Учебное пособие по Теплотехнике. УП ТЕПЛОТЕХНИКА (2 вар, 07). Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических
 Скачать 6.53 Mb.
|
Глава 1. Термодинамическая система1.1. Основные понятия о термодинамической системе Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающей средой. Термодинамическая система может быть: а) открытой, то есть обеспечивающей обмен с внешней средой веществом и энергией; б) теплоизолированной (адиабатной) – без обмена с внешней средой тепловой энергией; в) изолированной (замкнутой) – не обменивающейся с окружающей средой энергией и веществом. Термодинамическая система может представлять из себя природный объект, исследуемый человеком или быть им искусственно создана. В последнем случае чаще всего в термодинамической системе обеспечивается превращение тепловой энергии Q в механическую энергию (работу) - L. Трансформация тепловой энергии в работу всегда связана с изменением внутренней энергии вещества U, так как этот процесс является результатом определенного взаимодействия между собой микроструктурных частиц (атомов, молекул вещества). Если внутренняя энергия характеризует потенциал системы, то тепловая энергия и работа проявляют себя только в процессах взаимного превращения. Модель простейшей термодинамической системы представлена на рис. 1.1. Она включает источник теплоты, обладающий высокой температурой, теплоприемник с более низкой температурой (обычно в качестве теплоприемника используется окружающая среда) и рабочее тело. Рис. 1.1. Термодинамическая система Рабочее тело – это вещество, с помощью которого осуществляется процесс преобразования тепловой энергии в механическую энергию или наоборот. Рабочее тело в термодинамической системе может находиться в состоянии равновесия или изменять свое состояние. Последовательность изменения состояний рабочего тела называется термодинамическим процессом. Наиболее часто в качестве рабочего тела выступают газы или пары различных жидкостей. При рассмотрении термодинамической системы учитываются потоки энергии в виде теплоты Q и работы L, а также изменение внутренней энергии рабочего тела U. 1.2. Параметры состояния рабочего тела Свойства термодинамической системы в основном зависят от вида рабочего тела и характеризуются рядом величин, которые принято называть параметрами состояния рабочего тела. Используя параметры состояния можно производить анализ процессов взаимного превращения тепловой энергии и работы. Такие процессы, при которых изменяются параметры состояния и другие характеристики рабочего тела называют термодинамическими процессами. В технической термодинамике рассматриваются равновесные состояния рабочего тела, при котором параметры состояния по всему объему имеют одинаковое значение и неравновесные состояния, при которых такое равенство отсутствует. Можно выделить три основных параметра состояния, величина которых измеряется приборами: Т – температура, Р – давление, V – объем рабочего тела. Все перечисленные параметры по своей сути являются обобщениями определенных взаимодействий микрочастиц вещества с телами термодинамической системы, поэтому эти параметры состояния связаны между собой. Изменение одного параметра обычно приводит к увеличению или уменьшению других. Однако изменение температуры, давления и объема не может достаточно полно характеризовать энергетические процессы, происходящие в рабочем теле. Для этого используются такие дополнительные параметры состояния как внутренняя энергия U, энтальпия Н и энтропия S. Величина внутренней энергии как параметр состояния позволяет оценить энергетический потенциал рабочего тела, которым обладают его атомы и молекулы. Энтальпия Н, измеряемая в тех же единицах что и энергия, характеризует полную энергию термодинамической системы, проявляющуюся при ее взаимодействии с окружающей средой без учета теплового воздействия . Энтропия S применяется в термодинамических расчетах, если необходимо оценить тепловое взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой . Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия не могут быть измерены и определяются для каждого состояния рабочего тела только расчетными методами. 1.3. Уравнение состояния рабочего тела Для замкнутой (равновесной) термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния рабочего тела. Опыт показывает, что температура, давление и объем простейших термодинамических систем, в которых рабочими телами являются газы или пары жидкостей, связаны уравнением состояния вида . Уравнению состояния можно придать другой вид ; ;. Эти уравнения показывают, что, зная два любых параметра состояния термодинамической системы, можно всегда определить третий, используя одну из приведенных формул. Вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств каждого рабочего тела. Если пренебречь силами межмолекулярного взаимодействия и объемом молекул, то можно перейти к анализу свойств простейшего рабочего тела - «идеального газа». Для «идеального газа» справедливо уравнение Клайперона: , где (Дж/кг·К) – газовая постоянная; М – масса вещества. В реальных рабочих телах (парах и газах) существенное влияние на параметры состояния оказывают силы взаимодействия атомов и молекул вещества и нельзя пренебречь собственным объемом молекул. Поэтому в уравнение состояния идеального газа необходимо вносить поправки при расчете процессов в реальных газах, например, используя уравнение Ван–дер–Ваальса: В этом уравнении поправочный коэффициент «A» учитывает силы взаимодействия молекул, а «B» – объем, ими занимаемый. Для двухфазных термодинамических систем (типа жидкость–пар) получить математическое уравнение состояния рабочего тела практически невозможно, поэтому при расчетах таких систем используют термодинамические таблицы или аппроксимационные уравнения различного вида. Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала Какие основные разделы входят в дисциплину «Теплотехника»? Что изучается в разделе «Техническая термодинамика»? Назовите разновидности термодинамической системы. Какая термодинамическая система называется открытой? Какая термодинамическая система называется адиабатной? Какая термодинамическая система называется изолированной? Какие виды энергии взаимодействуют в термодинамической системе? Изобразите модель термодинамической системы «Тепловая машина». Какую роль играет «рабочее тело» в термодинамической системе? Какие вещества могут использовать в качестве рабочего тела? Назовите три основных параметра состояния рабочего тела. Какой вид энергии относят к параметрам состояния рабочего тела? Дайте характеристику параметру состояния энтальпия. Дайте характеристику параметру состояния энтропия. Запишите известные вам виды уравнения состояния рабочего тела. Запишите уравнение состояния «идеального» газа. Как учесть «не идеальность» газа при записи уравнения состояния? Приведите примеры теплотехнических аппаратов и устройств. Можно ли искусственно создать термодинамическую систему? Дайте характеристику термодинамического процесса. |