варя. Ведёрников 2. Основные сведения из гидравлики

• Название: Основные сведения из гидравлики
• Дата: 07.02.2023
• Размер: 4.59 Mb.
• Имя файла: Ведёрников 2.doc
• Тип: Глава; #924312
• страница: 3 из 21

§ 9. Термодинамические процессы



Термодинамическим процессом называется изменение термоди­намической системы (газа) в результате взаимодействия ее с внеш­ней средой.

Рис. 1. Изохорный процесс изменения состояния газа


Рис. 2. Изобарный процесс из­менения состояния газа

Переход газа из начального состояния в конечное всегда осуще­ствляется через множество промежуточных состояний. Совокуп­ность точек, соответствующих на графике этим состояниям, обра­зует линию, которая служит графическим изображением процесса в системе координат р—V.

В зависимости от того, в каких условиях происходит переход газа из начального состояния в конечное, различают следующие термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермиче­ский, адиабатный, политропный.

Изохорный процесс характеризуется тем, что переход газа из одного состояния в другое происходит без изменения удельного объема. В системе р—V координат этот процесс изображается ли-

нией J—2, параллельной оси ординат (рис. 1). Эта линия называ­ется изохорой. В изохорном процессе газ не совершает внешней ра­боты потому, что его объем не изменяется. Все подведенное количе­ство

теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа, на повы­шение его температуры.

В процессе 1—2 теплота подводится к газу, а в процессе 2—1 — отводится. Математическое выражение процесса:

P₂/P₁ = T₂/T₁ или p/T = R/V = const.



Рис. 3. Изотермический процесс Рис. 4. Адиабатный процесс измс-
изменения состояния газа нения состояния газа
Изобарный процесс — это термодинамический процесс, протека­ющий при постоянном давлении. Линия 1—2, изображающая этот процесс, параллельна оси абсцис и называется изобарой (рис. 2).

Работа Л в изобарном процессе измеряется площадью прямо­угольника, высота которого р, а основание V₂—V₁. В изобарном про­цессе количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии и на совершение внешней работы. В процессе 1—2 теплота к газу подводится, газ увеличивает объем и совер­шается работа против внешних сил. В процессе 2—1 теплота от газа отводится, объем газа уменьшается, и внешние силк совершают над газом работу, при этом газ охлаждается. Математическое вы­ражение процесса:
^V₁^/V₂^{= T}₂^/T₁ ^{или- V/T =R/p=const.}

Изотермический процесс протекает при постоянной температу­ре. Его уравнение:

pV = const или p₂/p₁= V₁/V₂

В системе координат р—V процесс изображается равнобокой гиперболой, которая называется изотермой (рис. 3).

Работа Л в изотермическом процессе измеряется площадью, ограниченной изотермой 1—2, ординатами 1—В и 2—С, отрезком абсциссы ВС.
В изотермическом процессе 1—2 температура газа не изменя­ется, поэтому его внутренняя энергия также не изменяется, а все



подведенное количество теплоты расхо­дуется на совершение внешней работы. В процессе 2—1 внешние силы соверша­ют над газом работу, при этом теплота полностью отводится от газа.

Адиабатный процесс характеризуется отсутствием теплообмена с окружающей средой. В системе координат р—V этот процесс изображается кривой, которая называется адиабатой (рис. 4).

При адиабатном процессе изменяют­ся все три параметра: р, V, Т. Матема­тическое выражение процесса:

pV^R = const,
где R — показатель адиабаты.

Рис. 5.

Термодинамические процессы:

1-4-изотермический

2-4-политропный

3-4-адиабатный

5-4-изобарный

6-4-изохорный
В процессе 1—2 работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии

газа, температура при этом понижается.

В процессе 2—1 работа, совершаемая над газом внешними силами, идет на увеличение внутренней энер­гии, на повышение его температуры. На диаграмме р—V ра­бота Л в адиабатном процессе показана заштрихованной площад­кой.

Политропный процесс характеризуется тем, что он протекает с изменением всех параметров состояния газа и при наличии теплооб­мена с внешней средой. Кривая, изображающая политропный про­цесс, называется политропой. Математическое выражение процесса:

р Vⁿ = const,

где п — показатель политропы.

На рис. 5 для сравнения показаны все термодинамические про­цессы.
§ 10. Второй закон термодинамики
Основное назначение термодинамических процессов, протекаю­щих в любом тепловом двигателе, состоит в том, чтобы превращать теплоту, подводимую к рабочему телу (газу), в полезную работу, которую газ совершает в процессе своего расширения. Но построить машину, в которой бы газ только расширялся, невозможно. Поэтому во всех тепловых машинахпосле расширения газа происходит его сжатие и возвращение в первоначальное состояние.

Процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последо­вательно различные состояния, возвращается в первоначальное, на­зывают круговыми или циклическими.

В системе p—V координат термодинамический цикл изобража­ется замкнутым контуром. Если линия расширения в этом контуре лежит выше линий сжатия, то цикл протекает по направлению вра­щения часовой стрелки и называется прямым. Прямые циклы — это циклы тепловых двигателей. Термодинамический цикл может проте­кать и в обратном направлении. В этом случае линия расширения лежит ниже линии сжатия. Такие циклы называют обратными, и они являются циклами холодильных ма­шин.

Основной закон, которому подчиняют­ся термодинамические циклы,- второй закон термодинамики. Он гласит, что процесс, при котором не происходит ни­каких изменений, кроме передачи тепло­ты от горячего тела к холодному, являет­ся необратимым, поэтому теплота не мо­жет перейти от холодного тела к горя­чему без каких-либо других изменений в термодинамической системе, например без затраты работы.

Если обозначить через Q₁ количество теплоты, подведенное к 1 кг рабочего те­ла в термодинамическом цикле, а через

Q₂ количество теплоты, отданное холодному источнику, то по­лезно использованное количество теплоты Q (Дж/кг), т. е. пре­вращенное в полезную работу, будет

Q = Q_l-Q₂.

В ажнейшей характеристикой термодинамического цикла служит отношение количества полезно использованной теплоты ко всей за­траченной. Это отношение называется термическим КПД цикла и обозначается буквой η_t.

η_t=(Qi-Q₂)/Q₁

Термический КПД цикла всегда меньше единицы. При созданий тепловых машин стремятся, чтобы КПД был по возможности больше.

Впервые экономичность термодинамических циклов проанали­зировал в прошлом веке французский инженер Карно. Он исследо­вал цикл, который занимает в термодинамике особое место и но­сит название цикла Карно.

Цикл Карно (рис. 6) образован двумя изотермами и двумя адиабатами. Рабочее тело; параметры состояния которого соответ­ствуют точке а в системе р—V координат, сообщается с источни­ком теплоты. К телу подводится теплота при постоянной темпера­туре Т₁. Таким образом создаются условия для расширения рабо­чего тела, которое протекает по изотерме а—Ь. В ходе этого процесса к рабочему телу подводится количество теплоты Qi, его объем увеличивается, а давление уменьшается. Когда рабочее тело достигнет состояния, соответствующего точке Ь, его изолируют от источника теплоты, и дальнейшее расширение протекает без теплообмена с окружающей средой по адиабате 6—с. Температу­ра рабочего тела понижается от Т₁ до Т₂. При состоянии, соответ­ствующем точке с, рабочее тело сообщается с холодным источни­ком (холодильником), и от него отводится теплота при постоян­ной температуре Т₂. Создаются условия для изотермического сжа­тия. Процесс идет по изотерме с—d. От рабочего тела отводится количество теплоты Q₂, после чего его контакт с холодным источ­ником прекращается. Возвращение рабочего тела в состояние, соот­ветствующее точке d, осуществляется в результате сжатия без теп­лообмена с окружающей средой по адиабате d— а.

Карно доказал, что этот цикл является циклом максимальной экономичности. Не существует других термодинамических циклов, термический КПД которых был бы больше, чем КПД цикла Карно. Была также установлена чрезвычайно важная зависимость КПД тепловой машины от температуры T₁, нагревателя и температуры Т₂ холодильника. Независимо от конструкций и выбора рабочего тела максимальное значение КПД тепловой машины определяется выра­жением:
η_max=(T₁- Т₂)/ Т₁

Цикл Карно — идеальный цикл. Его невозможно в точности осу­ществить в реальной тепловой машине, потому что нельзя обеспе­чить изотермический подвод и отвод теплоты, а также расширение и сжатие рабочего тела без теплообмена с окружающей средой. Тем не менее исследования Карно имеют большое значение. Они пока­зали, что для повышения экономичности тепловых двигателей надо осуществлять подвод теплоты к рабочему телу при возможно более высокой температуре, а отвод —при возможно более низкой.
§ 11. Свойства водяного пара

Водяной пар широко используют в качестве рабочего тела в поршневых паровых машинах и паровых турбинах, а также как теп­лоноситель в теплообменных аппаратах. Поэтому изучение свойств водяного пара занимает в термодинамике важное место.

Пар получают двумя способами: испарением и кипением.

Испарением называется процесс парообразования, происходя­щий только с поверхности жидкости. Испарение идет при любой температуре, причем интенсивность его увеличивается с повышени­ем температуры.

Кипение — интенсивный переход жидкости в пар, протекающий во всем объеме. Кипение происходит при строго определенной для каждой жидкости температуре, которая зависит от давления Чем выше давление, тем соответственно выше температура, при которой кипит жидкость. Температура кипения остается постоянной, пока вся жидкость не превратится в пар.
Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называет­ся насыщенным. При равновесии устанавливается постоянная плот­ность пара, которая отвечает определенному давлению. Это давле­ние называют упругостью насыщенного пара. Упругость насыщенно­го пара возрастает с повышением температуры. Состояние насыщенного пара очень неустойчиво. Малейшее изменение усло­вий, в которых он находится, приводит либо к конденсации пара, либо к дополнительному парообразованию.

Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Пар, не содер­жащий в своем составе частиц жидкости, называют сухим насыщен­ным паром.

Влажный насыщенный пар представляет собой механическую смесь сухого пара и мельчайших частиц жидкости.

Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называют теплотой парообразова­ния. С увеличением давления теплота парообразования уменьша­ется.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту при посто­янном давлении, то температура его будет повышаться, объем уве­личится и сухой насыщенный пар перейдет в состояние перегретого.

Степень перегрева пара ∆t определяют разностью температур перегретого t_П и насыщенного t_H паров:

∆t = t_П-t_H
Чем выше температура перегрева пара, тем ближе он по своим свойствам к идеальному газу.

Водяной пар получают в паровых котлах различных размеров и типов. Так как экономичность тепловых двигателей повышается с увеличением температуры горячего источника, в паросиловых установках всегда используют перегретый пар. В настоящее время в нашей стране освоено изготовление паровых котлов большой производительности с температурой перегретого пара до 585°С. Пе­регрев пара осуществляется в пароперегревателях, в которые пар поступает из котла во влажном насыщенном состоянии. В паропе­регревателях пар сначала подсушивается, т. е. из него полностью удаляется влага, а затем перегревается до заданной температуры. Промышленный технологический пар следует рассматривать как реальный газ, который подчиняется уравнению Ван-дер-Ваальса.

Для каждого вещества существует так называемое критическое состояние, которое характеризуется критическим давлением р_к и критической температурой t_K. В этом состоянии плотность жидкости и ее насыщенного пара становятся одинаковыми; исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром. Вещество, находящееся в критическом состоянии, является однофазным. Оно обладает свой­ствами газообразных и жидких тел одновременно. При температуре выше критической никаким повышением давления перегретый пар не может быть обращен в жидкость.