры является мерой отклонения состояния данного тела от теплового равновесия с другим телом, состояние которого принято за начало отсчета.

Температура системы измеряется с помощью различных по принципу действия термометрических устройств. При этом на шкалах этих устройств регистрируется не интенсивность теплового движения микрочастиц, а изменение физического свойства чувствительного элемента, находящегося в тепловом соприкосновении с системой, например, изменение объема жидкости или газа при нагревании; зависимость электрического сопротивления металла от температуры и др. Шкала таких устройств имеет температурную градуировку. Градуировка производится путем деления разности показаний устройства в двух произвольно выбранных постоянных температурных точках на некоторое число равных частей, называемых г р а д у с а м и. Так как выбор постоянных температурных точек произволен, то существует несколько температурных шкал. Для численного определения температуры в единицах СИ установлено две температурные шкалы: т е р м о д и н а м и ч е с= к а я и Международная п р а к т и ч е с к а я (МПТШ) с одинаковой ценой деления шкалы – градусом.

В термодинамической температурной шкале за начало отсчета принимается наинизшая температура, при которой возможно полное прекращение теплового движения микрочастиц. Эта точка отсчета называется а б с о л ю т н ы м н у л е м температуры. Термодинамическая температура обозначается Т, за единицу температуры принят кельвин (К).

По МПТШ за нуль отсчета принимается температура тройной точки воды; за 100 делений шкалы – температура точки кипения воды. Эта градуировка соответствует температурной шкале, предложенной в 1742 г. шведским физиком А. Цельсием, по которой температура обозначается t и за единицу принимается градус Цельсия (оС).

–  –  –

р**абс. рбар. Отсюда р*абс = ризб + рбар и р**абс = рбар – рраз.

Иногда используются внесистемные единицы давления: бар; мм рт.ст.;

мм вод. ст.; техническая атмосфера (ат); физическая атмосфера (атм). Численные соотношения между единицами давления приведены в табл.2 Приложения. Ниже внесистемные единицы выражены через паскаль.

1 бар = 1 105 Па = 1 105 Н/м2; 1 мм рт.ст. = 133,3 Па;

1 мм вод. ст. = 9,81 Па; 1 бар = 750 мм рт.ст.;

1 1ат = 1 кг/см = 735,6 мм рт.ст. = 0,981 105 Па;

–  –  –

где – плотность, кг/м.

Очевидно, что плотность системы – величина, обратная ее удельному объему.

Массу системы и ее объем, как правило, не относят к параметрам состояния, но определенные с их помощью v и являются термодинамическими параметрами.

1.1.3. Состояние термодинамической системы Состояние термодинамической системы описывается совокупностью термодинамических и калорических параметров, по которым можно отличить данную систему от других, а также проследить за изменениями, возникающими в системе при ее взаимодействии с окружающей средой.

Если термодинамическая система закрытая и энергоизолированная, то с течением времени внутри системы между различными ее частями прекращается обмен энергией и веществом, одноименные параметры во всех точках системы принимают одинаковое значение. Такое состояние системы называется р а в н о в е с н ы м. При невыполнении указанных условий состояние системы является н е р а в н о в е с н ы м.

Понятие равновесного состояния играет в термодинамике чрезвычайно важную роль: только равновесные состояния термодинамических систем и их изменения могут быть количественно описаны методами термодинамики.

Для задания состояния термодинамической системы иногда используют так называемые “н о р м а л ь н ы е ф и з и ч е с к и е у с л о в и я” (НФУ) или “н о р м а л ьн ы е т е х н и ч е с к и е у с л о в и я” (НТУ).

При нормальных физических (атмосферных) условиях значения температуры и давления равны соответственно t = 0 оС, р = 760 мм рт.ст.

При нормальных технических условиях t = 15 оС и р =735,6 мм рт.ст.

Как отдельные, так все параметры системы могут изменяться. Всякое изменения, происходящее в системе и связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров состояния, называется т е р м о д и н а м и ч е с к и м п р о ц е с с о м.

Процесс изменения состояния системы, который может происходить в случае какого-либо взаимодействия с окружающей средой, представляет собой отклонение от состояния равновесия. Если процесс изменения состояния системы протекает так медленно, что в системе в каждый момент времени успевает установиться практически равновесное состояние, то его можно назвать к в а з и р а в н о в е с н ы м п р о ц е с с о м. Степень приближения квазиравновесного процесса к чисто равновесному будет тем больше, чем медленнее изменяется состояние системы.

Равновесные процессы изменения состояния характеризуются определенными зависимостями термодинамических параметров и поэтому допускают графическое изображение.

Среди различных термодинамических процессов особый интерес представляют так называемые “з а м к н у т ы е” (или к р у г о в ы е) процессы, при которых система, пройдя через ряд последовательных состояний, возвращается в начальное состояние.

1.1.4. Энергия термодинамической системы Энергия Понятие энергии неразрывно связано с материей. Все, что нас окружает, что воспринимается человеком и существует независимо от него, это материя. Необходимым условием существования материи является движение.

И если масса служит количественной характеристикой материи, то энергия является физической мерой ее движения.

Э н е р г и я – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Исторически же сложилось так, что энергию стали классифицировать по формам движения. Механической форме движения соответствует кинетическая энергия; соединению и разложению молекул – химическая энергия;

перемещению электронов в проводниках – электрическая энергия и т.д. Такое разделение энергии на виды удобно для исследования и анализа явлений природы.

Всякая термодинамическая система обладает определенной энергией, которая, независимо от конкретных форм проявления, обозначается Е.

За единицу энергии в СИ принят д ж о у л ь (Дж) – производная единица, определяемая через основные величины. Джоуль – это энергия, затраченная системой при перемещении точки приложения силы 1 Н на расстояние 1 м в направлении действия силы, т.е. 1 Дж = 1 Н 1 м.

Вычислить абсолютное значение энергии термодинамической системы невозможно, нет нуля отсчета энергии. Такое положение не играет существенной роли для практики, потому что при исследовании энергообмена важна не абсолютная величина энергии, а ее изменение. Для отдельных же форм энергии с целью количественной оценки их изменений в процессах устанавливается условное “начало отсчета”.

В общем случае энергия термодинамической системы Е включает в себя кинетическую энергию механического движения тела или тел внутри нее Ек, потенциальную энергию системы во внешнем поле (гравитационном, электромагнитном, сил давления) Еп и в н у т р е н н ю ю энергию (связанную с энергией микрочастиц тел, входящих в систему) Ев:

Е = Ек + Еп + Ев. (1.3) В технической термодинамике, как правило, рассматривают неподвижную в окружающей среде термодинамическую систему, форма и размеры которой могут изменяться. Однако может иметь место и перемещение тел или тела внутри системы со скоростью с. В большинстве случаев гравитационной и электромагнитной составляющими потенциальной энергии пренебрегают. Существенной в таких системах будет потенциальная энергия в поле сил давления, которая выражается через объем и давление:

Еп = pV. (1.4) Величина pV представляет собой энергию, которую нужно было затратить для того, чтобы ввести тело объемом V во внешнюю среду, имеющую повсюду одинаковое давление p.

Внутреннюю энергию Ев в технической термодинамике обозначают U.

Таким образом, энергия системы, рассматриваемой технической термодинамикой, равна кинетической энергии, потенциальной энергии в поле сил давления и внутренней энергии:

с2 Е=m + pV + U. (1.5) Внутренняя энергия Понятие внутренней энергии системы связано с микроскопическим строением последней. Это значит, что систему нужно рассматривать как совокупность большого числа структурных частиц (молекул, атомов, ионов и т.д.). Внутренняя энергия включает в себя энергию хаотичного (теплового) движения всех микрочастиц системы, энергию взаимодействия этих частиц, энергию электронных оболочек атомов. В термодинамической системе, состоящей из идеального газа, учитывается только тепловая энергия микрочастиц, включающая энергию поступательного, вращательного и колебательного движений.

Под внутренней энергией понимают калорический параметр, характеризующий совокупность энергии теплового движения микрочастиц системы.

За единицу внутренней энергии принят джоуль.

Особенностью внутренней энергии U является то, что она однозначно является функцией состояния термодинамической системы. Значение внутренней энергии в каком-либо произвольно выбранном процессе не зависит от того, каким образом система пришла в это состояние. Иначе говоря, изменение внутренней энергии U1-2 при переходе системы из сотояния 1 в состояние 2 не зависит от пути перехода и равно U1-2 = U2 – U1.

В круговых процессах изменение внутренней энергии равно нулю.

–  –  –

Если система неподвижна, то энтальпия равна полной энергии системы объемом V, находящейся под давлением р.

Энтальпия является одной из вспомогательных функций, использование которых значительно упрощает термодинамические расчеты. Она не может быть измерена непосредственно, а определяется, как и внутренняя энергия, только расчетным путем.

Внутренняя энергия и энтальпия характеризуются рядом общих свойств:

–  –  –

Однако удельные значения внутренней энергии и энтальпии относятся к интенсивным параметрам. Удельные массовые значения внутренней энергии и энтальпии вычисляют с помощью соотношений:

u =U/m и i = I/m и выражают в Дж/кг.

1.1.5. Теплота и работа – формы энергообмена Обмен энергией между закрытой термодинамической системой и внешней средой или между телами внутри системы может осуществляться посредством двух качественно различных форм. Одна форма обмена энергией происходит без видимого перемещения тел и системы в целом, другая сопровождается изменением ее размеров или расположения ее тел в пространстве.

Для процессов, изучаемых в технической термодинамике, первый способ передачи энергии может быть реализован только при хаотическом, ненаправленном движении микрочастиц внутри неравновесной системы или при обмене энергией термодинамической системы и окружающей среды, имеющих разные температуры. Такую форму называют т е п л о о б м е н о м.

Для количественной оценки теплообмена введено понятие т е п л о т ы.

Теплота Под теплотой понимают количество энергии, которой термодинамическая система обменивается с окружающей средой микроскопическим путем (теплообменом).

Обмен энергией в форме теплоты возможен и между телами внутри системы.

18 Теплота здесь понимается только как форма передачи энергии, и неверно говорить, что она выражает свойство системы, тем более содержится в системе. Можно говорить о теплоте, подведенной к системе или от нее отведенной, но нельзя говорить об увеличении или уменьшении теплоты в той или иной системе, т.е. не следует путать теплоту и внутреннюю тепловую энергию.

Теплоту обозначают Q. За единицу теплоты принят джоуль. В термодинамике подводимую теплоту принято считать положительной, отводимую – отрицательной.

Вторая форма передачи энергии связана с изменением объема системы и перемещением ее в окружающей среде под воздействием различных силовых полей – гравитационного, упругостного, магнитного; поля сил давления и др. Такая форма энергообмена, реализуемая макроскопическим путем, называется р а б о т о й.

Работа Под работой понимают количество энергии, которой термодинамическая система обменивается с окружающей средой в результате макроскопического, упорядоченного, направленного движения.

Работа обозначается L. За единицу работы принят джоуль.

В термодинамике работу, совершаемую системой по преодолению внешних сил, принято считать положительной, а совершаемую внешними силами над системой - отрицательной. Работа, связанная с увеличением объема системы, называется работой расширения (Lрасш.); с уменьшением объема

– работой сжатия (Lсж.).

Работа процесса В общем случае термодинамическая система может совершать одновременно работу по увеличению своего объема; работу по преодолению внешних сил давления, сил трения; работу по преодолению воздействия гравитационных, магнитных и других полей. Тогда техническая (полезная) работа системы с учетом правила знаков может быть выражена в виде:

Lтех = Lрасш - Lд - Lпр, (1.8) где Lтех – техническая работа системы;

Lрасш – работа расширения;

Lд – работа по преодолению поля сил давления;

Lпр – сумма работ по преодолению сил трения, гравитационных, магнитных и прочих полей.

Выразим работу через термодинамические параметры. Пусть система будет задана в виде объема газа, находящегося в цилиндре под поршнем, рис. 1.2.

Давление газа над поршнем р1. При давлении окружающей среды рн*, равном р1, поршень будет неподвижен. При бесконечно медленном уменьшении давления среды от рн* до рн** поршень переместится из положения 1 в положение 2. Произойдет равновесный процесс расширения газа с совершением работы. Элементарное значение этой работы будет равно силе, действующей на поршень pF, умноженной на перемещение поршня dh, т.е.

dLрасш = pF dh, где F – площадь поршня;

p – давление газа, имеющее величину p1 p p2.

Так как Fdh = dV, то dL расш = pdV.

Проинтегрировав последнее выражение от начального состояния до конечного, получим:

–  –  –

Lтех = – 1 Vdp. (1.11) Обратимся к выражению (1.8). Если сумма работ по определению сил трения, гравитационных, магнитных и прочих полей принять равной нулю, то работа системы при переходе из одного состояния в другое есть не что иное, как работа техническая.

Правые части выражений (1.9) и (1.11) представляют собой определенные интегралы непрерывных и положительных внутри промежутка 1-2 функций. Такие интегралы имеют простое геометрическое истолкование.

Так, интеграл вида 1 p (V)dV численно равен площади под кривой функции p(V), изображенной на графике, рис. 1.3, где по оси ординат отложено давление, а по оси абсцисс – объем. Интеграл – 1 V (P)dp = 2 V (p)dp также численно равен площади под кривой, но уже функции V(p), изображенной в координатах pV, рис.1.4. Отсюда работа расширения численно равна площади, ограниченной кривой процесса 1-2, ординатами V1 и V2 и осью абсцисс, т.е.

Lрасш = F1-2-V2-V1-1.

Техническая работа численно равна площади, ограниченной кривой процесса 1-2, абсциссами p1 и p2 и осью ординат, т.е. Lтех =L 2-P2-P1-1.

–  –  –

Здесь рассматриваются системы, в которых протекают о б р а т и м ы е процессы, хотя в действительности все реальные процессы в той или иной степени н е о б р а т и м ы.

Обратимым называют такой процесс, который может быть осуществлен в обратном направлении через те же состояния и точно с тем же обменом энергии в форме теплоты и работы, что и в прямом напправлении.

Это значит, что Qп р= Qобр и Lп р= Lобр. Если хотя бы одно из условий не выполняется, то процесс необратим. Типичным примером нарушения условия обратимости является протекание процесса при наличии трения, так как результатом трения является необратимое преобразование работы в теплоту.

1.2. Законы термодинамики Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы, сформулированые на основании обобщения результатов множества опытных исследований и открытий. Из этих законов, принимаемых за аксиомы; логическим путем получены все главнейшие следствия, касающиеся различных термодинамических систем, которые именуются н а ч а л а м и или з а к о- н а м и термодинамики.

1.2.1. Первый закон термодинамики Абсолютный по своему существу, один из наиболее общих законов природы – закон сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону, энергия закрытой системы при любых процессах, происходящих в системе, остается неизменной. При этом энергия может только превращаться из одной формы в другую.

Первый закон термодинамики является частным случаем этого всеобщего закона и представляет собой его приложение к процессам в термодинамических системах. Он устанавливает возможность превращения различных форм энергии друг в друга и определяет, в каких количественных соотношениях эти взаимные превращения осуществляются.

Изменение энергии произвольной неизолированной системы может происходить в общем случае только за счет двух форм энергообмена – теплоты и работы:

E = Q –L, (1.12) где E – изменение энергии системы;

Q – теплота, подведенная к системе;

L – работа, совершенная над системой.

Согласно уравнению (1.12), изменение энергии термодинамической системы возможно за счет подведенной к системе теплоты и совершенной над системой работой.

Уравнение (1.12) представляет собой общее аналитическое выражение первого закона термодинамики. Выразим его через параметры состояния системы. Изменение энергии E получим из выражения (1.7):

–  –  –

Для термодинамической системы, в которой разностью кинетической энергии можно пренебречь, изменение энергии системы будет равно изменению энтальпии, т.е. E = I. Тогда с учетом выражений (1.11) и (1.12) получим уравнение первого закона термодинамики в виде:

Q = I + Lтех (1.13) Теплота, подведенная к системе, идет на изменение энтальпии системы и совершение системой технической работы.

Заменим в уравнении (1.13) изменение энтальпии I изменением внутренней энергии U и, используя выражение (1. 6), получим:

Q = U + L расш. (1.14) Уравнения (1.13) и (1.14) представляют собой интегральную форму записи первого закона термодинамики.

Из выражения (1.13) следует, что техническая работа может быть совершена термодинамической системой за счет уменьшения энтальпии и подведенной теплоты. Если процесс круговой, то I = 0, следовательно, в постоянно действующих машинах (в них процессы изменения состояния круговые) для получения технической работы необходимым условием является подведение теплоты.

Аналогичное рассуждение можно провести и по уравнению (1.14).

Термодинамическая система может совершить работу расширения только за счет уменьшения своей внутренней энергии или за счет подведенной теплоты. Если в результате процесса внутренняя энергия системы не изменяется (например, в системе не изменяется температура), то вся теплота, полученная системой от окружающей среды, идет на совершение работы:

Это выражение позволяет дать следующие формулировки первого закона термодинамики.

При неизменной внутренней энергии системы теплота и работа эквивалентны.

Вечный двигатель первого рода невозможен.

Предполагалось, что вечный двигатель первого рода должен только совершать работу над окружающей средой, ничего не получая от нее.

До сих пор рассматривались системы произвольной массы. Для анализа удобнее пользоваться величинами, приведенными к единице массы вещества. Запишем уравнения (1.13) и (1.14) для 1 кг массы:

–  –  –

во-первых, он формирует принцип устройства теплоэнергетических установок и систем;

во-вторых, он объясняет физическую сущность процессов, происходящих в тепловых машинах;

в-третьих, он используется при расчетах термодинамических процессов и позволяет оценить энергетический баланс тепловых машин.

1.2.2. Второй закон термодинамики Первый закон термодинамики, являясь частным случаем закона сохранения и превращения энергии, рассматривает только его количественную сторону, заключающуюся в том, что при известном изменении энергии системы соотношение между теплотой и работой строго определенно. Этот закон не устанавливает направлений и полноты передачи энергии между телами, не определяет условий, при которых возможно преобразование теплоты в работу, не делает различий между их прямыми и обратными превращениями. Если исходить лишь из первого закона термодинамики, то правомерно считать, что любой мыслимый процесс, который не противоречит закону сохранения энергии, принципиально возможен и мог бы иметь место в природе. Ответ на поставленные вопросы дает второй закон термодинамики, который представляет собой совокупность положений, обобщающих опытные данные о качественной стороне закона сохранения и превращения энергии.

Многообразие особенностей взаимного превращения теплоты и работы, а также различные аспекты, в которых эти превращения рассматриваются, объясняют наличие нескольких, по сути эквивалентных, формулировок второго закона термодинамики.

Основные положения этого закона были высказаны французским инженером С. Карно (1824 г.). Карно пришел к выводу, что для преобразования теплоты в работу необходимы два источника теплоты с разной температурой. Само же название “Второй закон термодинамики” и исторически первая его формулировка (1850 г.) принадлежат немецкому физику Р. Клаузиусу:

“Теплота может переходить сама собой только от горячего тела к холодному; для обратного перехода надо затратить работу”, Из этого утверждения следует, что для перехода теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой обязательно необходим подвод энергии от внешнего источника в какой-либо форме, например, в форме работы. В противоположность этому теплота от тела с большей температурой самопроизвольно, без затрат каких-либо видов энергии, переходит к телам с меньшей температурой. Это означает, в частности, что теплообмен при конечной разности температур представляет собой строго односторонний, необратимый процесс, и направлен он в сторону тел с меньшей температурой.

Второй закон термодинамики лежит в основе теории тепловых двигателей. Тепловой двигатель представляет собой непрерывно действующее устройство, результатом действия которого является превращение теплоты в работу. Так, чтобы создать тепловой двигатель, непрерывно производящий работу, необходимо, прежде всего, иметь тело, являющееся поставщиком энергии в форме теплоты. Назовем его и с т о ч н и к о м т е п л о т ы.

Обязательно наличие и другого тела, которое воспринимает от первого

–  –  –

ской точки зрения замена рабочего вещества может рассматриваться как возращение рабочего тела в исходное состояние.

Таким образом, для непрерывного преобразования теплоты в работу нужны: источник теплоты; рабочее тело и теплоприемник, имеющий более низкую температуру, чем теплоисточник. Отвод некоторой части теплоты в теплоприемник является обязательным условием функционирования тепловых двигателей. Это условие изложено в следующих формулировках второго закона термодинамики:

“Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме работы и охлаждения источника теплоты” (В. Томсон).

“ Все естественные процессы являются переходом от менее вероятных к более вероятным состояниям” (Л. Больцман).

–  –  –

1.2.3. Энтропия. Математическое выражение второго закона термодинамики.

“Энтропия” в переводе с греческого означает “поворот” или “превращение”. Сначала понятие энтропии было введено в науку формально.

Р.Клаузиус (1854г.) показал, что для термодинамической системы существует некая функция S, приращение которой определяется выражением dQ (1.22) dS.

T Он назвал эту функцию энтропией. Позже, при рассмотрении большого числа задач, было выявлено физическое содержание энтропии.

Так как энтропия не поддается простому интуитивному представлению, попытаемся уточнить ее смысл путем сравнения с аналогичными величинами, более доступными для нашего понимания. Запишем выражение работы расширения в дифференциальной форме:

dLрасш = p dV.

Здесь давление p является величиной необходимой, но не достаточной для совершения работы. Изменение же объема приведет к работе расширения. Объем в приведенном уравнении выполняет свойство достаточного параметра. Таким образом, судить о том, что совершена работа расширения или сжатия можно лишь по изменению объема.

Теперь запишем выражение (1.22) в виде:

Здесь температура является величиной необходимой, но еще не достаточной для того, что бы говорить о том, подводится тепло к системе или отводится от не. Так, в адиабатном процессе система не обменивается теплотой с окружающей средой, а температура изменяется существенно. Остается один параметр, который должен обладать свойством достаточности, и этот параметр – энтропия. Только по изменению энтропии можно судить о теплообмене системы с окружающей средой. Отсюда Энтропия есть калорический параметр состояния термодинамической системы, характеризующий направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой.

Можно сказать, что энтропия – это единственная физическая величина, изменение которой в процессе однозначно указывает на наличие энергообмена в форме теплоты.

Выражение (1.22) устанавливает как качественную, так и количественную связь между теплотой и энтропией: если изменяется энтропия тела или системы, то в том и другом случае подводится энергия в форме теплоты; если энтропия неизменна, то процесс протекает без энергообмена в форме теплоты. Равенство (1.22) является аналитическим выражением второго закона термодинамики для элементарного равновесного процесса.

Выражение (1.22) дает возможность установить единицу энтропии, которая равна Дж/К.

Абсолютное значение энтропии определяется с точностью до некоторой постоянной S0. Численное значение постоянной S0 на основе только первого и второго законов термодинамики не может быть определено. Однако это не накладывает ограничений на использование энтропии в расчетах. В практике, как правило, интерес представляет не абсолютная величина энтропии, а ее изменение, для которого численное значение постоянной S0 особой роли не играет. Поэтому часто величине придают произвольное значение для условно принятого, так называемого с т а н д а р т н о г о состояния тела.

–  –  –

В термодинамике максимально возможную техническую работу системы называют э к с е р г и е й.

Обозначают эксэргию системы через Ex. За единицу эксэргии в СИ принят джоуль. Ее приведенное значение (ex = Еx/m) имеет единицу измерения Дж/кг.

В закрытой термодинамической системе при преобразовании теплоты в работу по циклу Карно можно принять ex = l ц. Тогда, при отводе тепла от источника с температурой T1 в окружающую среду с температурой T0 вправе T0 записать). Определим условия, при которых эти преобex = q· = q (1 - t T1 разования дадут максимально возможную работу в других циклах.

Пусть начальное состояние системы характеризуется точкой а, рис.1.8. При взаимодействии с окружающей средой состояние системы стремится к равновесному, обозначенному точкой о. Процесс а-о не что иное, как переход системы из начального в равновесное состояние. Будем иметь в виду, что температура окружающей среды, несмотря на ее взаимодействие с системой, остается постоянной и равной а T0. Используя уравнение первого закона термодинамики вида (1.15) и Рис. 1.8 и заменяя техническую работу эксэргией, получим:

ex = qa-o+(i0 – iа). (1.27) Изменение энтальпии не зависит от характера процесса. Поэтому, если известны начальное и конечное состояние системы, всегда можно определить разность энтальпий. Количество тепла является функцией процесс а-о.

Для определения qa-o воспользуемся вторым законом термодинамики. Очевидно, что количество тепла, полученное окружающей средой qср, равно количеству тепла, переданному системой среде, qа-о, т.е.

qср = - qa-o (1.28) Количество тепла qa-o пропорционально площади под кривой процесса (рис.1.8, пл.so-o-a-sa). Окружающая среда воспринимает теплоту в изотермическом процессе при T = To. Начальное состояние этого процесса характеризуется точкой о, а конечное (точка о) должно быть таким, чтобы пл. so-o-o"-so/, согласно (1.28), была равна пл. so-o-a-sa.

Так как по второму закону термодинамики dqср = To dsср, то после интегрирования этого выражения от состояния о до состояния а будет иметь:

qcp = T0(s0" -sa) = T0(sa –s0) + T0 (s0 - sa). (1.29)

Тогда с учетом (1.28) выражение (1.27) запишется:

ex = (ia – io) – To(sa – so) – To (so/ - sa). (1.30)

Из уравнения (1.30) следует ряд важных выводов:

1. В системе при обратимых процессах эксэргия больше, чем в той-же системе с необратимыми процессами, т.к. T0 (s0/ -sa) 0.

2. Чем больше значение начальной энтропии системы sa, тем меньшую работу может она совершить при неизменной разности энтальпий (ia – i0).

Следовательно, энтропия характеризует энергию системы.

– пределяет условия, необходимые для взаимного преобразования таких форм энергообмена, как теплота и работа;

– устанавливает полноту преобразования теплоты в работу.

1.2.5 Понятие о третьем законе термодинамики При изучении свойств различных веществ в условиях низких температур, близких к абсолютному нулю (Т = 0), обнаруживается важная закономерность в поведении реальных тел: в области абсолютного нуля энтропия тела в любом равновесном состоянии не зависит от температуры, объема и других параметров, характеризующих состояние тела.

Этот результат, являющийся обобщением ряда опытных данных и не вытекающий непосредственно из первого или второго законов термодинамики, составляет содержание тепловой теоремы Нернста.

Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОЗЫБКОВСКИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ТЕХНИКУМ ­ ФИЛИАЛ ФГБОУ ВО «БРЯНСКИЙ ГАУ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ ПО ПМ.04. УПРАВЛЕНИЕ РАБОТАМИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ХОЗЯЙСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Для студентов специальности 35.02.08. «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» ...»

« «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮСАМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТА по дисциплине Б1.Б3 ОСНОВЫ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Код и направление 40.06.01 Юриспруденция подготовки Криминалистика; судебно-экспертная Профиль (направленность деятельность; оперативно-розыскная подготовки...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ГЕНЕТИКА ПРИЗНАКОВ КАЧЕСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ Методические указания по проведению практических занятий для аспирантов по направлению: 06.06.01 – биологические науки Краснодар, 2015 Составитель: С.В. Гончаров Генетика признаков качества сельскохозяйственных растений: метод....»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению курсовой работы по дисциплине «История отечественного государства и права» Направление подготовки: 40.03.01 Юриспруденция Факультет: экономики и права Форма обучения: очная, заочная В рамках освоения дисциплины «История...»

«РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ПО ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ направление 20.03.01 –Техносферная безопасность профиль Безопасность технологических процессов и производств Квалификация: академический бакалавр Форма обучения очная, заочная Орел 2015 СОДЕРЖАНИЕ: 1. Общие положения Определение....»

«Зарегистрировано в Минюсте РФ 4 мая 2009 г. N 13883 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПРИКАЗ от 24 февраля 2009 г. N 75 ОБ УТВЕРЖДЕНИИ МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ ПО ПОДГОТОВКЕ, ОРГАНИЗАЦИИ И ПРОВЕДЕНИЮ АУКЦИОНОВ ПО ПРОДАЖЕ ПРАВА НА ЗАКЛЮЧЕНИЕ ДОГОВОРОВ АРЕНДЫ ЛЕСНЫХ УЧАСТКОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИЛИ МУНИЦИПАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ЛИБО ПРАВА НА ЗАКЛЮЧЕНИЕ ДОГОВОРА КУПЛИ-ПРОДАЖИ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ В СООТВЕТСТВИИ СО СТАТЬЯМИ 78 80 ЛЕСНОГО КОДЕКСА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Селекция на качество сельскохозяйственных растений Методические указания Для самостоятельной работы аспирантов направления: 35.06.01 сельское хозяйство Краснодар, 2015 Составитель: С.В. Гончаров Селекция на качество сельскохозяйственных растений: метод. указания для самостоятельной работы...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ самостоятельной работы по дисциплине Б1. В. ОД.2 Организация учебной деятельности в вузе и методика преподавания в высшей школе Код и направление подготовки 40.06.01 «Юриспруденция» Наименование направленности (проГражданское право; предпринимафиля) программы...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Департамент мелиорации Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МЕЛИОРАЦИИ» (ФГБНУ «РосНИИПМ») МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ Новочеркасск Методические указания по эксплуатации закрытой оросительной сети подготовлены сотрудниками ФГБНУ «РосНИИПМ»: доктором технических наук, доцентом С. М. Васильевым; кандидатом технических наук В. В....»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮСАМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТА по дисциплине Б1.Б3 ОСНОВЫ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Код и направление 40.06.01 подготовки Юриспруденция Профиль (направленность Уголовный процесс подготовки Квалификация Исследователь. Преподавательстепень)...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра государственного и муниципального управления МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению курсовых работ по дисциплине «Система муниципального управления» для студентов направления подготовки 38.03.04 Государственное и муниципальное управление Квалификация (степень) выпускника Бакалавр КРАСНОДАР...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯПО ПРОВЕДЕНИЮ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ по дисциплине Б1.В.ДВ.2.1 УПРАВЛЕНИЕ РАССЛЕДОВАНИЕМ ПРЕСТУПЛЕНИЙ Код и направление 40.06.01 Юриспруденция подготовки Наименование профиля Криминалистика; судебно-экспертная программы подготовки деятельность; оперативно-розыскная...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Департамент научно-технологической политики и образования ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»КАТАЛОГ НАУЧНОЙ, УЧЕБНОЙ, УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ИПК «Нива» ВолГАУ Волгоград Волгоградский ГАУ Составители: С. А. Агапов А. Г. Бондарев Компьютерная верстка, дизайн обложки Бондарева А. Г. © ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ Журнал.. Многопрофильные конференции. Агрономия.. Монографии. 14 Учебники Учебные...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Механизация животноводства и безопасность жизнедеятельности» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по организации самостоятельной работы по дисциплине «Ресурсосберегающие технологии производства продукции животноводства» для аспирантов, обучающихся по направлению подготовки 35.06.04 Технологии,...»

«Министерство сельского хозяйства РФ ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» В. Д. Жуков, З. Р. Шеуджен КАДАСТРОВАЯ ОЦЕНКА ЗЕМЕЛЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ Учебное пособие Допущено учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области землеустройства и кадастров в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 21.03.02 – Землеустройство и кадастры Краснодар УДК 332.334.4:631.1(075)...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра философии Методические указания к семинарским занятиям по дисциплине ИСТОРИЧЕСКИЕ ТИПЫ ОНТОЛОГИИ Краснодар УДК 167/168 (078) ББК 87 В подготовке методических указаний принимали участие: Данилова М.И., д.ф.н., профессор, зав. кафедрой философии; Бочковой Д.А., преподаватель кафедры...»

« государственный аграрный университет им. А^.А*о|!й«йш:кого НИН А.С. 2 0 ^ "Т. РА С СМ О ТРЕН О на заседании Ученого Совета ЗабАИ « // » 20/?. Основная профессиональная образовательная программа высшего образования по направлению подготовки 36.06.01 В Е Т Е РИ Н А РИ Я И ЗО О Т Е Х Н И Я уровень подготовки кадров: В Ы С Ш АЯ КАТЕГОРИЯ...»

«П.С. Кобыляцкий, А.Л. Алексеев Технология производства продуктов из мяса птицы Методические указания к лабораторно-практическим занятиям для бакалавров по направлению подготовки 19.03.03 Продукты питания животного происхождения пос. Персиановский МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ФГБОУ ВПО «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Технология производства продуктов из мяса птицы Методические указания к лабораторно-практическим...»

« УПРАВЛЕНИЯ АГРАРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРТИЗЫ ТОВАРОВ УТВЕРЖДАЮ СОГЛАСОВАНО Начальник УМО Декан факультета Н.Н. Левина Л.М. Благодарина «16» сентября 2009г. «14» сентября 2009г. СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И МЕТРОЛОГИЯ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС для студентов специальности 080401.65 Товароведение и экспертиза...»