пособие. ТТД ч1 учебное пособие. Техническая термодинамика

• Название: Техническая термодинамика
• Анкор: пособие
• Дата: 02.02.2023
• Размер: 4.15 Mb.
• Имя файла: ТТД ч1 учебное пособие.doc
• Тип: Учебное пособие; #917693
• страница: 1 из 19

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

И.М. ЧУХИН

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Часть 1
Учебное пособие


Иваново 2006

УДК 621.1.016.7

Ч 96

Чухин И.М. Техническая термодинамика. Часть 1 / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».  Иваново, 2006.  224с.

ISBN

Излагаются главные положения и понятия технической термодинамики для закрытой термодинамической системы. Рассматриваются термодинамические свойства и процессы реальных и идеальных газов. Подробно рассмотрены термодинамические свойства и процессы воды и водяного пара в различных фазовых состояниях с графическими иллюстрациями в P,t-, P,v-, T,s-, h,s- диаграммах. Приведены материалы по термодинамическим свойствам и процессам влажного воздуха со всеми возможными фазовыми состояниями воды в атмосферном воздухе и их наглядной иллюстрацией в P,t-, P,v- и H,d- диаграммах. Большое внимание уделено второму закону термодинамики и эксергетическому методу оценки необратимости реальных процессов.

Материал соответствует вузовской программе курса «Теоретические основы теплотехники». Пособие предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 140101, 140103, 140104, 140106, 220301, 140105 и 140404, теплоэнергетического, инженерно-физического и других факультетов.

Табл. 1. Ил. 126. Библиогр.: 13 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Научный редактор

кандидат технических наук Т.Е. СОЗИНОВА
Рецензенты:

профессор, доктор технических наук В.В. Бухмиров, (ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»);

кафедра теоретических основ теплотехники ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»
ISВN

© И.М. Чухин, 2006

ВВЕДЕНИЕ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА КАК ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

Термодинамика как наука сложилась во второй половине XIX века. Первоначально она создавалась для объяснения тепловых явлений и преобразований тепловой энергии в механическую в тепловых машинах, которые в это время широко внедрялись в жизнь человека. В настоящее время термодинамика является наукой о законах превращения форм энергии в физических, химических, биологических и других процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами и не только ими, то есть, в самом общем смысле это наука об энергии и ее свойствах [1, 2, 3, 4].

Важным свойством всех видов энергии является способность каждого из них переходить в любой другой вид энергии. Этот переход дает возможность количественно сравнивать друг с другом различные виды энергии, так как он происходит в строго определенном количественном соотношении. Переход энергии от одного материального тела к другому происходит при взаимодействии тел. Количественной мерой энергетического взаимодействия тел является работа. Это наиболее общий закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Термодинамика – феноменологическая наука, то есть она основана на наблюдениях человека и его практическом опыте. Термодинамика базируется на двух экспериментально установленных законах.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии и превращения ее форм применительно к тепловым процессам. Установлен он в 40-х годах XIX столетия Г.Гессом, Р.Майером, Д.Джоулем, Г.Гельмгольцем, основные идеи его высказаны и М.В.Ломоносовым.

Второй закон термодинамики был установлен в 50-х годах XIX столетия Р.Клаузиусом и В.Томсоном на основе идей, высказанных в 1824 году Сади Карно. Этот закон отражает особенности только тепловых процессов, определяет направление их протекания в доступных для нашего наблюдения земных условиях. С помощью этого закона можно оценить возможность получения максимальной работы из теплоты и потери этой работы в реальных процессах, а соответственно и в реальных теплоэнергетических установках. Второй закон термодинамики имеет более ограниченную среду действия по сравнению с первым законом.

В начале ХХ столетия была установлена третья теорема термодинамики (теорема Нернста), важнейшим следствием которой является вывод о недостижимости абсолютного нуля температуры.

Обширная область человеческих знаний, охватываемая термодинамикой, привела к ее делению. В зависимости от области рассматриваемых явлений и целей исследования современная термодинамика делится на общую, химическую и техническую. В дальнейшем речь будет идти только о технической термодинамике.

Предметом изучения технической термодинамики являются тела и системы тел средней величины, доступные наблюдению в земных условиях. Эти тела рассматриваются на молекулярном уровне или выше, такие системы называются макросистемамами. Техническая термодинамика занимается энергетическими преобразованиями в макросистемах только двух видов энергии: тепловой и механической. Термодинамические методы недопустимо распространять на галактические и метагалактические системы и применять для объектов, состоящих из малого количества молекул.

Значение технической термодинамики для теплоэнергетики и промышленности всех отраслей народного хозяйства очевидно (рис.В.1). Вся современная энергетика базируется на преобразовании тепловой энергии, полученной в ядерном реакторе АЭС или в парогенераторе, в механическую, а затем в электрическую. Для этих преобразований используются специальные рабочие тела (газ, вода и т.д.), которые с помощью специального оборудования (турбины, насосы, подогреватели, конденсаторы и т.п.), совершая определенные процессы в этом оборудовании, осуществляют эти преобразования.

Несмотря на то, что основным источником энергии в наше время является электроэнергия, в промышленности и быту 70 % потребляемой энергии приходится на тепловую энергию, а все технологические процессы в промышленной и бытовой технике связаны с выделением или потреблением тепловой энергии.

Знание свойств рабочих тел, законов, по которым изменяются эти свойства в теплоэнергетическом, промышленном и бытовом оборудовании, пути экономичного получения электрической энергии из тепловой при меньших ее потерях – все это входит в предмет изучения технической термодинамики. Техническая термодинамика – теоретическая основа теплоэнергетики, как большой, так и малой, т.е. от промышленного до бытового уровня.




1. ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

1.1. Термодинамическая система

Термодинамическая система – это тот объект, который изучает техническая термодинамика. Термодинамической системой называется любая совокупность материальных тел, заключенная внутри заданных или произвольно выбранных границ. Все, что находится вне границ термодинамической системы, называется внешней средой. Термодинамические системы подразделяются:

- на гомогенные – однородные по составу и физическим свойствам во всем объеме. Например, воздух, вода, металл и т.п., находящиеся в заданном объеме (рис.1.1, а);

-
гетерогенные – состоящие из разнородных тел, отделенных друг от друга поверхностями раздела. Например, кислород и азот в газообразном состоянии, находящиеся в емкости с непроницаемой перегородкой (рис.1.1, б). Если эту перегородку убрать и газы перемешаются, то система будет уже гомогенной;

- открытые или закрытые – с проницаемыми для вещества границами или нет. Например, завязанный и развязанный воздушный шарик (рис.1.2);

-
неизолированные или изолированные – находящиеся в энергетическом взаимодействии с внешней средой или нет. Полностью изолированных систем в природе не бывает. Бывают только частично изолированные системы: теплоизолированные – адиабатные (рис.1.3), механически изолированные – в жесткой оболочке и т.д.

П
редметом изучения сначала будет являться закрытая термодинамическая система, энергетические взаимодействия между частями которой (или с другими системами) ограничиваются механической работой или теплообменом (тепловой работой). Открытые термодинамические системы будут рассматриваться после изучения закрытах систем, т.к. закрытые системы более простые, а основные положения термодинамики справедливы для обоих типов систем.

Наряду с понятием термодинамической системы, часто используется понятие рабочего тела – это тело, способное воспринимать теплоту и совершать механическую работу (пример: в тепловых двигателях это вода и водяной пар, газы и т.п.).

1.2. Термодинамические параметры состояния

Термодинамическая система характеризуется определенными значениями ее свойств. Эти свойства термодинамического тела (системы) называются параметрами состояния.

Параметры состояния – любая величина, присущая телу, изменение которой определяется только начальным и конечным состоянием тела и не зависит от характера процесса изменения его состояния, при переходе тела из первого состояния во второе.

Параметры можно разделить на две группы:

интенсивные – которые не зависят от количества вещества и при взаимодействии тел выравниваются (температура, давление и т.п.);

экстенсивные –зависящие от количества вещества, следующие закону сложения или, как говорят математики, закону аддитивности (масса, объем, внутренняя энергия и т.п.).

Измерение экстенсивной величины производится сравнением ее с такой же по природе величиной, выбранной за единицу – эталон (метр, килограмм и т.п.). Измерение интенсивной величины основано на использовании объективной связи между изменениями этой интенсивной величины и какой-либо экстенсивной величины. Например, связь температуры и объема жидкости в термометре приводит к измерению температуры с помощью длины столбика жидкости в термометре.

Некоторые экстенсивные величины приобретают свойства интенсивных, если их рассматривают применительно к единице массы данного вещества (удельные объем, энтальпия и т.п.).

Все термодинамические параметры введены человеком для удобства изучения окружающего мира. Однако не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют единицы измерения работы (энергии) джоуль или калория. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия. Такие параметры получили название энергетических или калорических параметров или функций состояния. Параметры, которые возможно измерить приборами, называются термическими. Например, к этим параметрам относятся температура и давление.

О
бщая схема разделения термодинамических параметров состояния на основые виды дана на рис. 1.4.
Основные термические параметры состояния

Понятие термических параметров состояния относится к таким параметрам, которые могут быть непосредственно измерены с помощью приборов. К основным термическим параметрам состояния относятся: удельный объем, давление и температура.

Удельный объем

Удельный объем – это объем единицы массы вещества (м³/кг):

, (1.1)

где V – объем тела, м³; m – масса тела, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью (кг/м³):

. (1.2)

В практике часто используется понятие удельного веса – это вес единицы объема тела (Н/м³):

, (1.3)

где g – ускорение свободного падения (приблизительно 9,81 м/с²).

При переводе любой величины в СИ, например  из 1 г/см³, необходимо руководствоваться следующим правилом: все величины формулы (1.3) представляют в единицах СИ и выполняют с ними действия арифметическими операторами формулы:

 = 1 г/см³ = 9,81·10^-3/10^-6 = 9,81·10³ Н/м³.

При этом надо помнить, что 1 кгс = 9,81 Н. Этим соотношением часто пользуются при переводе несистемных единиц в СИ.