Часто встречающийся в физике идеальный газ является определенной моделью вещества, которая вводится для объяснения простейших свойств некоторых реальных физических систем (реального газа, электронов в металле и др.).
Идеальный газ представляют как систему свободных невзаимодействующих частиц, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Взаимодействие частиц идеального газа проявляется только в их упругих столкновениях.
Частицы идеального газа принимают за твердые шарики, размер которых намного меньше среднего расстояния между ними. Промежуток времени между столкновениями при этом оказывается много больше, чем время самих столкновений. Следовательно, большую часть времени частицы движутся в газе равномерно и прямолинейно.
Благодаря беспорядочному движению частицы идеального газа очень часто сталкиваются друг с другом. Эти столкновения частиц между собой приводят к ряду интересных следствий.
Во-первых, разлетаясь после столкновений в разные стороны, частицы из выделенной группы будут постепенно рассеиваться в пространстве, занимая в конце концов бесконечно большой объем. Поэтому в большинстве" случаев идеальный газ рассматривают внутри некоторого объема, т. е. ограниченный стенками сосуда. Частицы, встречая
на своем пути стенки сосуда будут по законам упругого удара отражаться от них, передавая стенке определенное количество движения (импульс силы). Следствием этого является давление, оказываемое газом на стенку.
Во-вторых, столкновения частиц газа между собой приводят к тому, что они непрерывно обмениваются энергией, изменяют свои скорости и координаты внутри объема. Благодаря Этому в газе при постоянных внешних параметрах устанавливается равновесное состояние, которому соответствует определенное распределение частиц в пространстве, по направлениям движения и по скоростям. Любые отклонения от такого равновесного состояния сглаживаются благодаря непрерывному хаотическому движению и столкновениям частиц. За сравнительно короткое время (время релаксации) газ снова приходит в равновесное состояние. Рассматривая газ, при постоянных внешних параметрах, за промежутки времени, большие времени релаксации, мы можем считать его состояние равновесным. Некоторые же вопросы, связанные с неравновесными процессами, будут рассмотрены в IV главе.
Если идеальный газ находится в равновесном состоянии при отсутствии внешних сил, то его частицы заполняют весь объем с постоянной плотностью. Число частиц, заключенных в некотором интересующем нас объеме V, буяет определяться по формуле
где - число частиц в единице объема, равное отношению всего числа частиц ко всему занятому газом объему:
Столкновения частиц приводят не только к установлению в газе одинаковой плотности, но и к равномерному распределению в пространстве направлений движения частиц. Сколько частиц движется в одном направлении, столько же в среднем движется и в любом Другом, в том числе и противоположном направлении. В результате такой равноправности направлений движения давление в идеальном газе оказывается изотропным.
При равновесии в газе устанавливается также и определенное распределение частиц по скоростям. При этом средние скорости и число частиц, движущихся в разных направлениях, оказываются одинаковыми, о чем свидетельствует отсутствие направленного потока газа при равновесии.
Для рассматриваемой модели идеального газа легко найти зависимость между давлением и объемом.
Пусть идеальный газ находится в сосуде, имеющем форму шара с радиусом . В этом случае частиц, находящихся в объеме оказывают давление на поверхность
Рис. 8. К выводу закона Бойля - Мариотта по М. В. Ломоносову
Затем сожмем это количество газа так, чтобы он занимал объем шара с вдвое меньшим радиусом т. е. . Если скорости движения частиц останутся прежними, то те же удары частиц будут теперь приходиться на вчетверо меньшую поверхность вследствие чего давление должно возрасти в 4 раза. С другой стороны, из-за уменьшения объема средний путь частицы между столкновениями будет вдвое меньше, что приведет при той же скорости движения молекул к увеличению вдвое числа столкновений в единицу времени, т. е. и со стенкой частицы будут сталкиваться вдвое чаще. Таким образом, при уменьшении объема идеального газа в 8 раз давление должно возрасти также в 8 раз. Это и есть закон Бойля - Мариотта:
Приведенный здесь вывод этого закона был еще в 1745 г. предложен Ломоносовым.
Рассмотренная модель идеального газа при определенных условиях объясняет многие свойства реального газа, т. е. простейшего газообразного состояния вещества.
Существует следующий критерий применимости модели идеального газа к реальному газу. Если поведение реального газа удовлетворяет закону Бойля - Мариотта, то газ можно рассматривать как идеальный. Например, воздух при нормальных условиях можно рассматривать как идеальный газ. Поэтому дальнейшие выводы, которые будут получены на основании свойств модели идеального газа, можно распространять и на реальные газы. Вместо частиц идеального газа далее будем рассматривать молекулы реального газа.
идеальными газами
Термодинамическая система, термодин. процесс, параметры идеал. газа.
Непрерывное изменение состояния рабочего тела в результате взаимодействия его с окруж. средой наз. термодинамическим процессом
Различают равновесные и неравновесные процессы. Процесс, протекающий при значительной разности t и давлений окружающей среды и рабочего тела и неравномерное их распределение по всей массе тела, наз. неравновесным. Если же процесс происходит бесконечно медленно и малой разности t окруж. среды и рабочего тела и равномерного распределения t и давления по всей массе тела, наз. равновесным.
К осн. параметрам состояния газов относятся: давление, t и удельный объем, плотность.
· Давление - результат удара газа о стенки сосуда, в кот он находится..
Различают абсолютное давл (полное) и избыточное. Под абсолютным давлением подразумевается полное давление, под которым находится газ.
Рабс=Рб+gph, gph=Ризб
Где Рабс - абсолютное (полное) давление газа в сосуде, Рб- атмосферное давление в барометре, g - усоркние св. пад. в точке измерения, p - плотность жидкости, h - высота столба жидкости.
Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением, большим, чем атмосферное, и атмосферным давлением.
1атм=735.6мм.рт.ст.=1кг/см2=10 4 кг/м2=10 5 Па=1бар=10м.вод.ст
· Температура - мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул рабочего тела. Температура - параметр, характеризующий тепловое состояние тела. Температура тела определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
Для измерения температур приняты стоградусная шкала, шкала Кельвина, шкала Фаренгейта. В стоградусной шкале при pб =101,325кПа(760 мм.рт.ст.) за 0 0 С принимается температура таяния льда, а за 100 0 С – температура кипения воды. Градус этой шкалы обозначается через 0 С.
· Удельным объемом, v, м3/кг, называется объем единицы массы газа, т. е. v=V/М где V - полный объем газа, м3; М - масса газа, кг, Обратная величина, кг/м3, P=G/V явл. Плотностью, представляющей собой количество вещества, заключенного в 1 м3, т. е. массу единицы объема.
Внутренняя энергия идеального газа. Параметр состояния.
Внутренняя энергия газа U, Дж/кг – запас кинетической энергии газа, характеризующейся суммой кинетических энергий поступательного, вращательного движения молекул, энергии внутримолекулярного колебания атомов и энергии межмолекулярного взаимодействия (потенциальной энергии).
Первые 3 составляющие являются функцией от температуры, последняя (потенциальная энергия) = 0 (для идеального газа), след-но внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема: U=f(T).
Изменение внутр. энергии рабочего тела не зависит от его промежуточных состояний и хода процесса и определяется конечным и начальным состоянием: ∆U=U 2 -U 1 , Дж/кг, где U 2 -конечная внутренняя энергия, U 1 -начальная.
Во всех термодинамических процессах, если V=const, т.е. рабочее тело не расширяется и не совершает работы, сообщаемая ему теплота q=c v (T 2 -T 1) идёт только на увеличение его внутренней энергии т.е.:
∆U= c v (T 2 -T 1); ∆U= М(U 2 -U 1); ∆U= c v ∙dT
Для бесконечно малого изменения внутр. энергии: dU= c v ∙dt
Теплоёмкость газа.
Теплоёмкость (С) - кол-во тепловой энергии, необходимой для изменения температуры газа на 1 0 С. Измеряется в Дж/К.
Удельная теплоёмкость – теплоёмкость, отнесённая к одной количественной единице (кг, моль, м 3).
С, Дж/кг∙К – массовая теплоёмкость (к 1 кг)
С " , Дж/м 3 ∙К – объёмная теплоёмкость (к 1 м3)
µС, Дж/к моль∙К – молярная теплоёмкость (к 1 кмолю)
Между ними имеют место след. Отношения:
Если к телу подводиться бесконечно малое кол-во тепла, то это мгновенная теплоемкость: С= dq/dt , Дж/кг∙ 0 С.
Если к телу с температурой Т1 подводиться некоторое кол-во тепла q, то его температура становиться равной Т2 – средняя теплоёмкость: C m =q/T2-Т1
T 1 →T 2 q=∫Cdt C m | T 1 T 2 =q/T 2 -T 1
C m | T 2 T 1 =∫Cdt/T 2 -T 1 =(C m | 0 T 2 ∙T 2 -C m | T 1 0 ∙T 1)/T 2 -T 1
Особое значение для нагревания (или охлаждения) газа имеют условия, при которых происходит процесс подвода (или отвода) теплоты. В теплотехнике наиболее важным является:
Нагревание (или охлаждение) при постоянном объеме – изохорная теплоемкость;
Нагревание (или охлаждение) при постоянном давлении – изобарная теплоемкость.
Газовые смеси.
Идеальные газы, молекулы которых химически не реагируют друг с другом и между которыми отсутствуют силы притяжения и отталкивания, ведут себя в смеси так, как будто каждый из них находится в занимаемом объеме один. Это значит, что каждый газ, входящий в смесь, занимает весь предоставленный для смеси объем и находится под своим, так называемым, парциальным давлением.
Общее давление смеси газов в таком случае будет состоять из суммы парциальных давлений (закон Дальтона):
P i - парциальное давление отдельного компонента - давление оказывающее о стенки сосуда при t и v газовой смеси.
Следовательно:
Температура каждого газа в установившемся состоянии будет равна температуре смеси:
Ур-ние состояния смеси газов выводится на основании ур-ний состояния отдельных компонентов смеси и имеет вид: 
. Для того чтобы можно было пользоваться этим уравнением, следует определить величину газовой постоянной смеси R см.
R см = g 1 *R 1 +g 2 *R 2 +…+g n *R n ,
где g 1 ,g 2 ,..,g n - массовые доли компонентов. Газовую постоянную смеси, Дж/(кг*К), можно найти также по формуле:
Газовая смесь может быть задана массовыми и обьемными долями:
Q i =M i /M cm =p i *r i /p cm ;
Цикл Карно. Теорема Карно.
Состоит из 4 процессов: 2 изотермических, 2 адиабатных.
В результате своих исследований Карно предложил цикл, имеющий действительно наивысший возможный термический КПД в заданных температурных границах, т. е. при заданных температурах теплоотдатчика и теплоприемника.
Рассмотрим этот цикл в координатах р-v, считая, что он является равновесным и что, кроме того, его совершает 1 кг рабочего тела. В начале процесса рабочее тело имеет параметры p1,v1,T1(точка 1). Эта точка соответствует моменту, когда рабочее тело сообщается с теплоотдатчиком и начинается процесс расширения при постоянной температуре, равной Т1 до точки 2. В процессе расширения по изотерме 1-2 к рабочему телу подводится теплота в количестве q1. Работа изотермического расширения определяется площадью 122 1 1 1 . За процессом 1-2 следует разобщение рабочего тела с теплоотдатчиком и происходит дальнейшее расширение по адиабате 2-3. Этот процесс продолжается до тех пор, пока поршень не займет крайнее положение, что соответствует точке 3. Работа адиабатного расширения определяется площадью 233 1 2 1 . В этот момент, т. е. в точке 3, рабочее тело сообщается с ХИТ, имеющим температуру Т2, и начинается процесс сжатия, в течение которого должно быть отведено q2 единиц теплоты. Начинается процесс изотермического сжатия – процесс 3-4. Работа 344 1 3 1 отрицательна. Когда отвод теплоты q2 прекратится, рабочее тело разобщается с теплоприемником (точка 4); дальнейшее сжатие происходит по адиабате 4-1. Работа 411 1 4 1 отрицательна. В конце этого процесса рабочее тело принимает первоначальные параметры.
В итоге получили результирующую положительную работу Lц.
Теорема Карно: процесс происходит в тепловом двигателе между 2 источниками тепла с температурой Т1 и Т2 и КПД процесса зависит только от этих температур.
12. Реальный газ. Парообразование в координатах PV. Теплота парообразования. Степень сухости пара.
Газы, молекулы которого обладают силами взаимодействия и имеют конечные, хотя и весьма малые, геометр. размеры, наз. реальными газами.
Рассмотрим процесс парообразования при постоянном давлении в координатах PV. Если подогреть воду при постоянном давлении, то объем увеличивается и при температуре, которая соответствует кипению воды, достигает величины b. при дальнейшем подводе теплоты к кипящей воде последняя начнет превращаться в пар, при этом давление и температура смеси воды с паром неизменные. Когда в процессе парообразования последняя частица превратится в пар, весь объем окажется заполнен паром. Такой пар насыщенным паром, а его температура называется температурой насыщения.
На участке b-c пар является влажным насыщенным. После полного испарения воды (точка с) пар становится сухим насыщенным. Влажный пар характеризуется степенью сухости x. Степенью сухости- массовая доля сухого насыщенного пара, находящего в 1 кг влажного пара. Рассмотрим процесс парообразования при более высоком давлении. Удельный объем при 0 С с повышением давления не изменяется. Удельный объем кипящей воды увеличится. Точка С’, соответствующая сухому насыщенному пару, левее точки С, т.к. давление возрастает более интенсивно, чем температура сухого насыщенного пара. Параметры отвечающие точке k называются критическими.
Парообразование изображается линией b-c. Количество теплоты, затраченное на превращение 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар называется теплотой парообразования и обозначается r. С увеличением давления теплота парообразования уменьшается. В точке d пар не насыщает пространство и имеет высокую температуру. Такой пар называется перегретым.
Для определения параметров состояния влажного пара должна быть известна степень сухости.
13. Влажный воздух. Его св-ва.
Влажным воздухом наз. парогазовая смесь, состоящая из сухого воздуха и водяных паров. Состав влажного воздуха: 23% по массе кислорода, 21% по объему кислорода.
Влажный воздух, содержащий максимальное количество водяного пара при данной температуре, наз. насыщенным. Воздух, в котором не содержится максимально возможное приданной t колич. водяного пара, наз. ненасыщенным. Ненасыщенный влажный воздух состоит из смеси сухого и перегретого водяного пара, а насыщенный влажный воздух-из сухого воздуха и насыщенного водяного пара. Чтобы превратить из ненасыщеного в насыщенный влажный воздух нужно охладить.
Из ур-ний состояний реального газа наиболее простым явл. ур-ние Ван-дер-Ваальса: (p+a/v2)*(v-b)=RT,
где а- коэф., зависящий от сил сцепления;
b- величина, учитывающая собственный объем молекул.
Свойства: масса, температура, газовая постоянная, теплоемкость.
1) абсолютная влажность-кол-во водяных паров, содержащихся в 1 м3 воздуха (кг\м3),
2) относительная влажность-отношение плотности насыщенного пара к максимальному насыщенному пару ϕ=(ρ n \ρ нас)*100
где 1,005 –теплоемкость сухого воздуха
1,68 – теплоемкость перегретого воздуха.
5) Закону Дальтона. Давление влажного воздуха Рвв равно Рвв = Рсв + Рп, где Рсв, Рп -парциальные давления соответственно сухого воздуха и
Закон Кирхгофа, Ламберта.
З-н Кирхгофа. По закону Кирхгофа отношение излучательной способности тела Е к его поглощательной способности А для всех тел одинаково и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е 0 при той же температуре и зависит только от температуры, т. е. Е/А=Е 0 =f(T). Так как Е/Е 0 = а, то для всех серых тел А=а, т.е. поглощательная способность тела численно равна степени его черноты.
Рассмотрим случай теплообмена излучением между 2 стенками, имеющими большую повех-ть и расположенными параллельно на небольшом расстоянии одна от другой, т.е. так, что излучение каждой стенки полностью попадает на противоположную.
Пусть температуры поверх-ти стенок постоянно поддерживаются Т1 и Т2, причем Т1>Т2, а коэф-ты поглощения стенок равны соотв. А1 и А2, причем А1=а1, А=а2, т.е. коэф-ты поглощения и степени черноты соотв. равны. для этого на основании з-на Стефана-Больцмана получим:
Спр - приведенный коэф-т излучения, Вт/м2*К.
Здесь С1 и С2 – константы излучения тел, между которыми происходит процесс лучистого теплообмена.
Ур-е (1) можно использовать для расчета теплообмена, одно из которых имеет выпуклую форму и окружено поверх-тью другого, т.е. нах. в замкнутом пространстве. Тогда:
;
F1,F2-поверхности 1 и 2-го тел, участвующие в лучистом теплообмене.
При произвольном расположении тел, между которыми происходит теплообмен излучением Е1-2, расч ф-ла прмет вид:
В данном случае Спр=С1*С2/Со, а коэф-т фи (так наз. Угловой коэф-т или коэф-т облучения)- величина безразмерная, зависящая от взаимного расположения, формы и размеров поверх-тей и показывающая долю лучистого потока, которая падает на F2 от всего потока, отдаваемого F1 лучеиспусканием.
З-н Ламберта - определяет зависимость излучаемой телом энергии от ее направления. Е φ =Е 0 ∙cosφ. Е 0 - количество энергии, излучаемое по нормали к поверхности; Е φ - количество энергии, излучаемое по направлению, образующему угол φ с нормалью, то по з-ну Ламберта:
Т.о., з-н Ламберта определяет зависимость излучаемой телом энергии от ее направления.
Микроклимат помещений.
Микроклимат - совокупность значений таких параметров как температура, относ. Влажность, скорость и ср. температура внутренних поверхностей, обеспечивающих норм. жизнедеятельность человека в помещ. и норм. течение производственных процессов.
Микроклимат: комфортный, допустимый и дискомфортный.
Интенсивность теплоотдачи человека зависит от микроклимата помещения, характеризующегося t-рой внутр. воздуха tв, радиационной t-рой помещения tr, скоростью движ. и относительной влажностью φв воздуха. Сочетания этих параметров микроклимата, при ктр сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции, наз. комфортными. Наиболее важно поддерживать в помещении в первую очередь благоприятные t-ные условия, т.к. подвижность и относительная влажность воздуха имеют несущ колебания. Кроме оптимальных различают допустимые сочетания параметров микроклимата, при которых человек ощущает небольшой дискомфорт.
Часть помещения, в которой человек находится основное рабочее время, называют обслуживаемой или рабочей зоной. Комфорт должен быть обеспечен прежде всего в этой зоне.
Тепловые условия в помещении зависят главным образом от tв и tr, т.е. от его t-ной обстановки, ктр. принято характеризовать двумя условиями комфортности. Первое условие комфортности температурной обстановки опред. такую область сочетаний tви tr, при ктр. человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения.
Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них.
Во избежание недопустимого радиационного перегрева или переохлаждения головы человека поверхности потолка и стен могут быть нагреты до допустимой температуры
Двухтрубная система водяного отопления с принудительной циркуляцией. Варианты подводок.
Расширительный бак.
Представляет собой металлич-ю емкость цилиндр-ой формы со съемной крышкой и патрубками для присоед-я след-х труб: расширит-ой d1, контрольной d2 , выведенной к раковине в котельной для наблюдения за уровнем воды, переливной d3 для слива избытка воды при переполн-и расшир-го бака, циркуляц-ой d4 , соед-щей расшир-ый бак с обратным магистр-м теплопроводом для предотвращ-я замерз-я воды в расшир-м сосуде и в соед-ой трубе.
Полезный объем ( ,л) расширительного бака определяют по формуле:
,
где - 0,0006 1/ 0 С – коэффициент объемного расширения воды;
Изменение температуры воды от начальной до средней расчетной, 0 С;
Общий объем воды в системе, л
где 
- объем воды, соответственно в водоподогревателях, трубах, приборах, л, приходящийся на 1000Вт тепловой мощности системы водяного отопления.
Расширительный бакпредназначенный для компенсации давления, возник. в рез. темпер-го расширения теплоносителя при увеличении темпер.; выравнивание перепадов давления и компенсации гидравлических ударов в с макс. темпер. теплоносителя до 100°С; защиты узлов в контурах систем отопления и горячего водосн. от избыточного давления; компенсации эксплуатационных потерь теплоносителя, возник. в теч. отопительного периода; удаление воздуха из системы.
Расш. баки: открытого и закрытого исполнения.
Расш. баки открытого типа технологически устарели и в наст. вр. практич. применения не находят. Открытый расш. бак размещают над верхней точкой системы отопления, как правило, в чердачном помещении здания или на лест. клетке и покрывают тепловой изоляцией.
К расш. бакам закрытого типа относят мембранные баки, кот. сост. из стального корпуса, разделенного эластичной мембраной на две части - жидкостную и газовую полости. Жидкостная часть бака предназначена для приема теплоносителя из систем отопления и горячего водосн., газовая часть бака наполнена под повыш. давлением воздухом или азотом. Для поддержания необходимого давления в газовой камере бака имеется ниппель.
Воздухоудаление.
В системах вод. отопления с верхней разводкой, используют расширительный сосуд без доп. устройств. В сист с нижней - спец воздухоотводящую сеть, присоед. ее к расшир. баку или воздухосборнику (с помощью воздуховыпускных кранов или шурупов). Для надежного удаления воздуха и спуска воды, магистральные теплопроводы проклад. с уклоном. (не менее 0,002) по направлению движения теплоносителя. В системах с искусств цирк скорость движ. воды> скор всплывания воздуха, поэтому магистрали прокладывают с подъемам к крайним стоякам и в высших точках ставят воздухосборники.
Вентиляторы.
По принципу действия н назначению вентиляторы подразделяются на радиальные (центробежные), осевые, крышные и потолочные.
Радиальные (центробежные) вентиляторы . Обычный радиальный (центробежный) вентилятор состоит из трех основных частей: рабочего колеса с лопатками (иногда называемого ротором), улиткообразного кожуха и станины с валом, шкивом и подшипниками.
Работа радиального вентилятора заключается в следующем: при вращении рабочего колеса воздух поступает через входное отверстие в каналы между лопатками колеса, под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и направляется в его выходное отверстие. Таким образом, воздух в центробежный вентилятор поступает в осевом направлении и выходит из него в направлении, перпендикулярном оси.
Осевые вентиляторы . Простейший осевой вентилятор состоит из рабочего колеса, закрепленного на втулке и насаженного на вал электродвигателя, и кожуха (обечайки), назначение которого - создавать направленный поток воздуха. При вращении колеса возникает движение воздуха вдоль оси вентилятора, что и определяет его название.
Осевой вентилятор по сравнению с радиальным создает при работе больший шум и не способен преодолевать при перемещении воздуха большие сопротивления. В жилых и общественных зданиях осевые вентиляторы следует применять для подачи больших объемов воздуха, но если не требуется давление выше 150-200 Па. Вентиляторы В-06-300-8А, В-06-300-10Л и В-06-300-12.5А широко используют в вытяжных системах вентиляции общественных и производственных зданий.
Подбор вентилятора . Вентилятор подбирают по подаче L, м 3 /ч, и требуемому полному давлению вентилятора р, Па, пользуясь рабочими характеристиками. В них для определенной частоты вращения колеса даются зависимости между подачей вентилятора по воздуху, с одной стороны, и создаваемым давлением, потребляемой мощностью и коэффициентом полезного действия - с другой.
Полное давление р, по которому подбирается вентилятор, представляет собой сумму статического давления, расходуемого на преодоление сопротивлений по всасывающей и нагнетательной сети, и динамического, создающего скорость движения воздуха.
Величина р, Па, определяется по формуле
Подбирая вентилятор, следует стремиться к тому, чтобы требуемым величинам давления и подачи соответствовало максимальное значение КПД. Это диктуется не только экономическими соображениями, но и стремлением снизить шум вентилятора при работе его в области высоких КПД.
Требуемая мощность, кВт, электродвигателя для вентилятора определяют по формуле
где L- подача вентилятора, м 3 /ч; р -давление, создаваемое вентилятором, кПа; г],- КПД вентилятора, принимаемый по его характеристике; т 1рп _КПД ременной передачи, при клиноременной передаче равный 0,95, при плоском ремне -0,9.
Установочная мощность электродвигателя определяется по формуле
где а - коэффициент запаса мощности
Тип электродвигателя к вентилятору следует выбирать, учитывая условия эксплуатации последнего - наличие пыли, газа и паров, а также категорию пожаро- и взрывоопасности помещения.
Газовые бытовые приборы.
Печные горелки устанавливают в бытовых отопительных печах при переводе их на сжигание газа. Устройство применяют в печах без шиберов, оборудованных тягостабилизаторами, с режимами непрерывной и периодической топки.
Устройство имеет два режима работы - нормальный, когда работают основная и запальная горелки, и пониженный, когда работает только запальная горелка. При работе на пониженном режиме кран основной горелки должен быть закрыт.
Отопительные печи могут быть оборудованы горелочными устройствами и автоматикой безопасности других типов, прошедших испытания в установленном порядке, принятых к изготовлению и имеющих паспорт.
Бытовые газовые плиты
Плиты делятся на напольные и настольные (переносные). Настольные плиты не имеют духового шкафа, и их еще называют таганами. В эксплуатации находятся четырех-, трех- и двухконфорочные плиты.
По исполнению плиты выпускают обычной и повышенной комфортности. Газовые плиты повышенной комфортности имеют освещение духовки, горелку повышенной мощности, краны горелок стола с фиксированным положением «малое пламя», устройство для регулирования горизонтального положения стола. Также дополнительно они могут быть оборудованы горелкой стола пониженной мощности, электророзжигом горелок стола и духовки, жарочной горелкой духовки, вертелом в духовке с электрическим и ручным приводом, терморегулятором духовки, автоматикой контроля горения.
1. Идеальный газ, определение и его свойства.
2. Термодинам. система, термодинам. процесс, параметры идеального газа.
3. Уравнения состояния идеального газа. Физ. смысл газовой постоянной.
4. Внутренняя энергия идеального газа. Параметры состояния.
5. Работа газа. Параметр процесса.
6. Теплоемкость газа.
7. Газовые смеси.
8. I-ый закон термодинамики, его математическое выражение.
9. Выр-е I-го закона термодинамики для разл. термодинам. процессов
10. Круговые циклы. Термодинамический и холодильный коэффициенты.
11. Цикл Карно. Теорема Карно.
12. Реальный газ. Парообр-ние в PV координатах. Теплота парообр-я. Степень сухости пара.
13. Влажный воздух. Его свойства.
14. I-d диаграмма влажного воздуха. Изучение процессов обработки воздуха с помощью I-d диаграммы.
15. Температурное поле тела. Температурный градиент.
16. Теплопроводность. Закон Фурье.
17. Теплопроводность плоской стенки. Основное уравнение теплопроводности.
18. Конвективный теплообмен. Ур-е Ньютона-Рихмана. Коэфф. теплоотдачи.
19. Опр-е коэфф-та теплоотдачи с исп-ем критериальных уравнений.
20. Лучистый теплообмен. Уравнение Стефана-Больцмана.
21. Закон Кирхгофа, Ламберта.
22. Теплопередача. Ур-е и коэфф-т теплопередачи для плоской стенки.
23. Теплообменные аппараты. Опр-е пов-ти нагрева рекуперативных теплообменников.
24. Микроклимат помещений.
25. Сопр-е теплопередачи наруж. ограждений. Соотношения между ними.
26. Теплоустойчивость ограждений. Коэфф-т теплоусвоения S. Величина тепловой инерции D.
27. Воздухопрониц-ть ограждений. Сопр-е воздухопрониц-ти ограждений.
28. Опр-е тепловых потерь через ограждения. Правила обмера пов-тей охлаждения.
29. Опр-е тепловых потерь по укрупн. показателям. Удельная тепловая характеристика здания.
30. Система отопления: осн. Эл-ты, класс-ция, требования, предъявл. к отопительной установке.
31. Вывод гравитац. давления для двухтрубной системы отопления.
32. Опр-е циркуляц. давления в однотрубной системе.
33. Трубопроводы систем центр. отопления, их соед-я, способы прокладки.
34. Расширит. бак, его назначение, установка, точка присоединения к магистралям системы отопления, определение объема бака.
35. Воздухоудаление из систем водяного отопления.
36. Сист. пар. отопления. Принцип работы, класс-ция, осн. схемы. Воздухоудал. из сист. пар. отопления. Обл-ть прим-я систем газового отопления.
37. Нагреват. приборы сист. центр. отопления. Класс-ция, требования к ним. Хар-ка осн. видов нагреват. приборов.
38. Размещение и установка, способы присоед-я нагреват. приборов к трубопроводам сист. отопления. Схемы подводки теплоносителя к нагревательным приборам.
39. Коэфф-т теплопередачи нагреват. приборов. Опр-е пов-ти нагрева приборов.
40. Особенности расчета поверхности нагревательных приборов.
41. Регулировка теплоотдачи нагревательных приборов.
42. Топливо. Элементарный состав. Теплотворная способность топлива
43. Горение топлива. Теоретич. и действ. объем воздуха, необх. для горения топлива.
44. Способы сжигания топлива. Виды топочных устройств, их характеристики.
45. Котельная установка. Опр-е. Виды топочных устройств, их хар-ки.
46. Централизованное теплоснабжение. Схема ТЭЦ.
47. Тепловые сети, способы прокладки тепловых сетей, виды изоляции.
48. Присоед-е местных систем отопления к тепловым сетям.
49. Воздухообмен, способы его определения.
50. Назначение и классификация систем вентиляции
51. Естеств. вентиляция: инф-ция, аэрация, канальная система вентиляции.
52. Канальная вытяжная гравитац. система вентиляции, конструирование и её аэродинам. расчет.
53. Механическая система вентиляции. Ее элементы.
54. Устройства для очистки воздуха.
55. Устройства для подогрева воздуха.
56. Вентиляторы: классификация, принцип действия осевых и центробежных вентиляторов. Подбор вентиляторов.
57. Газоснабжение. Основные схемы. Устройство системы газоснабжения.
58. Газовые бытовые приборы.
Идеальный газ, определение и свойства.
Газы, молекулы которых не обладают силами взаимодействия, а сами молекулы представляют собой материальные точки с ничтожно малыми объёмами, называются идеальными газами . Понятие об идеальном газе введено для упрощения изучения термодинамических процессов и получения более простых расчётных формул.
Свойства идеального газа на основе молекулярно-кинетических представлений определяются исходя из физической модели идеального газа, в которой приняты следующие допущения:
Объём частицы газа равен нулю (то есть диаметр молекулы пренебрежимо мал по сравнению со средним расстоянием между ними);
Импульс передается только при соударениях (то есть силы притяжения между молекулами не учитываются, а силы отталкивания возникают только при соударениях);
Суммарная энергия частиц газа постоянна (то есть нет передачи энергии за счет передачи тепла или излучением);
Время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями;
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Идеальный газ - это простейшая физическая модель настоящего газа. Идеальный газ состоит из огромного числа частиц, которые уподобляют шарикам (материальным точкам), имеющим конечную массу, и у которых отсутствует объем.
Моделью в физике называют упрощенную копию изучаемой настоящей системы. Она отражает самые значимые основные характеристики и свойства системы.
В модели идеального газа учитываются только основные свойства молекул, которые требуются для того, чтобы объяснить основы поведения газа. Идеальный газ напоминает реальный газ в довольно узком интервале давлений (p) и температур (T).
Главным упрощением идеального газа является предположение о том, что молекулы идеального газа не взаимодействуют на расстоянии. Кинетическая энергия движения молекул такого газа много больше, потенциальной энергии их взаимодействия. Данное упрощение ведет к уравнению состояния идеального газа:
где m - масса газа; - молярная масса; 
- универсальная газовая постоянная.
Реальные газы можно уподобить идеальному газу с достаточно высокой точностью при низких делениях, когда расстояния (в среднем) между молекулами существенно больше, чем их размеры и (или) низких температурах. В таком случае силы притяжения между молекулами можно считать ничтожно малыми, а силы отталкивания возникают на очень маленькие промежутки времени при столкновениях молекул.
Столкновения частиц идеального газа описывают при помощи законов абсолютно упругого соударения шаров. Следует отметить, что имеются в виду законы столкновения именно шаров, так как точечные частицы испытывают только лобовые столкновения, которые не могут изменять направления скоростей на разные углы. В промежутках между столкновениями молекулы идеального газа движется по прямым линиям. Законы столкновений и соударений о стенки сосудов, в которых находится газ, известны. В МКТ движение каждой молекулы идеального газа описывают при помощи законов динамики. Однако из-за того, что число молекул в газе огромно, то практически не представляется возможным написать такое число уранений.
С помощью модели идеального газа получают, например, основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ) (2). Которое показывает, что давление газа является результатом многочисленных ударов его молекул о стенки сосуда, в котором газ находится.
где - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа; - концентрация молекул газа (N - число молекул газа в сосуде; V - объем сосуда); - масса молекулы газа; - среднеквадратичная скорость молекулы.
Модель идеального газа можно использовать для объяснения свойств газов. Так, горят, что газ занимает весь объем, который ему предоставляется, потому что силы взаимодействия его молекул малы, и они не способны удержать молекулы друг около друга.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Идеальный газ находится в сосуде объем, которого составляет  л. Давление этого газа равно Па. Средняя кинетическая энергия, которую имеют молекулы газа  Дж. Какое число молекул газа находится в сосуде?
|
| Решение | В качестве основы для решения задачи используем основное уравнение МКТ:
Концентрация молекул (n) это:
где N — искомое число молекул газа. Подставим правую часть выражения (1.2) в (1.1), имеем:
Проведем вычисления: |
| Ответ | молекул. |
Наиболее простой физической моделью газовой термодинамической системы является идеальный газ. Существо этой модели в следующем.
- 1. Молекулы газа представляются малыми частицами (материальными точками), суммарный объем которых пренебрежимо мал по сравнению с объемом, который занимает газ.
- 2. Предполагается, что до столкновения молекулы между собой не взаимодействуют (т.е. не обмениваются энергией). Иными словами, потенциальная кривая для модели идеального газа имеет вид, приведенный на рис. 4.2, а. Если считать, что молекулы - «несжимаемые шарики» с радиусом г 0 , то потенциальная энергия их взаимодействия равна нулю при расстояниях г между их центрами, больших, чем 2г 0 , и бесконечно велика при г (в действительности для реальных молекул под их радиусом следует понимать не радиус молекулы-шарика, а некоторый радиус (г , г 2) эффективного взаимодействия между молекулами, определяемый их свойствами и видом потенциальной кривой взаимодействия и кинетической энергией сталкивающихся частиц, зависящей от температуры (см. рис. 4.2, б)).
- 3. Считается, что молекулы при столкновении обмениваются энергиями по законам абсолютно упругого соударения (см. подраздел 1.4.5).
Рис. 4.2. Потенциальные кривые U(r) (г- радиус взаимодействия) для модели: а - идеального газа; б - реального газа (г, и г 2 - эффективные радиусы взаимодействия при разных температурах)
4. Допускается, что нет никаких дополнительных физических ограничений (на число частиц, объем, давление, температуру и др. - они могут быть любыми) и внешних воздействий на систему в целом.
Мы имеем также в виду, что идеальный газ представляет собой совокупность огромного числа молекул, находящихся в состоянии термодинамического равновесия (система замкнута). В такой системе термодинамическое равновесие устанавливается только за счет взаимодействий между молекулами при их взаимных столкновениях. При этом в системе устанавливается статическое равновесие, которое означает, что все распределения частиц (по энергиям, по скоростям и т.д.) остаются неизменными во времени. Классический идеальный газ подчиняется так называемой статистике Больцмана (классической статистике).
Макроскопическое уравнение состояния идеального газа (может быть получено из молекулярно-кинетических представлений о газах. Известно, что одним из основных свойств газа является способность оказывать давление на стенки заключающего его сосуда. Определим это давление для идеального газа, состоящего из молекул одного сорта. Прежде всего напомним, что давлениер газа на стенки сосуда есть результат совокупного действия его молекул при их ударах о стенку. По определению, давление задается силой, действующей со стороны газа на единицу поверхности стенки ограничивающего его сосуда и перпендикулярной этой поверхности.
Направим ось х перпендикулярно стенке сосуда. Согласно второму закону Ньютона, сила, действующая со стороны газа на единицу поверхности стенки и перпендикулярная ее поверхности, равна изменению перпендикулярной составляющей импульса всех молекул газа, ударяющихся о стенку за единицу времени. Так как молекул очень много и они ударяются о стенку очень часто, то можно заменить их суммарное действие одной непрерывно действующей силой. Эта сила усредняет и как бы сглаживает отдельные толчки. Такое описание и соответствует статистическому методу. Так начинается переход от ньютоновской механики к статистическому описанию: место и время удара каждой молекулы о поверхность стенки совершенно не важны для анализа рассматриваемого явления (давления). Общий эффект их действия и есть то, что входит в статистический закон. Только он и важен для статистического описания системы. Тем не менее рассуждения надо начинать с рассмотрения отдельного удара.
Когда молекула, упруго взаимодействуя, отскакивает от стенки сосуда, перпендикулярная составляющая ее скорости меняет знак на обратный, а абсолютная величина скорости не изменяется (см. подраздел
1.4.5, рис. 1.37 и формулы (1.170), (1.171)). При упругом ударе частицы о стенку ее импульс не изменяется по абсолютной величине, но меняет свое направление. Поэтому
где т - масса молекулы; и х - проекция ее скорости на направление выбранной оси (ось х - перпендикулярна стенке).
Это изменение импульса молекулы газа происходит под действием силы, действующей на молекулу со стороны стенки. По третьему закону Ньютона «действие равно противодействию»: стенка сосуда, содержащего газ, при каждом ударе молекулы получает равный по величине и противоположный по направлению импульс, равный 2ти х. Сколько же ударов о единицу поверхности произойдет за единицу времени? По направлению к площадке S движется большое число молекул под разными углами к нормали к ее поверхности (от 0 до ±л/2). Мысленно выберем только те из них, проекции скоростей которых на ось х лежат в интервале от и х до и х + dи х. Обозначим через dN(v x) число молекул, проекции скоростей которых на ось х заключены в указанном интервале значений, и которые за время т достигнут площадки S на стенке сосуда. Тогда суммарное изменение импульса всех этих молекул в результате действия на них стенки равно 2mu x dN(u x), а средняя за время т сила di ? (i; x), действующая со стороны стенки на молекулы, составит:
Рис. 4.3.
Давление dр х действующее со стороны молекул с проекциями скоростей и х на стенку, запишется в виде:
Подсчитаем величину dN(v x). За время т стенки сосуда достигнут молекулы, находящиеся в объеме V= IS = v x xS (рис. 4.3). Обозначив концентрацию таких молекул через бл(о х), найдем:
Концентрация молекул, скорости которых лежат в интервале от и х до v x + dv x , может быть записана с использованием функции распределения f(v x) в виде:
где
- нормированная функция распределения числа частиц
по проекциям скоростей v x , п - их концентрация и тогда
Давление, оказываемое на стенку молекулами, имеющими проекции скорости v x в интервале от и х до и х + d v x , будет
Если требуется подсчитать давление, вызываемое всеми молекулами, необходимо проинтегрировать полученное выражение по всем возможным значениям проекций скоростей (нулевой проекцией скорости на ось х обладают покоящиеся молекулы и молекулы, двигающиеся перпендикулярно оси х, а максимально возможное значение проекции скорости на осьх - условно «ос», относится к движению молекулы вдоль этой оси с наибольшей скоростью и тзх). Поэтому:
Интегрирование проводится по всем возможным значениям проекций v x . Поскольку в рассматриваемом случае газ находится в состоянии термодинамического равновесия, то молекулы движутся совершенно беспорядочно (хаотически) - все направления движения равновероятны. Проекции их скоростей на любую выбранную ось могут быть самыми разными по величине. При каждом столкновении любой молекулы с другими величина ее скорости должна, вообще говоря, изменяться, причем с равной вероятностью она может как возрастать, так и уменьшаться.
Так как изменения скоростей молекул при столкновениях происходят случайным образом, то может случиться, что в результате последовательных столкновений молекула все время будет только получать энергию от других молекул, и ее энергия будет значительно выше средней энергии, а следовательно, и скорости таких молекул также будут выше средней. Можно представить себе фантастический случай, когда все молекулы остановятся, передав всю энергию одной единственной молекуле. В этом случае все равно эта единственная молекула будет иметь конечную энергию и конечную величину скорости. Таким образом, скорость молекул газа не может быть больше некоторой и тах. Учитывая малую величину вероятности сосредоточения на одной молекуле заметной доли суммарной энергии всех молекул, можно утверждать, что слишком большие по сравнению со средним значением скорости (или энергии) могут появляться крайне редко. Поэтому в (4.19) верхний предел интегрирования можно принять равным бесконечности и от этого величина интеграла практически не изменится. Практически исключено, что в результате соударений скорость молекулы станет точно равной нулю. Следовательно, очень большие и очень малые по сравнению со средним значением скорости маловероятны, причем вероятность иметь значения скорости о х стремится к нулю как при v x -> 0, так и при и х -> оо. Отсюда также следует, что скорости молекул группируются вблизи некоторого наиболее вероятного значения (см. табл. 4.1).
В силу изотропности пространства положительное направление оси х может быть выбрано произвольно - результат не должен зависеть от выбора направления, так как считается, что любые направления в пространстве эквивалентны. Так как давление р создается только теми молекулами, которые движутся к стенке (т.е. половиной общего числа молекул, которые имеют положительные проекции и х), то с учетом (4.19) для давления получаем:
где
(см. формулу (4.11)).
Выражение (4.20) можно видоизменить, перейдя от проекций скоростей молекул к абсолютным значениям этих скоростей. Действительно, в силу хаотичности движения молекул и изотропности пространства:
, но
откуда:
Подставляя выражение (4.21) в (4.20), получаем:
где
- средняя кинетическая энергия молекул идеального
Выражение (4.22) является одной из форм записи основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа.
Таким образом, давление идеального газа равно двум третям объемной плотности средней кинетической энергии (и) поступательного движения молекул.
Другую форму записи уравнения (4.22) получим, умножив обе его части на объем одного моль V M газа:
Учитывая, что pV M = RT (уравнение Менделеева-Клапейрона для моль газа), a nV M = АД =6,02 10 23 моль - число Авогадро, имеем RT=
= (2/3) N a иОтношение обозначается к ъ - это
постоянная Больцмана
:
к ъ =
1,38 10 -23 Дж/К. Эта постоянная играет фундаментальную роль в молекулярной физике, физической статистике и термодинамике. С постоянной Больцмана выражение для средней кинетической энергии одной молекулы газа записывается в виде:
Произведение к ъ Т, имеющее размерность энергии, есть мера энергии теплового движения молекул.
Оценим величину к ъ Т для комнатной температуры.
При Т * 300 К, = 1,38 10- 23 (Дж/К) 300 К * 4 ? 10- 21 Дж * « 0,026 эВ = 26 мэВ. Напомним, что 1 эВ = 1,6 10 -19 Дж.
Теперь найдем связь давления с температурой. Для этого в (4.22) подставим выражение для из (4.24) и после сокращений получим:
Выражение (4.25) является другой формой записи основного уравнения молекулярно-кинетической теории. Если обе части (4.25) умножить на массу молекулы т,
то получим: тр = тпк ъ
Г, или тр = рк ь Т,
где р - плотность газа, откуда следует, что абсолютная температура Т
может быть определена выражением:
Выражение (4.26) может быть использовано для градуировки термометров и измерения абсолютной температуры Т по давлению р и плотности р газа.
- В этой главе потенциальная и внутренняя энергия будут обозначаться символом U.
- Здесь и далее символом р, который ранее использовался для обозначения импульса,мы будем обозначать давление. В дальнейшем при смене обозначений это будет специально оговариваться.
- В этой главе мы будем обозначать кинетическую энергию буквой г..