Судовые энергетические установки
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра электрооборудования судов и автоматизации производства Железняк Александр Александрович СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Учебное пособие для курсантов специальности 26.05.07 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики (специализация: Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики) и направления бакалавриата 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника (профиль «Электрооборудование и автоматика судов») очной и заочной форм обучения Керчь, 2019 г. 2 УДК 629.5 Железняк А.А. Судовые энергетические установки: учебное пособие / А.А. Железняк. – Керчь, 2019. – 134 с. Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями Международной конвенции ПДНВ с поправками, Кодекса ПДНВ с поправками, а также с учетом рекомендаций IMO Model course 7.08 Electro-technical officer. Пособие предназначено для курсантов, осваивающих основные образовательные программы по специальности высшего и среднего профессионального образования 26.05.07 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики (специализация: Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики) и направления бакалавриата 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника (профиль «Электрооборудование и автоматика судов»). Автор: Железняк Александр Александрович, канд. техн. наук, доцент кафедры электрооборудование судов и автоматизация производства ФГБОУ ВО «КГМТУ» Рецензенты: Жуков В. А.– доктор технических наук, доцент, член-корреспондент Национальной академии прикладных наук Российской Федерации, заведующий кафедрой теории и конструкции судовых двигателей внутреннего сгорания ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» Доровской В. А. – доктор технических наук, профессор кафедры электрооборудование судов и автоматизация производства ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет» Токарев Д. А. – кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатация морских судов и сооружений ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет» «Рекомендовано Ученым советом Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Керченский государственный морской технологический университет» в качестве учебного пособия для обучающихся по основным образовательным программам высшего образования – 26.05.07 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики (специализация: Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики) и направления бакалавриата 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника (профиль «Электрооборудование и автоматика судов»). Протокол № 11 от «28» ноября 2019 года. 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 5 7 РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 6 9 Тема 1.1 Рабочее тело и параметры состояния 6 9 1.1.1 Общие понятия. 6 1.1.2 Классификация источников энергии. 7 Тема 1.2 Идеальные газы и газовые смеси. 9 1.2.1 Понятие об идеальных и реальных газах. 9 1.2.2 Теплоемкость газов и газовых смесей 11 1.2.3 Основные термодинамические процессы, используемые при производстве электрической и тепловой энергии. 11 1.2.4 Первый закон термодинамики 13 1.2.5 Понятие об энтальпии. 15 1.2.6 Работа газа и ее графическое изображение. 16 Тема 1.3. Термодинамические процессы. 17 1.3.1 Термодинамические процессы 17 1.3.2 Второй закон термодинамики 24 Тема 1.4. Циклы тепловых машин. Цикл Карно 25 1.4.1Круговые процессы (циклы). 26 1.4.2 Цикл Карно. 27 1.4.3 Понятие об энтропии. Диаграмма Т — S. 29 Тема 1.5. Основы теплотехники 32 1.5.1 Водяной пар и циклы паросиловых установок 33 1.5.2 Таблицы и диаграмма i — S для водяного пара. 37 1.5.3 Схема паросиловой установки. 38 1.5.4 Цикл Ренкина. 38 1.5.5 Способы повышения экономичности цикла паросиловой установки. 39 РАЗДЕЛ 2. СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ 41 Тема 2.1 Судовые двигатели внутреннего сгорания 41 2.1.1 Типы двигателей внутреннего сгорания. 41 2.1.2 Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания 44 2.1.3 Классификация судовых двигателей внутреннего сгорания 45 2.1.4 Принцип действия четырехтактного двигателя 46 2.1.5 Принцип действия двухтактного двигателя 49 2.1.6 Циклы поршневых ДВС 51 2.1.7 Наддув дизелей 52 2.1.8 Показатели работы ДВС 53 4 2.1.9 Конструктивное исполнение судовых ДВС 55 2.1.10 Состав и свойства топлив, применяемых в ДВС 57 2.1.11 Смазочные материалы для ДВС 59 Тема 2.2. Дизельные судовые энергетические установки 61 2.2.1 Типы главных дизельных энергетических установок, их особенности и комплектация 61 2.2.2 Основные типы дизельных энергетических установок судов промыслового флота 68 2.2.3 Обслуживание судовых двигателей внутреннего сгорания 79 2.2.4 Техника безопасности при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. 81 2.2.5 Технико-экономические характеристики СЭУ с ДВС и возможности их повышения 82 Тема 2.3. Судовые котельные установки 84 2.3.1 Общие сведения о паровых котлах 85 2.3.2 Конструкции судовых паровых котлов 88 2.3.3 Арматура котлов. 94 2.3.4 Основы автоматического регулирования котлов. 96 2.3.5 Гарнитура котла 98 2.3.6 Процесс сгорания топлива 103 2.3.7 Обеспечение чистоты питательной воды. 105 2.3.8 Обслуживание паровых котлов 106 Тема 2.4. Судовые системы и устройства. Вспомогательные механизмы 110 2.4.1 Системы дизельных энергетических установок 111 2.4.1.1Топливные системы 112 2.4.1.2 Системы смазочного и охлаждающего масла 114 2.4.1.3 Системы охлаждения 116 2.4.1.4 Системы воздухоснабжения 117 2.4.1.5 Система сжатого воздуха 118 2.4.1.6 Системы выпускных газов 119 2.4.2 Устройство судового нагнетателя 120 2.4.3 Механизмы рулевых устройств 122 2.4.4 Якорно-швартовные, грузовые и буксирные механизмы. 125 2.4.5 Грузовые механизмы. 128 Список используемой литературы 133 5 ВВЕДЕНИЕ Современное судно оборудовано разнообразными машинами и механизмами, которые в совокупности и во взаимосвязи с устройствами и аппаратами образуют судовую энергетическую установку (СЭУ). Для понимания принципа её работы требуется знать теоретические основы технической термодинамики, её основные законы, определения и понятия. Судовая энергетическая установка представляет собой комплекс взаимосвязанных элементов энергетического оборудования, в которых происходят процессы превращения энергии, заключенной в топливе, в энергию тепловую, механическую и электрическую (см. схему на рисунке 1.1). Рисунок 1.1 - Схема преобразования энергии в СЭУ Указанные виды энергии служат для приведения судна в движение, а также для обеспечения средств управления, связи, борьбы за живучесть, собственных нужд экипажа и пассажиров (отопление, освещение, вентиляция, санитарные нужды и др.), осуществления грузовых операций и специальных задач в зависимости от назначения судна (охлаждение трюмов на рефрижераторных судах, лов и переработка рыбы на рыболовных траулерах и т.д.). На несамоходных судах (несамоходные земснаряды, плавучие краны, плавучие доки и др.) энергетическая установка служит для выполнения работ, вытекающих из основного назначения судна и обеспечения нужд экипажа. Учебное пособие предназначено для курсантов, обучающихся по специальности 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» и направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электрооборудование и автоматика судов»), для которых «Судовые энергетические установки» является профилирующим предметом. 6 РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Тема 1.1. Рабочее тело и параметры состояния При знакомстве с этой темой необходимо изучить, как тепловая энергия превращается в механическую работу, а также понять процесс изменения состояния рабочего тела при взаимных превращениях теплоты и работы. Рабочее тело характеризуется следующими параметрами состояния: давлением, температурой и удельным объемом. В результате изучения темы студент должен знать параметры состояния и единицы их измерения, приборы для измерения, уметь определять их величины практическим и расчетным путем. Основные вопросы темы: — рабочее тело и параметры его состояния; — единицы и способы измерения параметров состояния рабочего тела; — понятие об энергии, работе, мощности и теплоте. Единицы их измерения. 1.1.1 Общие понятия Энергия определяется, как действие, деятельность, общая мера различных форм движения материи. Это достаточно общее выражение, требующее дополнительных пояснений. В процессе пояснений возникнут новые понятия и невольно будет использовано понятие энергии. В результате образуется замкнутый круг, при определении понятия энергии, необходимо использовать само это понятие. Появляется некая нелинейная задача. Можно сделать вывод, что понятие энергии можно определить только путем ее описания. изложения ее свойств, особенностей, форм взаимодействия материальных объектов, которые возникают с ее помощью. Энергетика определяется, как отрасль хозяйства, охватывающая энер- гетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Здесь следует, пожалуй, добавить, что энергетика включает в себя и научно-техническое направление, занимающееся изучением сути всех энергетических преобразований, а также созданием новых направлений использования энергии в интересах человека. Известный астрофизик Н.С. Кардашев считает, что уровень развития любой цивилизации определяется уровнем энергии, которой цивилизация может управлять. Понятие энергии можно определить как следствие силового взаимо- действия различных материальных объектов. С некоторой степенью условности физика различает следующие виды взаимодействий: 1. Электромагнитное - взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами. 2. Гравитационное - взаимодействие между всеми частицами или телами, имеющими ненулевую массу (покоя или движения) 7 3. Сильное - взаимодействие между элементарными частицами, име- нуемыми адронами, практический интерес представляет взаимодействие между протонами и нейтронами. 4. Слабое. Это взаимодействие ответственное за стабильность или распад элементарных частиц. Практический интерес представляет участие слабого взаимодействия в ядерных реакциях, используемых в атомных электростанциях. Существует связь межу силовым взаимодействием материальных объектов и энергией, которой они обмениваются: dW dξ = 𝑓 (1.1) где W - энергия, f - сила взаимодействия, ξ - обобщенная координата. В векторной форме и в конкретном трехмерном пространстве эта взаимосвязь выглядит следующим образом: 𝑑𝑊 𝑑𝑥 𝑖 + 𝑑𝑊 𝑑𝑦 𝑗 + 𝑑𝑊 𝑑𝑧 𝑘 = 𝑓 (1.2) На основе различных силовых взаимодействий также с некоторой степенью условности различают виды энергии: 1. Механическая 2. Электромагнитная 3. Гравитационная 4. Ядерная 5. Химическая и некоторые другие. Существует связь энергии с массой, выражаемая формулой: W = m·с 2 , (1.3) в этой формуле m - масса материального тела, с скорость света в вакууме, равная 299792458 м/с. Если массу измерить в кг, то энергия получится в Джоулях. В практических расчетах обычно принимают с = 300000 км/с = 310 8 м/с. 1.1.2 Классификация источников энергии В первом приближении все источники энергии можно разделить на две группы. А именно, на получаемые или полученные от солнца и получаемы или полученные от других источников. Рассмотрим виды источников энергии, относящиеся к первой группе. - Энергия, получаемая непосредственно от солнца электромагнитным путем. Она может приниматься прямо в виде электромагнитного излучения, но может приниматься опосредовано в виде энергии ветра или гидроэнергии рек. - Энергия солнца, полученная также электромагнитным путем, но ранее, в прошедшие времена и накопленная растительным и животным миром в виде древесины, торфа, каменного угля, биотоплива, возможно горючих сланцев, природного газа и нефти. Последние три источника энергии сопровождаются оговоркой возможно, поскольку до сих пор не ясно их происхождение. Если окажется, что они органического происхождения, то несомненно, что их энергия есть энергия солнца. Если же будет доказано их неорганическое происхождение, то источником их энергии непосредственно солнце быть не может. 8 Другой вариант классификации источников энергии возможен путем разделения их на возобновляемые и не возобновляемы. К первым относят ис- точники, которые функционируют и будут функционировать в течение времени на много порядков больше, чем время существования человеческой цивилизации. К первым относят источники, которые обеспечивают: - электромагнитную энергию солнца, - энергию ветра, - гидроэнергию, - геотермальную энергию, - энергию морских и океанических приливов, отливов и волн, - энергию древесины и биотоплива, - энергию торфа при условии, что время рекультивации болот будет достаточно для возобновления запасов торфа. К не возобновляемым источникам относят те, которые имеют ограниченный запас и возобновление этих запасов не происходит или происходит достаточно медленно. К ним относятся: - нефть, - каменный уголь, включая все его разновидности, - природный газ, - горючие сланцы, - ядерное топливо. Те источники энергии, которые свою потенциальную энергию представляют в виде химической энергии и выделяют ее при сгорании, называют топливом. Топливо в свою очередь подразделяется на: - твердое (уголь, древесина, горючие сланцы), - жидкое (нефть и ее продукты переработки), - газообразное (природный газ, попутный газ, доменный газ, биогаз). Особняком стоит ядерное топливо, которое обычно относят к твердым видам топлива, хотя в упомянутом выше смысле это не топливо, ибо способ извлечения из него энергии не связан с горением. Контрольные вопросы: 1. Перечислите параметры состояния рабочего тела, подлежащие непосредственному измерению. 2. Назовите приборы, которыми измеряют параметры состояния. Укажите размерности этих параметров. 3. Поясните, что такое «теплота», «внешняя работа», «внутренняя энергия», «мощность»? Назовите, в каких единицах измеряются эти параметры. Литература [1, 2, 7] 9 Тема 1.2 Идеальные газы и газовые смеси В реальности идеального газа не существует. Это понятие введено в термодинамику для упрощения расчетов. Взаимосвязь между тремя основными параметрами состояния (давлением, температурой и удельным объемом) выражается уравнением состояния PV = RT, где R =PV/T — постоянная для каждого газа величина, называемая удельной газовой постоянной. Необходимо обратить внимание на универсальную газовую постоянную Ro = μR, являющуюся одинаковой для всех идеальных газов. Теплоемкость газа — также параметр состояния рабочего тела, который можно определить расчетом. В результате изучения темы студент должен понимать основные законы идеальных газов, физический смысл первого закона термодинамики и уметь определять теплоемкость, энтальпию и другие параметры идеальных газов. Основные вопросы темы: — понятие идеального газа, уравнение его состояния; — газовая постоянная и ее физический смысл; — закон Авогадро. Уравнение состояние для газовой смеси; — понятие о реальных газах. Теплоемкость, связь между теплоемкостью при постоянном объеме и давлении; — энтальпия как параметр состояния; — первый закон термодинамики и его физический смысл. 1.2.1 Понятие об идеальных и реальных газах Для упрощения расчетов в теплотехнике пользуются понятием и д е а л ь н ы е г а з ы . Идеальных газов в природе не существует. Считается, что в этих газах совершенно отсутствуют молекулярные силы, а сами молекулы принимаются за материальные точки, объемом которых можно пренебречь. Такие допущения в практических расчетах дают мало заметные погрешности, но вместе с тем позволяют значительно упростить расчеты. В отличие от идеальных газов все действительно существующие газы называются р е а л ь н ы м и . Закон Авогадро. В термодинамике в качестве единицы массового количества вещества часто принимается не универсальная единица массы — килограмм (кг), а индивидуальная для каждого вещества масса — к и л о м о л ь (кмоль). Киломолем называется количество вещества, масса которого в килограммах численно равна молекулярной массе. Например, для кислорода 0 2 , 10 молекула которого состоит из двух атомов с атомной массой 16,1 кмоль= 16x2=32 кг; для углекислого газа С0 2 1 кмоль= 12+(16x2) =44 кг. Введение понятия «киломоль» в расчеты оказалось очень удобным, в частности потому, что объемы киломоля любого идеального газа при одинаковых температурах и давлениях одинаковы. Это является следствием закона Авогадро, который можно сформулировать так: количества газов, занимающих одинаковые объемы при одинаковых давлениях и температуре, относятся прямо пропорционально их молекулярным массам и обратно пропорционально их удельным объемам. Отсюда следует, что объемы молей разных газов, взятых при одинаковых условиях, равны между собой и при нормальных физических условиях составляют величину, равную 22,4 м 3 /кмоль. Это значит, что, например, 32 кг кислорода (1 кмоль О 2 ) и 44 кг углекислого газа (1 кмоль СО 2 ) при р —101,3 кПа (760 мм рт. ст.) и t = 0°С имеют одинаковый объем, равный 22,4 м 3 Уравнения состояния идеальных газов. Зависимость между тремя основными параметрами идеального газа (давлением, удельным объемом и температурой) устанавливается у р а в н е н и е м с о с т о я н и я pv = RT, (1.4) где R= pv T есть постоянная для каждого газа величина, называемая у д е л ь н о й г а з о в о й п о с т о я н н о й . Удельная газовая постоянная R есть работа расширения 1 кг идеального газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении. В системе СИ работа, как и энергия, выражается в джоулях (Дж). Джоуль — это работа силы 1 Н на расстоянии 1 м. Поэтому удельная газовая постоянная выражается в джоулях на килограмм- Кельвин. Так как в уравнение (а) входит удельный объем газа, то оно справедливо только для 1 кг газа. Для произвольного же количества его — например для М кг, уравнение состояния будет иметь вид pv = MR T. (1.5) Если обе части уравнения (а) умножить на молекулярную массу µ, получим уравнение состояния для одного киломоля p v µ = µ R T , ( 1.6) где v µ — объем 1 кмоля v 0; из этого уравнения получаем µ𝑅 = 𝑝𝑣 0 𝑇 . (1.7) Произведение µ R является одинаковым для всех идеальных газов, поэтому оно называется у н и в е р с а л ь н о й г а з о в о й п о с т о я н н о й и обозначается Ro. Универсальная газовая постоянная при номинальных физических условиях составляет R 0 = 8314,3 кДж(кмоль·К) = 847,8 кгс/м (кмоль·С). 11 1.2.2 Теплоемкость газов и газовых смесей Понятие о теплоемкости. Теплоемкостью называется количество тепловой энергии (теплоты), которое нужно подвести к данному количеству вещества (в частном случае газа), чтобы нагреть его на один градус. Это же количество теплоты, но отнесенное к единице количества вещества, называют у д е л ь н о й т е п л о е м к о с т ь ю . Так как количество газа может быть измерено в килограммах, кубических метрах и киломолях, то в соответствии с этим в теплотехнике различаются и удельные теплоемкости. М а с с о в о й т е п л о е м к о с т ь ю газа называется такое количество теплоты, которое нужно подвести к 1 кг газа, чтобы нагреть его на один Кельвин (градус Цельсия). Массовая теплоемкость обозначается буквой С и измеряется в кДж/(кгК). О б ъ е м н о й т е п л о е м к о с т ь ю газа называется такое количество теплоты, которое нужно подвести к одному кубическому метру газа при нормальных условиях, чтобы нагреть его на один градус. Объемная теплоемкость обозначается буквой С´ ее единица кДж/(м 3 · К ) . М о л ь н о й т е п л о е м к о с т ь ю называется такое количество теплоты, которое нужно подвести к одному киломолю газа, чтобы нагреть его на один градус. Мольная теплоемкость обозначается С^; единица мольной теплоемкости — кДж/(кмоль·К). Зависимость между тремя теплоемкостями определяется следующими уравнениями: — между массовой и мольной С = С 𝜇 𝜇 Дж/(кг·К); (1.8) — между объемной и мольной С' = С 𝜇 22,4 Дж/(м 3 ·К); (1.9) — между массовой и объемной С = 22,4С ′ 𝜇 Дж/(кг·К). (1.10) 1.2.3 Основные термодинамические процессы, используемые при производстве электрической и тепловой энергии Все термодинамические процессы базируются на трех законах (или началах) термодинамики. В свою очередь законы термодинамики описывают процессы преобразования энергии или в пределах одного вида энергии или процессы преобразования одного вида энергии в другие. Процессы преобра- зования энергии ложатся в основу создания соответствующих устройств, с помощью которых удается получить тот вид энергии, который нужен потре- бителям. В современном понимании термодинамика есть наука, изучающая закономерности теплового движения, взаимную связь с другими видами энергии 12 и влияние этой связи на свойства физических тел. Различают физическую термодинамику, техническую термодинамику, термодинамику необратимых процессов и некоторые другие направления. Нас будут интересовать некоторые разделы технической термодинамики, применительно к изучению вопросов электро и теплоэнергетики. Основные термодинамические понятия. Для рассмотрения процессов преобразования энергии, конечной целью которых является получение электрической и тепловой энергии необходимо определиться с основными понятиями, которые будут использоваться при рассмотрении. Температура. Абсолютная температура измеряется по шкале Кельвина, обозначается как «Т». Связь со шкалой Цельсия: Т = t +273,15. (1.11) Где t температура по шкале Цельсия (сопровождается обозначением С или Ц). Значение одного градуса Кельвина и Цельсия совпадают. Количество тепловой энергии (теплоты) измеряется в международной системе единиц СИ в Джоулях (Дж). Существует связь со старой единицей калорией: 1Дж = 0,24 Кал. Давление (p) определяется как сила величиной в 1 Ньютон (Н), при- ходящаяся на площадь 1 м 2 и равномерно распределенная по этой площади. Такая единица давления называется Паскаль (Па). Производные: 1кПа = 10 3 Па, 1МПа = 10 6 Па, связь со старой единицей измерения давления атмосферой: 1МПа = 10,2 ат. Объем измеряется в м3 обозначается «V», удельный объем это объем приходящийся на единицу массы рабочего тела, обозначается как «v» и измеряется в м /кг. Плотность - величина обратная удельному объему, обозначается как «ρ» (греческая буква ро) и измеряется в кг/м . Удельная теплоемкость - количество теплоты, которое требуется для изменения температуры рабочего тела массой 1кг на 1 градус. Вообще суще- ствует три вида теплоемкости: массная, объемная и мольная. Мы будем использовать только массную, удовлетворяющую формуле с = 𝑑𝑄 𝑑𝑇 — и измеряемую в Дж кг∙град . Для газов (в частности для водяного пара) различают: - теплоемкость при постоянном давлении (изобарную), обозначают с р , - теплоемкость при постоянном объеме (изохорную), обозначают с у , - среднюю теплоемкость для данного интервала температур с ср , практически в таблицах дается значение этой теплоемкости для интервала 0 - t0C, Тогда: Q = c cp (t - 0) = c cp t. (1.12) Энтальпия, по другому теплосодержание. Это понятие говорит о полном внутреннем количестве теплоты и количестве энергии полученной путем воздействия внешней среды на рабочее тело, например путем оказания давления на него. Обычно энтальпию рассчитывают на 1 кг массы и выражают формулой: I = U + pv, (1.13) где I - энтальпия, U - внутренняя энергия тела, p - давление, v -удельный объем. 13 Энтропия, это пожалуй самое сложное понятие теплотехники (правильнее говорить физики, потому, что энтропия имеет глубокую связь с различными разделами науки, в частности с теорией информации). Существует несколько определений этого понятия. Например, энтропия есть мера ценности теплоты, энтропия есть мера необратимости тепловых процессов, энтропия есть мера беспорядка термодинамической системы. Понятие энтропии было введено Р. Клаузиусом в 1865 году, оно имеет количественное определение: ds = 𝒅𝑸 𝑻 , (1.14) где s - значение энтропии, измеряемой в Дж/градус. Как физическую величину энтропию непосредственно измерить нельзя, однако, это понятие оказалось весьма полезным при описании различных тепловых процессов. Рассмотрим примеры использования энтропии. Из этого следует: s = ∫ 𝒅𝑸 𝑻 𝟐 𝟏 = 𝒔 𝟐 − 𝒔 𝟏 = 𝒒 𝟐 𝑻 𝟐 − 𝒒 𝟏 𝑻 𝟏 (1.15) Условные пределы интегрирования означают номера состояния рабочего тела. Если принять, что первое состояние соответствует состоянию при абсолютном нуле, также учесть, что из третьего закона (начала) термодинамики следует, что при Т → 0 lim s = 0, то для статического состояния i - го тела формулу (1.15) можно записать в виде: 𝐬 𝟏 = 𝐪 𝟏 𝐓 𝟏 (1.16) Первый пример: Пусть два тела имеют параметры: Т 1 = 500°, q 1 = 100МДж, Т 2 = 300°, q 2 = 50 МДж. Эти два тела объединяются (смешиваются). До смешения каждое из них обладало энтропией: 𝑠 1 = 100 500 = 0,2, 𝒔 2 = 50 300 = 0,16 После объединения этих двух тел температура объединенного тела будет находиться в пределах: Т'≤499°, Т" ≥ 301°, а количество теплоты составит: q = q 1 +q 2 = 100 + 50 = 150 МДж. Энтропия объединенного тела будет находиться в пределах: s′ = 150 499 = 0,300, = s" = 150 301 = 0,498. Вывод, после объединения двух тел энтропия объединенного тела гарантировано больше, по сравнению с энтропией каждого тела в отдельности. В качестве второго примера рассмотрим процесс таяния снега и замерзания воды. В обоих этих случаях Т = const. В первом случае, при таянии снега dQ > 0 и энтропия увеличивается, во втором случае, при замерзании воды, она отдает теплоту, dQ < 0 и энтропия уменьшается. Если рассматривать хаотическое движение молекул воды как «беспорядок» по сравнению с расположением тех же молекул в кристалле льда, можно считать увеличение энтропии как меру увеличения беспорядка. 1.2.4 Первый закон термодинамики Сущность первого закона термодинамики. Термодинамика как наука, изучающая процессы преобразования различных форм движения материи, 14 опирается на наиболее общий, универсальный закон природы — закон сохранения энергии. Полет самолета, нагревание воды в котле, перемещение электронов по проводникам —различные формы движения материи, но все они количественно измеряются одной величиной — энергией. Разные формы движения материи часто не совсем точно называют видами энергии: механической, тепловой, электрической энергией. Раньше для каждого из этих видов энергии была своя единица измерения — килограммометр, калория, ватт-час и т. д. Системой СИ предусмотрена только одна единица измерения энер- гии— джоуль. Это возможно лишь потому, что при преобразовании форм движения материи (например, механической в электрическую в генераторе тока) энергия не может исчезать бесследно или создаваться вновь. Неизменность энергии при преобразовании форм движения материи — принцип, называемый законом сохранения энергии или первым началом (законом) термодинамики. Этот закон не был открыт одним человеком. В древности греческий ученый Архимед в «золотом правиле механики», по существу, коснулся частного случая этого закона. Значительно позже, в эпоху Возрождения, итальянец Леонардо да Винчи это же правило распространил на вращательное движение. Француз Р. Декарт и англичанин Ньютон высказали другие, частные принципы первого закона. М. В. Ломоносов в середине XVIII в. сформулировал первое начало как закон сохранения материи и движения. Количественные соотношения этого закона установили Р. Майнер, Д. Джоуль, X. Ленц, Г. Гельмгольц и С. Карно. В тепловых машинах происходит преобразование тепловой формы движения материи в механическую форму и наоборот. Обозначим энергию той и другой формы движения соответственно Q и L и согласно первому закону термодинамики получим Q джоулей = L джоулей. Математически в прежних единицах измерения первый закон выражался более сложным уравнением Q=AL, (1.17) где Q — количество теплоты, ккал*; L — работа, кгс-м; А — тепловой эквивалент работы, равный 1 427 ккал/(кгс·м). При сгорании одной спички выделяется примерно 1 ккал теплоты. Если бы всю эту теплоту можно было направить в идеальный двигатель, то она могла бы совершить работу, равную 427 кгс·м (поднять семь человек весом по 61 кг на высоту 1 м). Для получения же 1 кгс·м работы потребуется 1 427 ккал теплоты; это число и представляет собой тепловой эквивалент работы. На судах флота до сего времени мощность двигателей часто выражают в лошадиных силах (л. с.). Работа 75 кгс·м, выполненная за 1 с, соответствует одной лошадиной силе. Тепловой эквивалент энергии 1 л. с.·ч = 632 ккал. Единица измерения энергии 1 квт·ч эквивалентна 860 ккал. Внутренняя энергия. Возьмем два цилиндра. Пусть в каждом из них содержится по 1 кг одного и того же газа при одинаковых начальных температурах, но в первом цилиндре поршень закреплен неподвижно, а во втором он может 15 передвигаться. При нагревании газа во втором цилиндре с закрепленным неподвижно поршнем вся подведенная теплота переходит в энергию хаотического движения молекул газа. Происходит как бы накопление энергии в газе. Эта энергия называется внутренней энергией и измеряется в джоулях на килограмм газа. Она зависит только от температуры и измеряется количеством теплоты, которое нужно подвести к 1 кг газа, чтобы нагреть его от 0 К до данной температуры Т при постоянном объеме. Внутренняя энергия обозначается буквой V и является четвертым параметром состояния газа. Математическое выражение первого закона термодинамики. При нагревании газа в цилиндре с подвижным поршнем подводимая теплота затрачивается не только на повышение внутренней энергии от U 1 до U 2 . Ускоряется беспорядочное движение молекул газа, одновременно растут температуры и давления. Если раньше вес поршня уравновешивался давлением р , то в результате нагревания газа равновесие нарушится. Под действием давления поршень будет перемещаться вверх до тех пор, пока при новом значении объема V 2 давление не возвратится к прежнему значению р. Следовательно, газом будет совершена работа l Дж/кг. Таким образом, в общем случае не все количество подведенной к газу теплоты q расходуется на увеличение внутренней энергии газа (U2— U 1 ); часть ее затрачивается на совершение работы l: q = (U 2 — U 1 ) + l Дж/кг. (1.18) В прежних единицах измерения первый закон термодинамики записывается так: q = (U 2 — U 1 ) + Аl ккал/кг. (1.19) 1.2.5 Понятие об энтальпии Если давление газа в цилиндре будет р, то суммарная сила, которая поднимает поршень, составляет pF, где F — площадь поршня. Работа l, совершаемая газом при перемещении поршня на величину S, будет равна произведению силы pF на путь S: l = pFS. (1.20) С другой стороны, произведение FS — есть объем, описываемый при перемещении поршнем; он равен V 2 — V 1 . Следовательно, подставив это значение l в уравнение первого закона термодинамики: q = (U 2 — U 1 ) +pV 2 —pV 1 (1.21) перегруппируем: q = (U 2 + pV 2 )-(U 1 + pV 1 ). (1.22) Величина в скобках (U+pV) называется э н т а л ь п и е й газа, обозначается буквой i и измеряется в Дж/кг или ккал/кг. Таким образом, i=U + pV Дж/кг. (1.23) Энтальпия, или теплосодержание, является пятым параметром состояния газа. Она численно равна количеству теплоты, затрачиваемой при нагревании 1 кг от 0 К до температуры Т при постоянном давлении. Часть этой теплоты создает 16 внутреннюю энергию газа U, а другая часть используется для совершения механической работы pU расширения при постоянном давлении. Заменив в уравнении первого закона термодинамики выражения в скобках через i 2 и i 1 , получим q= i 2 - i 1 кДж/кг. (1.24) Это значит, что количество теплоты, затраченной на совершение работы расширения (перемещения поршня) в процессе при постоянном давлении, равно разнице энтальпий. Численные значения энтальпии могут быть найдены по специальным таблицам или диаграммам. 1.2.6 Работа газа и ее графическое изображение При расширении, как известно, газ совершает работу. Для определения работы газа удобно пользоваться диаграммой р—v. Она строится в системе координат, в которой по горизонтальной оси откладываются удельные объемы v, а по вертикальной оси — давления р. Рассмотрим в координатах р—v (рисунок. 1.2) процесс изменения состояния газа, когда работа совершается при постоянном давлении. Рисунок 1.2 – Графическое изображение величины работы газа при постоянном давлении Пусть в начале процесса объем газа равен v 1 , а давление р 1 . Откладываем на горизонтальной оси отрезок, равный в масштабе v 1 , а на вертикальной оси в масштабе отрезок p 1 . Из концов отрезков восставляем перпендикуляры. Пересечение этих двух перпендикуляров дает точку 1, которая и будет графически определять состояние газа до подвода теплоты. После нагревания газа его объем увеличится до значения v 2 ; давление останется по-прежнему равным р 1 . Состояние газа после нагревания будет характеризоваться точкой 2. Так как процесс перемещения поршня происходит при постоянном давлении, линия процесса 1—2 пойдет параллельно оси объемов. Произведение давления на объем есть работа: р 1 (v 2 -v 1 )= l, при обозначениях, принятых на рисунке 3, p 1 есть высота 1—4; (v 2 -v 1 )—основание 3—4, а произведение высоты на основание есть площадь 1—2—3—4—1. 17 Таким образом, работа l, совершаемая газом в процессе, графически представляет собой площадь, ограниченную линией процесса (1—2), осью объемов и крайними ординатами процесса (1, 4 и 2, 3). Контрольные вопросы: 1. Назовите свойства идеальных газов. Чем отличается идеальный газ от реального? 2. Чему равна универсальная газовая постоянная? 3. Сформулируйте понятие «теплоемкость газа». 4. Что такое «энтальпия»? Какова ее роль в термодинамике? 5. Сформулируйте первый закон термодинамики и поясните его физическую сущность. Литература [1, 2, 7] |