Гидравлика вопросы. 1. Сформулируйте определение жидкости, назовите и охарактеризуйте ее основные свойства. Жидкость

• Название: 1. Сформулируйте определение жидкости, назовите и охарактеризуйте ее основные свойства. Жидкость
• Дата: 29.04.2021
• Размер: 64.99 Kb.
• Имя файла: Гидравлика вопросы.docx
• Тип: Закон; #200258

1. Сформулируйте определение жидкости, назовите и охарактеризуйте ее основные свойства.

Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным состояниями. Сохраняя отдельные черты как твердого тела, так и газа, жидкость обладает рядом особенных свойств, из которых наиболее характерная – текучесть.

Основные свойства жидкости:

Текучесть - смещение в направлении действия силы;

Испарение - процесс парообразования, происходящий на свободной поверхности жидкости;

Кипение - процесс интенсивного испарения жидкости по всему объему внутрь образующихся пузырьков пара;

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу между смежными частицами или слоями.
2. В чем состоит физический смысл динамической и кинематической вязкости жидкости? В каких единицах измеряются эти величины? От каких параметров зависит вязкость жидкости?

Динамическая (абсолютная) вязкость – физическое свойство жидкости, характеризующее сопротивляемость частиц и слоев жидкости сдвигу. Эта величина имеет смысловую аналогию с коэффициентом сдвига в твердых телах. Динамическая вязкость обозначается буквой греческого алфавита μ и измеряется в Паскаль-секундах (Па×с).

Кинематическая (относительная) вязкость определяется, как отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности и измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с).

Вязкость жидкости практически не зависит от давления, но значительно уменьшается с увеличением температуры.

3. Сформулируйте закон Ньютона о силе внутреннего трения в жидкости.

Закон трения Ньютона может быть сформулирован так: сила внутреннего трения в жидкости прямо пропорциональна градиенту скорости, площади трущихся слоев и динамической вязкости жидкости:

T = μω(dv/dy), где: μ – динамическая вязкость; ω – площадь трущихся поверхностей (слоев); dv/dy – градиент скорости (скорость относительного сдвига слоев).
4. Что такое «ньютоновские» и аномальные жидкости? Назовите виды неньютоновских жидкостей.
Жидкости, внутреннее трение в которых подчиняется закону Ньютона о трении, называются ньютоновскими. Класс жидкостей, которые по своим свойствам отличаются от ньютоновских в силу особенностей их молекулярных структур и внутренних молекулярных движений, называются неньютоновскими или аномальными жидкостями.

Физическое объяснение особых свойств аномальных жидкостей основывается на присутствии в них при покое некоторой пространственной жесткой структуры (решетки), способной сопротивляться внешнему воздействию до определенного критического предела, после чего структура разрушается, и аномальная жидкость начинает вести себя, как ньютоновская. При уменьшении напряжения сдвига до величины ниже критического, жесткая структура в таких жидкостях восстанавливается, и среда вновь ведет себя аналогично твердому телу.

К аномальным жидкостям относятся: вязкопластические, псевдопластические, дилатантные и вязкоупругие среды.
5. Поясните смысловое содержание понятия гидростатического давления. От чего оно зависит и в каких единицах измеряется?
Гидростатическое давление – это отношение величины сил, сжимающих элементарную площадку, выделенную в жидкости, к площади этой элементарной площадки. Гидростатическое давление в данной точке всегда нормально (перпендикулярно) к площадке, на которую оно действует и не зависит от ориентации (угла наклона) площадки.

Гидростатическое давление зависит от положения рассматриваемой точки внутри объема жидкости и от внешнего давления, приложенного к свободной поверхности площадки.

Единицей измерения гидростатического давления в системе единиц СИ является Паскаль (Па), равный силе в 1 Н, действующей на 1 м² площади.

6. Запишите основное уравнение гидростатики и поясните его смысловое содержание.
Основное уравнение гидростатики в общем виде можно записать так:

p = p₀ + γ(z₀ – z),

где:

p – давление в рассматриваемой точке, Па;

p₀ – давление, оказываемое внешней средой на свободную поверхность жидкости, Па;

γ = ρg – удельный вес жидкости (здесь ρ – плотность жидкости, кг/м³; g = 9,81 – ускорение свободного падения, м/с²);

z₀ и z –вертикальные координаты соответственно поверхности жидкости и рассматриваемой точки, м.

Смысловое содержание:

Основное уравнение гидростатики описывает зависимость давления p в произвольной точке объема жидкости от глубины ее погружения (z₀ – z), удельного веса γ (или плотности ρ) жидкости и внешнего (например, атмосферного) давления p₀.

7. Опишите физический смысл закона Паскаля и его связь с основным уравнением гидростатики.
Закон Паскаля утверждает, что любая жидкость обладает свойством передавать внешнее давление, оказываемое на свободную поверхность, всем расположенным в ее объеме частицам без изменения.

Этот закон подтверждается основным уравнением гидростатики: p = p₀+ γ(z₀ – z), анализ которого показывает, что приращение давления в произвольной точке жидкости происходит только из-за изменения вертикальной координаты точки (глубины погружения), а внешнее давление p₀ передается в любую точку жидкости без изменений.

8. Поясните разницу между абсолютным, относительным и избыточным давлением в жидкости. Может ли абсолютное давление быть отрицательным?
Абсолютное давление определяется по основному уравнению гидростатики как сумма внешнего давления на свободную поверхность жидкости, и внутреннего давления, проявляющегося в результате действия силы тяжести: p = p₀+ γ(z₀ – z).

Второе слагаемое этой суммы (давление, обусловленное силой тяжести) называют относительным давлением (поскольку оно зависит от положения рассматриваемой точки в объеме жидкости, т. е. относительно).

Если на свободную поверхность жидкости действует только атмосферное давление, то относительное давление называют избыточным давлением.
9 . На рисунке изображены три сосуда разной формы, в каждый из которых налита вода на одинаковую высоту Н. Площадь свободной поверхности в сосуде а больше площади свободной поверхности в сосуде в в два раза, но в два раза меньше площади свободной поверхности в сосуде б. Площадь дна во всех трех сосудах одинакова и равна S.

Во сколько раз сила давления на дно в сосуде а будет отличаться от силы давления на дно в сосуде в?

Ответ обоснуйте основным уравнением гидростатики.
В соответствии с основным уравнением гидростатики p = p₀+ γ(z₀ – z),давление в любой точке объема жидкости зависит от внешнего давления p₀ и глубины погружения рассматриваемой точки. Поскольку внешнее давление для всех трех сосудов равно атмосферному давлению, т. е. одинаково, то давление на каждую из точек поверхности дна зависит только от уровня Н (т. е. глубины, равной z₀ - z). Очевидно, что для всех трех сосудов, уровень жидкости в которых одинаков, давление на дно тоже будет одинаково.

Тогда и сила давления на дно, определяемая, как произведение площади дна на величину давления, во всех трех сосудах будет одинакова, несмотря на то, что они имеют разную форму.

10. Дайте определение закона Архимеда для тел, погруженных в жидкость.
Закон Архимеда утверждает, что сила, с которой жидкость выталкивает на поверхность погруженное в нее тело, равна весу жидкости в объеме погруженного тела (т. е. весу жидкости, вытесненной телом).

Математически закон Архимеда описывается выражением: F = γV,

где: γ – удельный вес жидкости, Н/м³; V – объем вытесненной телом жидкости, м³.

Закон Архимеда справедлив для тел любой формы и для тел, частично погруженных в жидкость.

11. Дайте определение и поясните суть понятий:

• 
  установившееся и неустановившееся движение жидкости;
  
• 
  равномерное и неравномерное движение жидкости;
  
• 
  живое сечение потока жидкости, смоченный периметр и гидравлический радиус;
  

Установившимся называют движение, при котором давление и скорость жидкости в любой точке занятого ею пространства с течением времени не меняется, в противном случае движение называется неустановившимся.

Равномерным называют движение, при котором скорости в сходственных точках двух смежных сечений потока жидкости равны между собой, т. е. если мы рассмотрим два соседних сечения потока, то сходственные точки этих сечений будут передвигаться с одинаковой скоростью. В противном случае движение считается неравномерным.

Живым сечением потока называют часть поперечного сечения русла (канала, трубы и т. п.), заполненного жидкостью. В общем случае живое сечение потока может не равняться площади русла, если его поперечное сечение лишь частично заполнено жидкостью.

Смоченный периметр – та часть периметра живого сечения потока, по которой жидкость соприкасается со стенками русла (канала, трубы и т. п.).

Отношение живого сечения потока к смоченному периметру называют гидравлическим радиусом.
12. Дайте определение и поясните суть понятий расхода и средней скорости жидкости.

Какая взаимосвязь существует между расходом жидкости, перемещающейся по трубе или каналу, и скоростью потока?
Различают объемный, массовый и весовой расход жидкости.

Объем жидкости, протекающий через сечение за единицу времени, называют объемным расходом: Q_V = V/t.

Массу или весовое количество жидкости, протекающее через сечение за единицу времени, называют, соответственно, массовым (Q_M= кг/с) и весовым (Q_G = Н/с) расходом.

Средняя скорость жидкости v_ср характеризует объемный расход жидкости, протекающей через сечение площадью S за единицу времени, т. е. между объемным расходом и скоростью существует зависимость: Q_V = v_срS.

Для сплошного (неразрывного) потока справедливо условие: Q_V = v_срS = const, т. е. произведение средней скорости потока на величину поперечного сечения является величиной постоянной по всему потоку жидкости. Очевидно, что это условие справедливо, также, для массового и весового расхода, поскольку между всеми видами расхода существует линейная зависимость.

13. Опишите физическую суть уравнения Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости, и поясните смысловое содержание всех слагаемых этого уравнения.
Уравнение Бернулли для произвольно выбранных точек 1 и 2 элементарной струйки идеальной жидкости может быть записано так:

z₁ + p₁/γ + v₁²/2g = z₂ + p₂/γ + v₂²/2g,

где:

γ = ρg – удельный вес жидкости;

p₁, p₂ – давление в произвольных точках 1 и 2 элементарной струйки жидкости;

z₁ и z₂ – ордината центров тяжести точек 1 и 2 элементарной струйки.
Поскольку точки 1 и 2 в струйке выбраны произвольно, то можно записать уравнение Бернулли в общем виде: z + p/γ + v²/2g = const.

Слагаемое v²/2g является удельной кинетической энергией элементарного объема жидкости (скоростной напор), а сумма z + p/γ – полной удельной потенциальной энергией этого объема, при этом z является мерой потенциальной энергии положения (геометрический напор), а p/γ – мерой потенциальной энергии действующих на элементарный объем сил давления (пьезометрический напор).

Сумму скоростного и потенциального напора называют полным напором.

Все члены уравнения измеряются в линейных единицах (метрах).

14. Опишите геометрический и энергетический смысл уравнения Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости.
Уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости в общем виде можно записать так:

z + p/γ + v²/2g = const.

Здесь слагаемое v²/2g является удельной кинетической энергией элементарного объема жидкости (скоростной напор), z является мерой потенциальной энергии положения (геометрический напор), а p/γ – мерой потенциальной энергии действующих на элементарный объем сил давления (пьезометрический напор).

Энергетический смысл уравнения Бернулли заключается в том, что сумма всех видов энергии, которыми обладает любое сечение элементарной струйки жидкости, является величиной постоянной, что собственно выражает суть закона сохранения энергии для всех видов материи, в т. ч и для жидкости.

Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли представляет собой графическое сложение величины каждой составляющей полного напора для разных сечений элементарной струйки. Результат последовательного геометрического сложения кинетического и потенциального напора в разных сечениях струйки отобразится на графике в виде прямой линии, параллельной исходной линии отсчета.

Смысловое содержание такого графического построения заключается в том, что сумма всех слагаемых уравнения Бернулли в любом сечении струйки идеальной жидкости одинакова.

15. Опишите физическую суть уравнения Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости, и поясните смысловое содержание всех слагаемых этого уравнения.
Уравнение Бернулли для произвольно выбранных точек 1 и 2 струйки реальной жидкости может быть записано так:

z₁ + p₁/γ + v₁²/2g = z₂ + p₂/γ + v₂²/2g + h_f,

где:

γ = ρg – удельный вес жидкости;

p₁, p₂ – давление в произвольных точках 1 и 2 элементарной струйки жидкости;

z₁ и z₂ – ордината центров тяжести точек 1 и 2 ;

h_f – гидравлические потери напора между сечениями 1 и 2 элементарной струйки.

Отличие уравнения Бернулли для реальной жидкости от уравнения Бернулли для идеальной жидкости заключается именно в учете гидравлических потерь напора, обусловленных гидравлическими сопротивлениями (гидравлическое трение, обусловленное вязкостью жидкости и сопротивление формы, обусловленные местными сопротивлениями).

Слагаемое v²/2g является удельной кинетической энергией элементарного объема жидкости (скоростной напор), z является мерой потенциальной энергии положения (геометрический напор), а p/γ – мерой потенциальной энергии действующих на элементарный объем сил давления (пьезометрический напор).

Тогда уравнение Бернулли для реальной жидкости может быть сформулировано так: потери энергии при движении струйки реальной жидкости равны потерям напора из-за гидравлических сопротивлений.


16. Дайте определение и поясните физический смысл понятиям «гидравлическое сопротивление» и «потери напора». Какие виды гидравлических сопротивлений существуют?
Гидравлическим сопротивлением в общем случае называют дополнительные силы сопротивления, возникающие на пути потока и тормозящие движение частиц жидкости в потоке. Гидравлическое сопротивление может быть обусловлено силами трения между стенками русла (трубопровода, канала), между отдельными частицами и слоями движущейся жидкости (сопротивление гидравлического трения), а также изменением сечения русла или его крутыми поворотами, изменением конфигурации русла (местное сопротивление или сопротивление формы).

Таким образом, гидравлическое сопротивление при движении жидкости складывается из сопротивления гидравлического трения и местных сопротивлений (сопротивлений формы).
Для преодоления гидравлических сопротивлений и поддержания равномерного поступательного движения жидкости необходимо затрачивать энергию. Энергия или напор, необходимые для преодоления сил гидравлического сопротивления, называют потерянной энергией или потерянным напором (потерями напора).
17. Формула Вейсбаха для определения потерь напора на местных сопротивлениях записывается в виде:

h_i = ξ_iv²/2g.

Поясните физический смысл каждого из сомножителей данной формулы и охарактеризуйте их влияние на величину потерь напора.
Формула Вейсбаха позволяет определить потери напора h_i на участке трубопровода в зависимости от скорости движения жидкости v и безразмерного коэффициента местного сопротивления ξ_i , являющегося справочной величиной (определяемой из справочных таблиц), учитывающей характер местного сопротивления – поворот трубы, изменение сечения, колено, вход в трубу, запорная арматура и т. п.

Сомножитель g = 9,81 м/с² является ускорением свободного падения.

Анализ формулы Вейсбаха показывает, что местные сопротивления в трубопроводе находятся в квадратичной зависимости от скорости движения жидкости, т. е. при увеличении скорости жидкости (а значит – и подачи) в два раза местные сопротивления возрастают в четыре раза и т. д. Все остальные величины являются постоянными, т. е. выполняют функции неизменных коэффициентов.

18. Поясните разницу между понятиями «длинный трубопровод» и «короткий трубопровод». Какая формула лежит в основе расчета длинных трубопроводов и какие зависимости она устанавливает?
При расчетах трубопроводов различают длинные и короткие трубопроводы, при этом длинными считаются трубопроводы, в которых потери на трение по длине трубы (гидравлическое трение) значительно превышают потери на местных сопротивлениях (сопротивлениях формы – колено, изгиб трубы, запорная арматура, резкое изменение сечения трубы и т. п.). Если потери на местное сопротивление в трубопроводе соизмеримы с потерями напора на гидравлическое трение по длине, то такие трубопроводы принято считать короткими.

В основе гидравлического расчета длинных трубопроводов лежит формула Дарси-Вейсбаха, в которой отображена зависимость гидравлических потерь от длины трубопровода, диаметра трубы (или ее гидравлического радиуса), скорости движения жидкости по трубопроводу и величины коэффициента гидравлических потерь по длине, зависящего, в свою очередь, от числа Рейнольдса для данного режима движения жидкости.

19. Формула Дарси-Вейсбаха, применяемая для определения гидравлических потерь при расчете длинных трубопроводов, записывается так:

h_i = λ×l/4R×v²/2g

Поясните физический смысл величин, входящих в формулу, и охарактеризуйте их влияние на величину гидравлических потерь в трубопроводе.
Величины, входящие в формулу Дарси-Вейсбаха:

λ – коэффициент гидравлических потерь на трение, зависящий от числа Рейнольдса;

l – длина трубопровода – чем длиннее трубопровод, тем больше потери;

R – гидравлический радиус трубы – чем больше диаметр трубы, тем меньше потери;

v – скорость движения жидкости в трубопроводе – зависимость гидравлических потерь на трение от скорости квадратическая, т. е. увеличение скорости в 2 раза приводит к увеличению потерь на трение в 4 раза и т. п.;

g – ускорение свободного падения – выполняет функцию постоянного коэффициента.
20. Чем отличается ламинарный режим движения жидкости от турбулентного? Поясните физический смысл числа Рейнольдса и укажите, от каких параметров потока он зависит.
Ламинарный режим движения жидкости характеризуется упорядоченным перемещением отдельных слоев и частиц жидкости в потоке, при котором отдельные слои жидкости скользят друг относительно друга, не смешиваясь между собой.

Турбулентный режим движения жидкости характеризуется неупорядоченным движением частиц жидкости, перемещающихся по изменяющимся траекториям и интенсивным перемешиванием слоев.

Число Рейнольдса устанавливает зависимость режима движения жидкости от основных параметров ее потока – средней скорости и диаметра трубопровода (или другого русла), а также от вязкости жидкости. В общем случае число Рейнольдса определяется по формуле: Re = vd/v,

где: v – средняя скорость потока, d – диаметр трубы, v – динамическая вязкость жидкости. При определенных значениях числа Рейнольдса, называемых критическими, возможен переход от ламинарного режима движения жидкости к турбулентному режиму, и наоборот.
21. Раскройте физический смысл понятия гидравлического удара. От каких параметров жидкости и потока зависит величина повышения давления при гидравлическом ударе.
Гидравлическим ударом называют резкое увеличение давления в трубопроводе, обусловленное внезапной остановкой движущейся в нем жидкости. Гидравлический удар наблюдается, например, при встрече с препятствием, при быстром закрывании запорной арматуры трубопроводов или внезапной остановке насосов, перекачивающих жидкость, и т. п.

В соответствии с формулой Н. Е. Жуковского величина повышения давления при гидравлическом ударе зависит от плотности жидкости, скорости ее движения по трубе до встречи с препятствием и скорости распространения ударной волны, которая в свою очередь зависит от материала трубы и ее размеров, а также от модуля упругости жидкости.

Для предупреждения возникновения гидравлического удара применяют медленно закрывающиеся задвижки, вентили, а также воздушные колпаки и предохранительные клапаны, принимающие энергию удара.
22. Классификация гидравлических насосов.

Чем отличаются динамические насосы от объемных; каковы достоинства и недостатки тех и других? Какие типы гидравлических насосов нашли наиболее широкое применение в промышленности и технике?
Гидравлические насосы подразделяют на две основные группы – динамические, в которых жидкость перемещается посредством силового взаимодействия с рабочими органами насоса, и объемные, в которых перемещение жидкости осуществляется благодаря уменьшению рабочего объема насоса, сопровождающегося увеличением давления в жидкости.

Динамические насосы характеризуются высокими значениями объемной подачи, постоянством подачи, неприхотливостью к загрязнению рабочей жидкости и простотой конструкции; их основной недостаток – низкий КПД.

Объемные насосы выгодно отличает возможность создавать высокий напор и давление в напорной магистрали, кроме того они, как правило, имеют относительно высокий КПД. Среди недостатков объемных насосов можно отметить сложность конструкции по сравнению с динамическими насосами и цикличность подачи.

Среди многочисленных конструкций гидронасосов наибольшее применение получили:

динамические насосы: центробежные, осевые, струйные;

объемные насосы: поршневые (в т. ч. аксиально-поршневые и радиально-поршневые), диафрагменные (мембранные), шестеренчатые и пластинчатые насосы.

23. Перечислите основные рабочие параметры гидронасосов и охарактеризуйте их.
Работа насосов характеризуется объемной подачей, высотой всасывания, напором, мощностью и КПД.

Объемная подача (м³/с или л/с) – объем жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени.

Высота всасывания (м) – высота, на которую может подняться жидкость во всасывающей трубе, характеризует способность насоса создавать вакуум в питающей магистрали.

Напор (м) – удельная энергия, передаваемая насосом рабочей жидкости (перемещаемой среде);

Различают потребляемую и полезную мощность насоса.

Потребляемая мощность (Вт, кВт) – мощность, получаемая насосом от привода и необходимая для его функционирования в заданном режиме.

Полезная мощность (Вт, кВт) – часть потребляемой мощности, расходуемая на выполнение насосом полезной работы по перекачиванию жидкости (мощность, передаваемая насосом рабочей среде).

Потери потребляемой насосом мощности, обусловленные гидравлическими и объемными потерями на утечки, трение, гидравлическое сопротивление и т. п., характеризуются коэффициентом полезного действия насоса – КПД.


24. Сформулируйте закон Авогадро для идеальных газов и поясните его физический смысл. Раскройте суть понятия «киломоль».
Согласно закону Авогадро все газы при одинаковом давлении и температуре содержат в равных объемах одинаковое число молекул. Из этого закона следует, что плотности газов при одинаковых давлениях и температурах пропорциональны их молекулярным массам.

Киломолем (молем) газа называется масса газа в кг, равная его молекулярной массе. Так, если молекулярная масса кислорода равна 16, значит, киломоль кислорода имеет массу 16 кг. Киломоль газа обозначается греческой буквой μ и измеряется в кг/кмоль.

С учетом понятия киломоля закон Авогадро можно сформулировать и так:

объем киломоля различных газов при аналогичных физических условиях (давление, температура) одинаков.


25. Сформулируйте законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля для идеальных газов.
Закон Бойля-Мариотта утверждает, что произведение абсолютного давления газа на его удельный объем при постоянной температуре есть величина постоянная: pv = const.

Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении газа его удельный объем изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры: v₁/v₂ = T₁/T₂.

Закон Шарля заключается в том, что при постоянном удельном объеме абсолютные давления газа изменяются прямо пропорционально изменению абсолютных температур: p₁/p₂ = T₁/T₂.

26. Запишите уравнение состояния идеального газа и раскройте его физический смысл. Что такое универсальная газовая постоянная?
Уравнение состояния идеального газа, предложенное французским физиком Б. Клайпероном, в общем случае имеет вид: pV/T = R = const, т. е. произведение абсолютного давления газа на его объем и отнесенное к абсолютной температуре этого газа является величиной постоянной, равной коэффициенту R, называемому газовой постоянной. Газовая постоянная для 1 кг газа называется удельной газовой постоянной, и является для данного газа уникальной; ее значение для разных газов можно найти в справочниках.

Заменив в уравнении Клайперона объем газа его молекулярным объемом V_μ, а массу – молекулярной массой μ, получим уравнение состояния для 1 киломоля газа: pV_μ = μRT, предложенное в таком виде Д. И. Менделеевым. Из этого уравнения определяется универсальная газовая постояннаяR₀, которая одинакова для всех газов:

R₀ = μR = pV_μ/T= 8315 Дж/(кмоль×К).

Благодаря уравнениям Менделеева-Клайперона можно определить любой из трех основных параметров газа (объем, давление или температуру), зная два других параметра.

27. Раскройте физический смысл понятий «термодинамический процесс» и «удельная теплоемкость газов».
Термодинамическим процессом называют последовательность изменения термодинамического состояния системы, сопровождающуюся изменением всех или только некоторых параметров газа (давления, объема или температуры).

Если в результате термодинамического процесса (назовем его прямым) система перешла из состояния 1 в состояние 2, то любой другой процесс, возвращающий систему из состояния 2 в состояние 1, называют обратным процессом.

Термодинамический процесс является обратимым, если он протекает в прямом и обратном направлении через один и тот же ряд равновесных состояний, не вызывая изменений в самом газе и в телах, окружающих систему. В противном случае процесс является необратимым. Все реальные процессы, встречающиеся в теплотехнике, являются необратимыми.

Удельной теплоемкостью любого вещества, в т. ч. – газа, называют количество теплоты, которое необходимо подвести к единице количества вещества для нагревания его на

1 К (1 градус Кельвина).

В зависимости от выбранной единицы количества вещества (кг, кмоль, м³) различают массовую, киломольную и объемную удельную теплоемкость.

28. Сформулируйте первый закон термодинамики и раскройте его физический смысл.
Первый закон термодинамики можно сформулировать так: вся теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы.

В дифференциальном виде закон записывается так:

dQ = dU + dA,

где: dQ – подведенная к системе теплота, dU – изменение внутренней энергии системы (кинетической энергии молекул и потенциальной энергии взаимодействия между отдельными молекулами газа), dA – механическая работа, выполненная газом, которая характеризуется соотношением между изменениями давления и объема газа.
Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии. Он определяет соотношение между количеством подведенной к системе теплоты, ее внутренней энергией и совершаемой механической работой, устанавливая энергетический баланс термодинамических процессов.

29. Перечислите основные термодинамические процессы и охарактеризуйте их.
К основным термодинамическим процессам относят изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы.

Изохорным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме. Такой процесс может иметь место при нагревании газа в закрытом постоянном объеме, при этом изменяются лишь два основных параметра – температура и давление газа. Количественные характеристики изохорного процесса устанавливает закон Шарля: p₁/T₁ = p₂/T₂.

Поскольку этот процесс протекает в замкнутом постоянном объеме, вся подводимая к газу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии системы (кинетической и потенциальной энергии молекул газа).
Изобарным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении. Примером такого процесса является нагревание газа в цилиндре, закрытом подвижным поршнем, при этом нагрев газа сопровождается увеличением объема за счет перемещения поршня. Давление газа в цилиндре остается неизменным. Процесс характеризуется законом Гей-Люссака: v₁/T₁ = v₂/T₂.

Поскольку подведенная теплота затрачивается на нагрев газа и увеличение его объема (в нашем примере – перемещение поршня), то можно сделать вывод, что при изобарном процессе часть теплоты преобразуется во внутреннюю энергию системы (энергию молекул газа), а другая часть теплоты расходуется на механическую работу.
Изотермическим называют термодинамический процесс, протекающий при постоянной температуре, и характеризуется уравнением Бойля-Мариотта: p₁v₁ = p₂v₂, т. е. увеличение давления сопровождается пропорциональным уменьшением объема при неизменной температуре.

При изотермическом процессе вся энергия системы преобразуется в механическую работу, так как температура газа неизменна, следовательно, неизменна и его внутренняя энергия.

Адиабатным называют термодинамический процесс изменения состояния рабочего тела, осуществляемый в условиях полной термоизоляции с внешней средой, т. е. без подвода и отвода теплоты. Такой процесс возможен, например, при сжатии или расширении газа в цилиндре-термосе, исключающем теплообмен с внешней средой.

Если применить для адиабатного процесса уравнение первого закона термодинамики, то станет очевидно, что вся работа при таком процессе выполняется только за счет изменения внутренней энергии системы.

30. Раскройте физический смысл второго закона термодинамики.
Второй закон термодинамики описывает условия преобразования одного вида энергии в другой при термодинамических процессах. Он является существенным дополнением к первому закону термодинамики, который указывает на строгий энергетический баланс в системе при термодинамических процессах, но не определяет факторы, при которых эти процессы могут иметь место.

Основные идеи второго закона термодинамики принадлежат французскому физику С. Карно, который выразил их примерно так: «движущая сила теплоты определяется исключительно разницей температуры тел, при этом невозможно использовать всю движущую силу тепла для выполнения полезной работы».

Имеется несколько более поздних формулировок второго закона термодинамики, среди которых наиболее характерные:

• 
  Теплота, сообщаемая рабочему телу, не может полностью превратиться в работу, без постоянно поддерживаемого перепада температур, т. е. для превращения теплоты в работу необходимо иметь два тела - теплое и холодное, температура которого все время должна оставаться ниже температуры теплого тела. Это условие, в частности, указывает на невозможность создания теплового вечного двигателя, поскольку невозможно бесконечно отнимать тепло у какого-либо тела для поддержания даже мизерного перепада температур с другим телом.
  
• 
  Теплота не может переходить от холодного тела к более теплому телу сама собой – для этого необходимо затратить энергию.
  

31. Опишите идеальный цикл Карно.
Цикл Карно, предложенный почти 200 лет назад французским инженером Сади Карно, является идеальным круговым циклом теплового двигателя.

Цикл Карно совершается газом, находящимся в цилиндре под поршнем, и состоит из четырех термодинамических процессов, протекающих в следующей последовательности:
1 . Изотермический процесс, сопровождающийся получением рабочим телом некоторого количества тепла от более теплого тела (нагревателя), в результате чего происходит расширение рабочего тела и совершение работы (все получаемое телом тепло преобразуется в работу, внутренняя энергия газа не меняется).
2. Адиабатный процесс, протекающий в условиях полной теплоизоляции рабочего тела (газа) от внешней среды. При этом процессе газ продолжает совершать работу, одновременно теряя температуру по мере расширения, т. е. вся работа газа осуществляется за счет его внутренней энергии (энергии молекул).
3. Изотермический процесс, сопровождающийся передачей тепла от рабочего тела к более холодному телу (холодильнику) и характеризующийся уменьшением объема и давления газа при постоянной температуре. При этом процессе цикла Карно газ совершает работу и отдает тепло, равное произведенной работе, не изменяя внутреннюю энергию.
4. Адиабатный процесс, протекающий в условиях полной теплоизоляции рабочего тела от внешней среды, при этом рабочее тело продолжает сжиматься, совершая отрицательную работу без передачи тепла, и возвращается в первоначальное состояние, с которого цикл начинался.
Далее описанный цикл Карно повторяется.

Цикл Карно исключает теплообмен между рабочим телом и окружающей средой, когда тепло может передаваться без совершения положительной работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника.