Какими независимыми параметрами характеризуется состояние рабочего тела

Термодинамика

Лекция 1. Предмет технической термодинамики и ее методы

1. Предмет термодинамики

2. Основные параметры состояния тела

3. Понятие о термодинамическом процессе

4. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы

5. Термодинамическое равновесие

1. Предмет термодинамики

Термодинамика наука о превращениях различных видов энергии из одного в другой, и о наиболее общих макроскопических свойствах материи. Она изучает различные как физические, так и химические явления, обусловленные превращениями энергии. Применение закономерностей термодинамики позволяет анализировать свойства веществ, предсказывать их поведение в различных условиях. Термодинамика дает возможность исследовать различные процессы от простых в однородных средах до сложных с физическими и химическими превращениями, биологических и др.

Слово «термодинамика» происходит от греч. «therme» – тепло и «dynamis» – сила. Название науки возникло в период ее основания – в начале XIX в. В настоящее время слово «термодинамика» трактуют так: наука «о силах, связанных с теплотой».

Термодинамика основана на двух, экспериментально установ­ленных законах (началах).

Первый закон (начало) является по существу законом преобразования и сохранения энергии применительно к процессам, изучаемым в термодинамике; невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии.

Второй закон (начало) – определяет направление течения реальных (неравновесных) процессов; невозможен процесс, имеющий единственным своим результатом превращение теплоты в работу.

Термодинамический метод исследования основан на законах (началах) термодинамики и представляет собой их логическое и математическое развитие.

Объект исследования в термодинамике называют термодинамической системой или, в простом случае, термодинамическим телом. Одна из особенностей метода термодинамики состоит в том, что система (тело) противопоставляется всем другим телам, которые называют окружающей средой. Термодинамика построена дедуктивно: частные выводы получены из общих законов (начал).

Принято разделять термодинамику на физическую, или общую, химическую и техническую.

Физическая термодинамика разрабатывает метод термодинамики и применяет его для изучения фазовых превращений термоэлектрических и магнитных явлений, излучения, поверхностных явлений и т. п.

Химическая термодинамика изучает процессы с физическими и химическими превращениями с помощью метода термодинамики.

Техническая термодинамика устанавливает закономерности взаимного преобразования теплоты и работы, для чего изучает свойства газов и паров (рабочих тел) и процессы изменения их состояния; устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, протекающими в тепловых двигателях и холодильных установках. Одна из основных ее задач – отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты, и работы.

Источник

Параметры состояния рабочего тела.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Учебное пособие к практическим занятиям

для студентов специальности 270109

«Теплогазоснабжение и вентиляция»

Одобрено методическим советом университета

Техническая термодинамика: учебное пособие

Учебное пособие к практическим занятиям по курсу Техническая термодинамика» предназначено для студентов специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция», обучающихся по программам бакалавра, специалиста и магистра. Специфичность учебного пособия отразилась на его содержании. Значительно расширены главы, трактующие вопросы, которые имеют большое значение в теплогазоснабжении, газоснабжении и вентиляции. Приведены разделы, которые расширяют и повышают уровень знаний по термодинамике и в смежных областях: круговые циклы, холодильные машины, первые и второй законы термодинамики и их приложения. В данном пособии имеются контрольные работы по темам и контрольные квалификационные задания по дисциплине «термодинамика», что позволяет проводить обучение по индивидуальным планам студентов и расширяется возможность индивидуального обучения.

Отпечатано с оригинал – макета, подготовленного авторами

© ДВГТУ, изд-во ДВГТУ, 2009

Общие указания

Учебное пособие по курсу «Техническая термодинамика» включает задачи по основным разделам технической термодинамики, контрольные работы, тесты, контрольные вопросы, приложение.

Каждый раздел имеет теоретическую часть, дающую определение основных понятий, формулы, пояснения к ним и задачи. Часть задач дана с подробными решениями, по всем остальным задачам приведены ответы.

Все физические величины даны в системе единиц СИ и в единицах, допускаемых к применению наравне с единицами СИ.

При решении задач следует использовать учебную, справочную и нормативную литературу, рекомендуемую преподавателем.

Содержание

1.Параметры состояния рабочего тела. 5

2. Идеальные газы и основные газовые законы. 11

3. Газовые смеси. 19

4. Теплоемкость газов. 24

5. Первый закон термодинамики. 31

6. Круговые процессы.. 38

7. Основные газовые процессы. Изохорный процесс. 41

8. Изобарный процесс. 44

9. Изотермический процесс. 49

10. Адиабатный процесс. 52

11. Политропный процесс. 56

12. Циклы холодильных установок. 62

13. Второй закон термодинамики. 69

14. Влажный воздух. 75

Контрольные работы по темам. Ошибка! Закладка не определена.

Контрольные квалификационные задания по дисциплине «Термодинамика» Ошибка! Закладка не определена.

Параметры состояния рабочего тела.

Величины, характеризующие тело в данном состоянии, называют параметрами состояния. Чаще всего состояние рабочего тела определяется следующими параметрами: удельным объемом, давлением и температурой.

1. Удельный объем тела (v) представляет объем единицы его массы. В технической термодинамике за единицу массы принимают килограмм (кг), за единицу объема – кубический метр (м 3 ). Следовательно, удельный объем равен объему в кубических метрах одного килограмма вещества:

м 3 /кг (1.1)

Величина, обратная удельному объему:

кг/м 3 (1.2)

представляет массу единицы объема и называется плотностью.

1кПа=10 3 Па=10 3 Н/м 2 ; 1МПа=10 6 Па=10 6 Н/м 2

В табл. 1.1 приводятся соотношения между единицами измерения давления технической системы и единицами системы СИ. Коэффициенты пересчета, приведенные в табл. 1.1, даны с большой точностью.

Для измерения давления используют барометры, манометры и вакуумметры. Барометрами измеряют атмосферное давление, манометры служат для измерения давления выше атмосферного. В термодинамике параметром состояния рабочего тела является только абсолютное давление. Абсолютное давление определяется из соотношения:

где В– атмосферное (барометрическое) давление, Па. Вакуумметры служат для измерения давления ниже атмосферного. Абсолютное давление в этом случае находят из равенства:

Соотношения между единицами давления

Величина поправки на 1000 мм. рт. ст. для различных температур указана ниже.

При температуре ртути выше 0 0 Суказанную поправку нужно вычитать из показаний прибора; при температурах ниже 0 0 С данную поправку нужно прибавлять к показаниям прибора. Приведение показаний ртутного барометра к 0 0 С также легко получить из следующего соотношения:

где В₀ – барометрическое давление, приведенное к 0 0 С;

В – действительное давление при температуре воздуха t 0 С;

0,000172 – коэффициент объемного расширения ртути.

Термодинамическая температура также может быть выражена в градусах Цельсия ( 0 С); она обозначается символом t. Температура таяния льда равна 273 К, что на 0,01 0 ниже температуры тройной точки воды. Поэтому температура в градусах Цельсия определяется выражением:

t = Т – Т₀, О С

где Т – абсолютная температура, выраженная в кельвинах; Т₀=273,15К.

Цена деления стоградусной шкалы Цельсия равна цене деления абсолютной шкалы Кельвина.

t 0 F=9/5∙t 0 С+32 0 ; (1.7)

Задачи

1.1.Масса 2 м 3 метана при определенных условиях составляет 1.4 кг. Определить плотность и удельный объем метана при этих условиях.

Ответ: r=0.7 кг/м 3 ; v=1.429 м 3 /кг.

1.3. В сосуде объемом 0.9 м 3 находится 1.5 кг окиси углерода. Определить удельный объем и плотность окиси углерода при указанных условиях.

1.4. Давление воздуха по ртутному барометру равно 770 мм рт. ст. при 0 0 С.Выразить это давление в паскалях.

Ответ: р=102660 Па=102.7 кПа.

1.5. Найти абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает р=0.13МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет В=680 мм рт. ст. (90660 Па) при t=25 0 С.

Показание барометра получено при температуре ртути t=25 0 C.

Чтобы исключить погрешность ртутного барометра воспользуемся уравнением:

Тогда абсолютное давление пара в котле

1.6. Определить абсолютное давление в паровом котле, если манометр показывает 0.245 МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет В=93325 Па (700мм рт.ст.) при t=20 0 C.

1.7. Давление в паровом котле р=0.04 МПа при барометрическом давлении В₀₁= 96660 Па(725 мм рт. ст.).Чему будет равно избыточное давление в котле, если показание барометра повысится до В₀₂₌104660 Па(785 мм рт. ст.), а состояние пара в котле (Р_абс ) останется прежним?

Барометрическое давление приведено к 0 0 С.

Абсолютное давление в котле

Избыточное давление при показании барометра В₀₂=104660 Па. Следовательно, Р_изб=136660-104660=0.032 МПа.

1.8.Ртутный вакууметр, присоединенный к сосуду показывает разрежение Р_вак=56 кПа (420 мм рт.ст.) при температуре ртути в вакууметре t=20 0 С. Давление атмосферы по ртутному барометру В=102.4 кПа (768 мм рт. ст.) при температуре ртути t=18 0 C. Определить абсолютное давление в сосуде.

Рис. 1.1

На основании формулы(1.5) получаем, что разрежение в сосуде, приведенное к 0 0 С,

Р_вак0 =56(1-0.000172∙20)=56∙0.99656=55.8 кПа=418.5 мм рт.ст.,

а барометрическое давление, приведенное к 0 0 С,

В₀=102,4(1-0.000172∙18)=102.4∙0.9969=102.1 кПа (765.6 мм рт. ст.).

Абсолютное давление в сосуде по формуле (1.4)

Ответ: Р_абс =46300 Па

1.9. Присоединенный к газоходу парового котла тягомер показывает разряжение, равное 780 Па (80 мм вод. ст.).Определить абсолютное давление дымовых газов, если показание барометра В=102658 Па(770 мм рт.ст.) при t=0 0 C.

Ответ: Р_абс =101870 Па (764.1 мм рт. ст.).

1.10. Тягомер показывает разрежение в газоходе, равное 412 Па(42 мм вод. ст.).Атмосферное давление по ртутному барометру В=100925 Па (757 мм рт. ст.) при t=0 0 С.Определить абсолютное давление дымовых газов.

Ответ: Р_абс =100250 Па (751.96 мм рт.ст.).

1.11.Температура пара, выходящего из перегревателя парового котла, равна 950 0 F.Перевести эту температуру в 0 С.

При переводе разности температур, выраженной градусами шкалы Цельсия, в градусы Фаренгейта и наоборот надо исходить только из цены деления того и другого термометров. Поэтому формулы (1.6) и (1.7) принимают следующий вид;

Источник

Рабочее тело и параметры его состояния

Рабочее тело в теплотехнике и термодинамике — это условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствами идеального газа.

Рабочее тело тепловых двигателей — это продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. д.).

Рабочее тело в ракетостроении — это отбрасываемое от ракеты с целью получения импульса тяги вещество. Например, в электрическом ракетном двигателе рабочим телом является ионизированное расходуемое вещество (например, ксенон).

Рабочее тело в лазерной технике — это оптический элемент лазера, в котором происходит формирование когерентного электромагнитного излучения.

Всякая тепловая машина приводится к движение вследствие происходящего в ней изменения состояния вещества, называемого рабочим телом или рабочим агентом.

Термодинамическая система — это совокупность тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии друг с другом и окружающей средой.

Рабочее тело определяет тип и назначение тепловой машины. Так у паровой машины рабочим телом является водяной пар, у поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей — продукты сгорания топлива, у компрессоров холодильных машин рабочим агентом является пар аммиака, фреона и т. д. Для расчета термодинамического анализа работы тепловой машины необходимо знать термодинамические свойства рабочего тела.

Наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольшим коэффициентом объемного расширения.

В технической термодинамике в качестве рабочего тела принимается идеальный газ — условное газообразное вещество, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают.

В реальных же газах учитываются силы притяжения между молекулами, а молекулы имеют объем. Если реальные газы сильно разряжены, их свойства близки к свойствам идеального газа.

В качестве идеальных газов могут рассматривать такие газы, как азот, гелий, водород.

В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение свойств идеального газа на все рассматриваемые газы. Это позволяет упростить математические выражения законов термодинамики.

Очевидно, что одно и то же вещество при различных условиях может находиться в различных состояниях.

Для того чтобы определить конкретные физические условия, при которых рассматривается данное вещество и тем самым однозначно определить его состояние, вводятся параметры состояния вещества.

Параметры состояния газа — это величины, характеризующие данное состояние газа.

К параметрам состояния газа относятся:

Абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем являются основными параметрами газообразного вещества.

Источник

Рабочее тело. Основные параметры состояния

Например, в ДВС, а также в газотурбинных установках рассматриваются процессы, в которых рабочим телом является газ. В паровых двигателях рабочим телом является пар, легко переходящий из парообразного состояния в жидкое и, наоборот, из жидкого в парообразное.

[м 3 /кг] (1.1)

Плотность тела определяется как масса единицы объема

[кг/м 3 ]. (1.2)

Удельный объем есть величина, обратная плотности, т.е.

(1.3)

Т е м п е р а т у р а. Температура, характеризуя степень нагретости тела, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул, т.е. температура характеризует среднюю интенсивность движения молекул, и, чем больше эта средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела. Понятие температуры не может быть применено к одной или нескольким молекулам. Если два тела с различными средними кинетическими энергиями движения молекул привести в соприкосновение, то тело с большей кинетической энергией молекул /с большей температурой/ будет отдавать энергию телу с меньшей средней кинетической энергией молекул /с меньшей температурой/, и этот процесс будет протекать до тех пор, пока средние кинетические энергии молекул обоих тел не сравняются, т.е. не выровняются температуры обоих тел. Такое состояние двух тел называется тепловым равновесием.

В технике для измерения температур используют различные свойства тел: расширение тел от нагревания в жидкостных термометрах; изменение электрического сопротивления проводника при нагревании в термометрах сопротивления; изменение электродвижущей силы в цепи термопары при нагревании или охлаждении ее спая и др.

Параметром состояния рабочего тела является абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина /К/. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и Цельсия, имеется следующая связь:

Д а в л е н и е. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальную составляющую силы, действующей на единицу поверхности.

Пусть к сосуду, в котором находится, например, газ, подсоединен манометр /прибор для измерения давления/. Когда давление газа равно давлению внешней среды, т.е. барометрическому давлению , то стрелка манометра находится на нуле шкалы. Когда же давление газа превышает барометрическое, стрелка отклоняется, показывая избыток давления газа над барометрическим, т.е. избыточное давление (рис. 1.1). Таким образом,

Если абсолютное давление Р_аменьше барометрического Р_б, то величина Н, показывающая на сколько Р_а меньше Р_б, называется разрежением или вакуумом.

Давление в системе СИ измеряется в паскалях: