Билеты теплофизика. билеты по теплофизике. Техническая термодинамика цели и задачи. Основные понятия и определения рабочее тело, термодинамическая система (тдс), виды тдс

• Название: Техническая термодинамика цели и задачи. Основные понятия и определения рабочее тело, термодинамическая система (тдс), виды тдс
• Анкор: Билеты теплофизика
• Дата: 15.01.2023
• Размер: 1.23 Mb.
• Имя файла: билеты по теплофизике.doc
• Тип: Закон; #886945
• страница: 4 из 6

Так как для политропы в соответст­вии с (5.1)

,

то

(5.2)

Уравнение (5.1) можно преобразо­вать к виду:



Количество подведенной (или отве­денной) в процессе теплоты можно опре­делить с помощью уравнения первого закона термодинамики: .

Поскольку , то

,

где



представляет собой теплоемкость иде­ального газа в политропном процессе. При постоянных c_v, kи п теплоемкость сn = const, поэтому политропный процесс иногда определяют как процесс с посто­янной теплоемкостью.

Изменение энтропии

.

Политропный процесс имеет обобща­ющее значение, ибо охватывает всю со­вокупность основных термодинамических процессов. Ниже приведены характери­стики термодинамических процессов.

Процесс	п
Изохорный
Изобарный	0
Изотермический	1
Адиабатный	k	0

На рисунке показано взаимное распо­ложение на р, V- и Т, s-диаграммах политропных процессов с разными значения­ми показателя политропы. Все процессы начинаются в одной точке («в центре»).


Рисунок 5.5 - Изображение основных термоди­намических процессов идеального газа в р, v- и Т, s-координатах
Изохора (п= ± ) делит поле диаг­раммы на две области: процессы, нахо­дящиеся правее изохоры, характеризу­ются положительной работой, так как сопровождаются расширением рабочего тела; для процессов, расположенных ле­вее изохоры, характерна отрицательная работа.

Процессы, расположенные правее и выше адиабаты, идут с подводом теп­лоты к рабочему телу; процессы, лежа­щие левее и ниже адиабаты, протекают с отводом теплоты.

Для процессов, расположенных над изотермой ( = 1), характерно увеличе­ние внутренней энергии газа; процессы, расположенные под изотермой, сопро­вождаются уменьшением внутренней энергии.

Процессы, расположенные между адиабатой и изотермой, имеют отрица­тельную теплоемкость, так как и du(а следовательно, и dT), имеют в этой области противоположные знаки. В таких процессах , поэтому на производство работы при расширении тратится не только подводимая теплота, но и часть внутренней энергии рабочего тела.
24. Изохорный процесс.

При изохорном процессе выполняется условие

dv = 0 или v= const. Из уравнения состояния иде­ального газа следует, что p/T=R/v=const, т. е. давление газа прямо пропорционально его абсолютной темпе­ратуре:

.



Рисунок 5.1 - Изображение изохорного процесса в р,v- и T, s-координатах

Работа расширения в этом процессе равна нулю, так как dv= 0.

Количество теплоты, подведенной к рабочему телу в процессе 12 при , определяется как:



При переменной теплоемкости , где — средняя массовая изохорная теплоемкость в интервале темпера­тур от t1 до t2.

Так как 1= 0, то в соответствии с пер­вым законом термодинамики и





Поскольку внутренняя энергия идеально­го газа является функцией только его температуры, то полученные формулы справед­ливы для любого термодинамического процесса идеального газа.

Изменение энтропии в изохорном процессе определяется по формуле

,

т. е. зависимость энтропии от температу­ры на изохоре при с_v = const имеет лога­рифмический характер.
25. Водяной пар.

Пар – это реальный газ в состоянии, близком к жидкой фазе (насыщению).

Водяной пар широко используется в качестве рабочего тела в теплоэнергетических и в промышленных установках. Он производится в котельных агрегатах при заданном постоянном давлении. На рисунке 1 дана pv-диаграмма для водяного пара.

Р исунок 1 – PV-диаграмма для водяного пара

Кривая I- вода при 0⁰С;

Кривая II- вода при температуре кипения (или температуре насыщения) – нижняя пограничная кривая;

Кривая III– сухой насыщенный пар – верхняя пограничная кривая.

Точка К– это критическая точка, разделяющая обе пограничные кривые.

Кривые I,II,IIIделят всю диаграмму на три части:

1) область между IиII– жидкость;

2) область между IIиIII– смесь кипящей жидкости и пара, т.е. влажный насыщенный пар;

3) область правее III– перегретый пар.

Критическая точка К характеризует критическое состояние, при котором исчезает различие в свойствах пара и жидкости. Критическая температура является наивысшей температурой жидкости и её насыщенного пара. При температурах выше критической возможно существование только перегретого пара.

Критические параметры водяного пара: t_кр=374,15⁰С; р_кр=22,129МПа;v_кр=0,00326м³/кг.
26. T-S диаграмма водяного пара. Теплота парообразования

Ввиду сложности уравнений состояния для пара в расчетной практике они не применяются. Для практических целей используют таблицы термодинамических параметров состояния. Две таблицы составлены для определения теплофизических свойств насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара, т.е. в них приведены: t_s, p_s, u¢, u², h¢, h², r, s¢, s². В качестве независимой переменной в первой из этих таблиц использована температура, а во второй - давление. В третьей таблице приведены u, h и s для недогретой до температуры насыщения воды и перегретого пара в широком диапазоне давлений и температур.

Параметры влажного пара могут быть рассчитаны по приведенным выше формулам с использованием параметров насыщенной жидкости и сухого пара, взятых из таблиц.

T, s-диаграмма водяного пара. Наряду с табличными данными в практических расчетах широко пользуются графическими методами решения задач. Для этих целей используют T, s и h, s - диаграммы для пара.

Рассмотрим диаграмму - T, s. Начальное состояние 1 кг воды при Т₀ = 273 К и s₀ = 0 изобразится точкой а (рис. 8.3), а в - изобара подогрева воды до температуры насыщения T_s. Точка в соответствует насыщенной жидкости, вс - процесс парообразования (кипения) при p = const и T_s = const. Следовательно, вс является одновременно изобарой и изотермой. Точка с соответствует сухому насыщенному пару. Любая точка между точками в и с (например точка г) будет соответствовать влажному насыщенному пару. Линия cd - изобара перегрева пара. Точка d соответствует перегретому пару. Линии ав и cd согласно уравнениям (8.7) и (8.24) являются логарифмическими кривыми.



Площади под кривыми ав, вс и cd изображают соответственно теплоту жидкости q¢, теплоту парообразования r и теплоту перегрева пара q_п. Из выражений (8.13) и (8.20) следует, что x = (s_x - s¢)/(s² - s¢), т.е. х = вг / вс (рис. 8.3).



Таким образом, весь процесс парообразования от состояния воды при 0 ^оС до состояния перегретого пара с температурой Т_п изображается изобарой авcd. При другом, более высоком давлении р₁ весь процесс изобразится линией ав₁с₁d₁ (рис. 8.4), при давлении p₂ > р₁ - линией ав₂с₂d₂ и т.д. При увеличении давления точки в и с сближаются. Соединив между собой точки в, в₁, в₂ ... и т.д., получим линию насыщенной жидкости или нижнюю пограничную кривую. Строго говоря, линии подогрева жидкости ав, ав₁, ав₂ и т.д. не совпадают, но различие между ними очень невелико и практически они сливаются в одну линию, поэтому можно считать, что пограничная кривая совпадает с линиями подогрева жидкости до T_s при различных давлениях.

Соединяя точки с, с₁, с₂ ... и т.д., получим линию сухого насыщенного пара или верхнюю пограничную кривую. Точка соединения верхней и нижней пограничных кривых дает критическую точку к. Между пограничными кривыми лежит область влажного насыщенного пара. Правее и выше верхней пограничной кривой кс будет перегретый пар, а часть диаграммы, лежащая левее нижней пограничной кривой, ак будет областью жидкости. В области влажного пара наносят линии постоянной степени сухости x = const. На диаграмму также наносятся изохоры u = const.

Некоторым неудобством данной диаграммы является то, что при определении количества теплоты приходится измерять соответствующие площади.

Диаграмма h. s для водяного пара. Более удобной для расчетных целей является диаграмма h, s (диаграмма Молье). Одним из ее основных преимуществ перед T, s - диаграммой является то, что количество теплоты, участвующее в процессе, изображается линейным отрезком, а не площадью, как в системе координат T, s.

По значениям h¢, s¢, h², s², взятым из таблиц для разных давлений, строят верхнюю КВ и нижнюю ОК пограничные кривые (рис. 8.5).



Рис. 8.5

Между пограничными кривыми будет влажный пар, над верхней пограничной кривой перегретый пар, слева от нижней пограничной кривой жидкость. Нижняя пограничная кривая будет соответствовать насыщенной жидкости, а верхняя пограничная кривая сухому пару при различных давлениях.

В области влажного пара изобары и изотермы совпадают (являясь линиями парообразования или кипения) и представляют собой слабо расходящиеся прямые линии. После верхней пограничной кривой изобары и изотермы расходятся. Изобары в виде логарифмических кривых поднимаются вверх, а изотермы направлены вправо. В области влажного пара наносятся линии постоянной степени сухости x = const. На диаграмме наносятся также изохоры u = const, которые идут под небольшим углом к изобарам. Обычно всю h, s-диаграмму не выполняют, а вычеркивают только верхнюю часть, достаточную для нахождения встречающихся на практике параметров пара, и выполняют ее в большом масштабе.

27. Влажный воздух.

В сушильной технике в качестве рабочего тела широко используют влажный воздух, представляющий собой смесь сухого воздуха и водяного пара.

Содержание водяного пара в атмосферном воздухе зависит от метеорологических условий, а также от наличия источников испарения воды и колеблется в широких пределах: от малых долей до 4 % (по массе).

Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называется насыщенным влажным воздухом. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называется ненасыщенным влажным воздухом. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал насыщенным, называется температурой точки росы. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха (ниже температуры точки росы) происходит конденсация водяного пара. Поэтому температуру точки росы часто используют как меру содержания в воздухе воды в парообразном состоянии.

Обычно к влажному воздуху применяют уравнения для идеальных газовых смесей. Так как в процессах сушки количество водяного пара в воздухе может меняться, а количество сухого воздуха остается постоянным, то целесообразно относить все величины к 1 кг сухого воздуха (а не смеси).

Влагосодержание, абсолютная и относительная влажность. Масса пара в 1 м³ влажного воздуха, численно равная плотности пара ρ_п при парциальном давлении р_п, называется абсолютной влажностью. Отношение действительной абсолютной влажности воздуха ρ_n к максимально возможной абсолютной влажности ρ_s при той же температуре называют относительной влажностью и обозначают через φ: φ = ρ_n / ρ_s = р_n /р_s, где р_п — парциальное давление водяного пара во влажном воздухе; р₅ — максимально возможное парциальное давление водяного пара при данной температуре.

Величина ф выражается в процентах или относительных единицах. Поскольку 0 < р_n < р₅, то 0 < φ < 100%. Для сухого воздуха φ = 0, для насыщенного ф= 100 %.

Отношение массы водяного пара М_псодержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха М_в, называется влагосодержанием воздуха и измеряется в килограммах на килограмм: d = М_п / М_в.

Максимально возможное влагосодержание достигается при полном насыщении воздуха водяными парами (ф=1)

d_иакс =0,622 (р_s / p – р_s) Если давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению , что достигается при температуре кипения, то d= ∞.

Теплоемкость и энтальпия влажного воздуха. Изобарную теплоемкость влажного воздуха Ср обычно относят к 1 кг сухого воздуха, т. е. к (1 + d) кг влажного воздуха. Она равна сумме теплоемкостей 1 кг сухого воздуха и dкг пара: с_р = с_рв + dс_рп. В приближенных термодинамических расчетах процессов с влажным воздухом в небольшом диапазоне температур можно применять удельную изобарную теплоемкость сухого воздуха с_рв= 1 кДж/(кг-К) = const, удельную изобарную теплоемкость водяного пара с_рв=2 кДж/(кг- К) = const. В этом случае, выражая теплоемкость в кДж/( кг-К), получаем с_р=1+2d.

Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и dкг водяного пара, т. е. h = h_В + dh_п. Энтальпия 1 кг сухого воздуха, кДж/кг h_в = с_рв t

28. Термодинамика потока газа или пара.

Под открыты­ми понимаются термодинамические системы, которые кроме обмена теплотой и работой с окружающей средой до­пускают также и обмен массой. В техни­ке широко используются процессы пре­образования энергии в потоке, когда ра­бочее тело перемещается из области с одними параметрами в область с другими. Это, например, расширение пара в турбинах, сжатие га­зов в компрессорах.

Будем рассматривать лишь одно­мерные стационарные пото­ки, в которых параметры зависят только от одной координаты, совпадающей с на­правлением вектора скорости, и не за­висят от времени. Условие неразрывности течения в таких потоках заклю­чается в одинаковости массового расхода m рабочего тела в любом сечении:

,

где F— площадь поперечного сечения канала; с — скорость рабочего тела.

Рассмотрим термодинамическую систему, представленную схематически на рисунке 7.1.



Рисунок 7.1 - Открытая термодинамическая сис­тема
По трубопроводу 1 рабочее тело с параметрами Т₁ , p1, v1 подается со скоростью c1в тепломеханический агре­гат 2 (двигатель, паровой котел, ком­прессор и т. д.). Здесь каждый кило­грамм рабочего тела в общем случае может получать от внешнего источника теплоту qи совершать техническую работу lтех, например, приводя в движение ротор турбины, а затем удаляется через выхлопной патрубок со скоростью с2, имея параметры Т₂ , p2, v2.

Если в потоке мысленно выделить за­мкнутый объем рабочего тела и наблю­дать за изменением его параметров в процессе перемещения, то для описа­ния его поведения будут пригодны все полученные выше термодинамические со­отношения и, в частности, первый закон термодинамики в обычной записи: .

Внутренняя энергия есть функция со­стояния рабочего тела, поэтому значение определяется параметрами рабочего тела при входе (сечение потока I), а зна­чение — параметрами рабочего тела при выходе из агрегата (сечение II).

Работа расширения l совершается рабочим телом на поверхностях, ограни­чивающих выделенный движущийся объем, т. е. на стенках агрегата и грани­цах, выделяющих этот объем в потоке. Часть стенок агрегата неподвижна, и ра­бота расширения на них равна нулю. Другая часть стенок специально делает­ся подвижной (рабочие лопатки в турби­не и компрессоре, поршень в поршневой машине), и рабочее тело совершает на них техническую работу

При входе рабочее тело вталкивается в агрегат. Для этого нужно преодолеть давление p1. Посколькуp1=const, то каждый килограмм рабочего тела может занять объем лишь при затрате рабо­ты, равной .

Для того чтобы выйти в трубопровод 3, рабочее тело должно вытолкнуть из него такое же количество рабочего тела, ранее находившегося в нем, преодолев давление р2, т. е. каждый килограмм, занимая объем v2 должен произвести определенную работу выталкивания .

Сумма называется работой вытеснения.

Если скорость на выходе больше, чем на входе, то часть работы расши­рения будет затрачена на увеличение ки­нетической энергии рабочего тела в по­токе, равное .

Наконец, в неравновесном процессе некоторая работа может быть затра­чена на преодоление сил трения. Оконча­тельно

.

Теплота, сообщенная каждому кило­грамму рабочего тела во время прохож­дения его через агрегат, складывается из теплоты , подведенной снаружи, и теплоты , в которую переходит рабо­та трения внутри агрегата, т. е. .

Подставив полученные значения q и l в уравнение первого закона термо­динамики, получим

.

Поскольку теплота трения равна работе трения, оконча­тельно запишем:

.

Это и есть выражение первого закона термодинамики для потока, который можно сформулировать так: теплота, подведенная к потоку рабочего тела изв­не, расходуется на увеличение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увеличение кинетической энер­гии потока.

В дифференциальной форме уравне­ние записывается в виде

. (7.1)

Оно справедливо как для равновесных процессов, так и для течений, сопровож­дающихся трением.

Выше было указано, что к замкнуто­му объему рабочего тела, выделенному в потоке, применимо выражение первого закона термодинамики для закрытой системы, т.е. .

Сравнивая это выражение с уравне­нием *, получим:

, или

.

Величину называют располагаемой работой. В p, v-диаграмме она изображается заштрихованной площадью.

Применим первый закон термодина­мики к различным типам тепломеханиче­ского оборудования.
29. Способы переноса теплоты.

Теплопроводность

В чистом виде теплопроводность наблюдается только в сплошных твердых телах. Теплота передается непосредственно через материал или от одного материала другому при их соприкосновении Высокой теплопроводностью обладают плотные материалы — металл, железобетон, мрамор. Воздух имеет низкую теплопроводность. Поэтому через материалы с большим количеством замкнутых пор, заполненных воздухом, плохо передается теплота и они могут использоваться как теплоизоляционные (семищелевой кирпич, пенобетон, вспененный полиуретан, пенопласт).



Рис. 2.1.    Передача   теплоты через кирпичную    стену    теплопроводностью: 1 — кирпичная  кладка;   2 — штукатурка