WYKŁAD nr 1
DEFINICJA ENERGII I JEJ RODZAJE.
TERMODYNAMIKA I JEJ METODY.
UKŁADY TERMODYNAMICZNE.
Ciepłownictwo – ogólna dyscyplina techniczna zajmująca się badaniem sposobów pozyskiwania, przetwarzania, przesyłania i wykorzystania ciepła, a także zasad działania i cech konstrukcyjnych wytwornic ciepła i pary, silników cieplnych, aparatury i urządzeń.
Termodynamika ( część ciepłownictwo) bada prawa przemian energii w różnych dziedzinach procesy fizyczne i chemiczne, występujący w układach makroskopowych i któremu towarzyszą efekty termiczne.
Znane są różne rodzaje energii: cieplna, elektryczna, chemiczna, magnetyczna itp. Zadania badawcze mogą być różne - są to termodynamika biosystemów, termodynamika techniczna itp. Nas interesuje termodynamika techniczna, która bada wzorce wzajemnej konwersji energii cieplnej i mechanicznej (wraz z teorią wymiany ciepła) i dlatego stanowi teoretyczną podstawę inżynierii cieplnej. Bez tych podstaw teoretycznych nie da się obliczyć i zaprojektować silnika cieplnego
Metoda termodynamiki jest fenomenologiczny. Zjawisko rozpatrywane jest całościowo. Związek między parametrami makroskopowymi determinującymi zachowanie układu wynikają z dwóch zasad termodynamiki. Układ termodynamiczny reprezentuje kolekcję ciała materialne, które pozostają w interakcji mechanicznej i termicznej ze sobą oraz z ciałami zewnętrznymi otaczającymi system.
Stan termodynamiczny ciała (na przykład gazu) charakteryzuje się masą, masą molową μ, ciśnieniem, objętością, temperaturą (i ewentualnie innymi wielkościami, na przykład tymi, które je określają skład chemiczny). Wszystkie te wielkości nazywane są parametrami termodynamicznymi ciała. Jednakże, jak będzie jasne z poniższego, parametry takie jak , mają sens tylko wtedy, gdy ciało znajduje się, przynajmniej w przybliżeniu, w tak zwanym stanie równowagi termodynamicznej (itp.). To jest nazwa stanu, w którym wszystko parametry termodynamiczne pozostają stałe w czasie (do tego należy dodać warunek braku przepływów stacjonarnych). Jeśli na przykład szybko podgrzejesz gaz, jak pokazano na rys. 9.1 temperatura bezpośrednio ogrzewanej części zbiornika A będzie wyższa niż temperatura części B. Ciśnienia w częściach A i B nie będą równe. W tym przypadku pojęcie temperatury lub ciśnienia całego gazu nie ma sens. Innym przykładem jest wpuszczenie wiązki szybkich cząsteczek do gazu. Jest oczywiste, że nie ma sensu mówić o temperaturze gazu, dopóki szybkie cząsteczki w wyniku serii zderzeń z innymi nie osiągną prędkości rzędu Średnia prędkość pozostałych cząsteczek, innymi słowy, aż układ osiągnie stan itp.
W stanie itp. dla każdej substancji parametry termodynamiczne powiązane są ze sobą tzw. równaniem stanu:
Tutaj R=8,31 J/(molK) jest uniwersalną stałą gazową, μ - masa cząsteczkowa. Dla węgla (C) wartość μ wynosi 12g, dla wodoru (H2) – 2g, dla tlenu (O2) – 32g, dla wody (H2O) – 18g itd.
W molu dowolnej substancji znajduje się taka sama liczba cząsteczek N0, zwana liczbą Avogadro:
Stosunek uniwersalnej stałej gazowej R do liczby Avogadro (tj. uniwersalnej stałej gazowej na cząsteczkę) nazywany jest stałą Boltzmanna:
Gaz doskonały to gaz tak rozrzedzony, że spełnia równanie (1.2) lub (1.6). Znaczenie tej definicji jest oczywiste, że aby spełnić równanie (1.6), gaz musi być dostatecznie rozrzedzony. Przeciwnie, jeśli gaz jest wystarczająco sprężony wysokie gęstości(tzw. gaz rzeczywisty), to zamiast (1.6) mamy
Wybór układ termodynamiczny arbitralny. Wybór podyktowany jest warunkami rozwiązywanego problemu. Ciała nieujęte w systemie stanowią środowisko. Oddzielenie układu termodynamicznego od otoczenia odbywa się za pomocą powierzchni sterującej. I tak np. w najprostszym układzie termodynamicznym cylinder-gaz-tłok czynnikiem zewnętrznym jest powietrze otoczenia, a powierzchnią sterującą jest płaszcz cylindra i tłok. Oddziaływanie mechaniczne i termiczne układu termodynamicznego odbywa się poprzez powierzchnie sterujące.
Podczas mechanicznej interakcji samego układu lub na nim wykonywana jest praca. Należy zauważyć: pracę można wykonywać także pod wpływem innych energetyczno-elektryczny, magnetyczny.
Rozważając przykład układu cylinder-tłok, możemy zauważyć, co następuje: Praca mechaniczna powstaje podczas ruchu tłoka i towarzyszy mu zmiana objętości. Oddziaływanie termiczne polega na przenoszeniu ciepła pomiędzy poszczególnymi ciałami układu oraz pomiędzy układem a środowisko. W rozważanym przykładzie ciepło może być dostarczane do gazu przez ścianki butli. W otwartym układzie termodynamicznym następuje wymiana z otoczeniem i materią (procesy przenoszenia masy). W dalszej części rozważymy zamknięte układy termodynamiczne. Jeśli system jest izolowany termicznie, nazywamy go adiabatycznym, na przykład gazem w naczyniu o idealnej izolacji termicznej. Taki system nie wymienia ciepła ani materii z otoczeniem i nazywa się go zamknięty (izolowany).
Przekształcenie ciepła w pracę i odwrotnie praca w ciepło odbywa się za pomocą układów składających się z gazów i par, nazywanych płynami roboczymi.
Rosyjscy naukowcy wnieśli ogromny wkład w rozwój termodynamiki jako nauki: M.V. Łomonosow – określił istotę ciepła jako wewnętrznego ruchu materii, ponadto określił istotę później opracowanych praw termodynamiki, sto lat przed Clausiusem (1850), podał treść drugiej zasady termodynamiki, ujęcie ilościowe zostało podane przez Łomonosowa w dwóch jego dziełach w latach 1750 i 1760. Możemy wspomnieć o G.G. Hessa (1840), który ustanowił prawo na efekt termiczny Reakcja chemiczna, prof. Schiller N.N. (Uniwersytet Kijowski) – bardziej rygorystycznie uzasadnił drugą zasadę termodynamiki, prof. Afanasyeva-Erenfest T.A. po raz pierwszy wykazał możliwość odrębnej interpretacji drugiej zasady termodynamiki dla procesów równowagowych i nierównowagowych. Badania stosowane i teoretyczne przeprowadzili naukowcy z MVTU V.I. Grinevetsky, K.V. Kirsh, N.I. Mertsalov, L.K. Ramzin, B.M. Oshurkov. Pierwszy radziecki podręcznik termodynamiki został napisany przez B.M. Oshurkowa. Naukowcy VTI, MPEI Vukalovich M.P., Kirillin V.A., Novikov I.I., Timrot D.A., Vargaftik N.B. przeprowadził szeroko zakrojone badania w celu uzyskania nowych danych na temat właściwości termofizycznych szeregu nowych płynów roboczych. Wśród naukowców zagranicznych ogromny wkład w rozwój termodynamiki wnieśli Sadi Carnot, R. Stirling, R. Mayer, Clausius, Helmholtz, Joule, Thomson, Reynolds i inni.Nawiasem mówiąc, R. Stirling, 8 lat przed S. Carnot w 1816 roku opatentował maszynę wytwarzającą pracę za pomocą ogrzanego powietrza.
Rozdział 1. Termodynamika.
Wstęp.
Podstawy termodynamiki technicznej.
Bezpieczeństwo procesy technologiczne i obiekty produkcyjne transport lotniczy V w wąskim znaczeniu oznacza zapewnienie bezpieczeństwa lotu (FS), co zwykle oznacza możliwości systemu transportu powietrznego(całość statku powietrznego (samolot, śmigłowiec), załoga, służby przygotowania i wsparcia lotu, kontrola ruch lotniczy) wykonywać transport lotniczy bez zagrożenia życia i zdrowia ludzi.
Ma to wpływ na wynik lotu duża liczba czynników, których wzorce występowania są bardzo złożone i są przedmiotem badań różne nauki: inżynieria cieplna, dynamika gazów, teoria silników lotniczych itd.
Termodynamika, będąca sekcją Fizyka teoretyczna, stanowi jeden z najbardziej rozległych obszarów nowoczesne nauki przyrodnicze- nauka o przemianach różne rodzaje energię w siebie. Nauka ta bada szeroką gamę zjawisk naturalnych i obejmuje ogromny obszar zjawisk chemicznych, mechanicznych i fizykochemicznych.
Inżynieria cieplna– ogólna dyscyplina zawodowa (ogólnotechniczna), która się uczy metody pozyskiwania, przetwarzania, przesyłania i wykorzystania ciepła, I zasady działania i procesy pracy silników, aparatury i urządzeń cieplnych itd. Inżynieria cieplna opiera się na informacjach z termodynamiki technicznej, wymiany ciepła i wymiany masy.
Termodynamika techniczna bada wzorce wzajemnego przekształcania energii cieplnej i mechanicznej i jest(wraz z teorią wymiany ciepła i masy) podstawy teoretyczne ciepłownictwa. Na jego podstawie przeprowadza się obliczenia i projektowanie silników cieplnych - turbin parowych i gazowych, silników. wewnętrzne spalanie, a także wszelkiego rodzaju urządzenia technologiczne - sprężarki, suszarki i agregaty chłodnicze itp.
Dynamika gazów bada otwarte układy termodynamiczne, w którym płyn roboczy reprezentuje przepływ gazu. W oparciu o postulaty i wnioski z dynamiki gazów prowadzone są projekty kanałów, łopatek turbin i innych urządzeń.
Teoria silników lotniczych bada obwody, zasady działania różne rodzaje silniki turbinowe i tłokowe gazowe (GTE i PD) oraz ich elementy, a także Charakterystyka wydajności GTE i PD oraz ich elementy. GTE są szeroko stosowane w lotnictwo cywilne z powodu ich duża moc przy małych gabarytach i masie, a także ze względu na stosowanie tanich paliw (nafty).
Dyscyplina akademicka„Termodynamika i przenoszenie ciepła” jest część integralna program kształcenie inżyniera mechanika w specjalności” Operacja techniczna samolot i silniki lotnicze” dla wszystkich form szkolenia. Dyscyplina składa się z dwóch niezależne sekcje:
termodynamika inżynierska;
Przenikanie ciepła.
Termodynamika techniczna jest częścią termodynamiki – gałęzi fizyki teoretycznej. Obiekt badania z zakresu termodynamiki technicznej Silniki lotnicze - silniki cieplne, w którym badane są wzorce wzajemnego przekształcania ciepła w pracę, zależności między cieplną, mechaniczną i procesy chemiczne które mają miejsce w silnikach cieplnych.
Termodynamika techniczna zaczęła się rozwijać w latach dwudziestych XX wieku XIX wiek, ale pomimo stosunkowo młodego wieku, obecnie zasłużenie zajmuje jedno z nich miejsca centralne wśród dyscyplin fizycznych i technicznych.
W części teoretycznej jest termodynamika techniczna wydział ogólny, nauki o energetyce, a w części stosowanej stanowi teoretyczne podstawy wszelkiej inżynierii cieplnej, która bada procesy zachodzące w silnikach cieplnych.
W termodynamice stosuje się dwie metody badawcze: metodę procesów kołowych oraz metodę funkcji termodynamicznych i konstrukcji geometrycznych. Ta ostatnia metoda została rozwinięta i objaśniona w klasycznych pracach Gibbsa. Ta metoda otrzymała dla Ostatnio rozpowszechniony.
Na początku drugiego połowa XVIII V. Rozwiązano bardzo ważny problem techniczny – stworzono uniwersalny silnik cieplny dla przemysłu i transportu. Pierwszą maszynę parową wynalazł rosyjski inżynier I. I. Połzunow. Powstała po jego śmierci w 1766 roku, czyli prawie 20 lat przed maszyną parową Jamesa Watta. I. I. Polzunov nie tylko stworzył pierwszy na świecie silnik parowy, ale także wynalazł dla niego rozdzielnicę i jako pierwszy automatycznie napędzał kocioł parowy.
Do lat 50. XIX wieku nauka uważała ciepło za substancję specjalną, nieważką, niezniszczalną i nie wytworzoną – kaloryczną. Jednym z pierwszych, który obalił tę teorię, był M.V. Łomonosow. W 1744 roku w swojej rozprawie „Rozważania o przyczynach ciepła i zimna” napisał, że ciepło składa się z ruch wewnętrzny własnej materii i wskazał, że ogień i ciepło polegają na ruchu obrotowym cząstek, z których składają się wszystkie ciała. W ten sposób w swoich pracach M.V. Łomonosow położył podwaliny pod mechaniczną teorię ciepła. Jednak Łomonosow nie był rozumiany przez współczesnych. Przez długi czas fizycy nadal mówili o kaloryczności. Dopiero w połowie XIX w. Mechaniczna teoria ciepła, w wyniku prac wielu naukowców, znajduje szerokie uznanie i staje się podstawą wszelkiej termodynamiki.
Przenikanie ciepła to nauka zajmująca się badaniem procesów przenoszenia ciepła (wymiany ciepła) w przestrzeni o nierównomiernym polu temperatur. W zależności od charakteru wymiany ciepła, można nazwać przenoszeniem ciepła przewodność cieplna(na przykład przez ściany obudowy), konwekcja(na przykład podczas chłodzenia łopatek turbin powietrzem) i promieniowanie(na przykład, gdy mieszanka paliwowo-powietrzna spala się od płomienia do ścianek płomienicy w komorze spalania).
Termodynamika techniczna, stosując podstawowe prawa do procesów zamiany ciepła na pracę mechaniczną i pracy mechanicznej na ciepło, umożliwia rozwój teorii silników cieplnych, badanie procesów w nich zachodzących oraz pozwala określić ich sprawność dla każdego wpisz osobno.
Książka przedstawia podstawy inżynierskiej termodynamiki i wymiany ciepła.
W pierwszej części przedstawiono prawa termodynamiki i ich zastosowanie do analizy obiegów silników cieplnych, turbin gazowych, turbin parowych, agregatów chłodniczych itp.
W drugiej części przedstawiono fizyczne podstawy wymiany ciepła. Uważany za metody elementarne przenikanie ciepła. Krótki opis zastosowania ogólna teoria przenikanie ciepła i masy do badania procesów zachodzących w wilgotnych ciałach koloidalnych kapilarno-porowatych.
Książka daje pytanie kontrolne i szereg rozwiązanych problemów. Książka została napisana przy użyciu Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI).
Część pierwsza TERMODYNAMIKA TECHNICZNA
Rozdział I WSTĘP
§ 1-1. Energia i jej znaczenie w gospodarka narodowa ZSRR
Od pierwszych dni życia państwo radzieckie Partia komunistyczna ZSRR dał Świetna cena realizacji leninowskiej doktryny elektryfikacji całego kraju.
„Komunizm” – stwierdził W.I. Lenin – „jest władza radziecka plus elektryfikacja całego kraju”, dlatego idea Lenina całkowitej elektryfikacji jest rdzeniem całego programu, budowy gospodarki komunizmu.
SPIS TREŚCI
Przedmowa do drugiego wydania.
Przedmowa do pierwszego wydania.
Część pierwsza. Termodynamika techniczna
Rozdział 1 Wstęp.
Rozdział II. Równanie stanu gazy doskonałe.
Rozdział III. Mieszanka gazów doskonałych.
Rozdział IV. Prawdziwe gazy.
Rozdział V. Pierwsza zasada termodynamiki.
Rozdział VI. Pojemność cieplna gazów. Entropia.
Rozdział VII. Procesy termodynamiczne gazów doskonałych.
Rozdział VIII. Druga zasada termodynamiki.
Rozdział IX. Funkcje charakterystyczne i potencjały termodynamiczne. Równowaga układów.
Rozdział X Równania różniczkowe termodynamika.
Rozdział XI. Para wodna
Rozdział XII. Podstawowe procesy termodynamiczne pary wodnej.
Rozdział XIII. Emisja gazów i oparów.
Rozdział XIV. Dławienie gazów i par. Mieszanie gazów.
Rozdział XV. Mokre powietrze.
Rozdział XVII. Cykle silników spalinowych.
Rozdział XVIII. Cykle zespołów turbin gazowych i silników odrzutowych.
Rozdział XIX. Cykle instalacji turbin parowych.
Rozdział XX. Cykle elektrownie jądrowe, parowo-gazowe i magnetohydrodynamiczne.
Rozdział XXI. Cykle chłodnicze.
Część druga. Przenikanie ciepła
Rozdział XXII. Podstawowe zasady przewodnictwa cieplnego.
Rozdział XXIII. Przewodność cieplna w stanie ustalonym i warunki brzegowe pierwszy rodzaj.
Rozdział XXIV. Przewodność cieplna w warunkach stacjonarnych i warunkach brzegowych trzeciego rodzaju. Współczynnik przenikania ciepła.
Rozdział XXV. Przewodność cieplna w warunkach nieustalonych.
Rozdział XXVII. Konwekcyjne przenoszenie ciepła w wymuszonym i swobodnym przepływie płynu.
Rozdział XXVIII. Przenikanie ciepła podczas zmiany stan skupienia Substancje.
Rozdział XXIX. Przenikanie ciepła przez promieniowanie.
Rozdział XXX. Wymienniki ciepła.
Rozdział XXXI. Przenikanie ciepła i masy w ciałach mokrych.
Aplikacje.
Literatura.
Darmowe pobieranie e-book w wygodnej formie, obejrzyj i przeczytaj:
Pobierz książkę Termodynamika techniczna i wymiana ciepła, Nashchokin V.V., 1975 - fileskachat.com, szybkie i bezpłatne pobranie.
Pobierz djvu
Poniżej możesz kupić tę książkę w najlepszej cenie ze zniżką z dostawą na terenie całej Rosji.
1 DK 536.7(07) + 536.24 Recenzenci: Katedra Techniki Cieplnej i Elektrociepłowni w St. Petersburgu Uniwersytet stanowy Koleje (doktor nauk technicznych, prof. I.G. Kiselev), profesor B.S. Fokin (JSC NPO „TsKTI im. I.I. Polzunov”) Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L. Termodynamika techniczna i wymiana ciepła: Podręcznik dla uniwersytetów. St. Petersburg: Wydawnictwo Państwowego Uniwersytetu Technicznego w Petersburgu, 1999. 319 s. ISBN 5-7422-0098-6 Przedstawiono podstawy termodynamiki technicznej i wymiany ciepła. Przedstawiono zasady termodynamiki, metody obliczania procesów termodynamicznych z gazem doskonałym i rzeczywistymi płynami roboczymi, obiegi elektrowni, maszyn chłodniczych i pomp ciepła. Opisano procesy stacjonarnego i niestacjonarnego przewodnictwa cieplnego, konwekcyjnego i radiacyjnego przenoszenia ciepła. Podano podstawy obliczeń cieplnych wymienników ciepła. Zaprojektowany dla kawalerów w kierunku 551400 „Giema systemy transportowe" I8ВN 5-7422-0098-6 Państwowy Uniwersytet Techniczny w Petersburgu, 1999 Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L., 1999 2 SPIS TREŚCI Przedmowa........................... .................................................. ..... 1. TERMODYNAMIKA TECHNICZNA.................................... 1.1. Przedmiot i metoda termodynamiki technicznej............ 1.2. Podstawowe pojęcia termodynamiki........................... 1.2.1. Układ termodynamiczny i parametry termodynamiczne............................................ ............... 1.2.2. Równowaga termodynamiczna i równowagowy proces termodynamiczny............................................ ...... 1.2.3. Równanie termiczne stan : schorzenie. Powierzchnia termodynamiczna i diagramy stanu……………………………………………………………. 1.2.4. Mieszanki gazów doskonałych............................ 1.2.5. Energia, praca, ciepło........................... 1.2.6. Pojemność cieplna................................................ ....... 1.3. Pierwsza zasada termodynamiki............................ 1.3.1. Równanie pierwszej zasady............................ 1.3.2. Energia wewnętrzna jako funkcja stanu............................................ .................................. 1.3.3. Entalpia i jej właściwości .................................................. ...... 1.3.4. Równanie pierwszego prawa gazu doskonałego............................................ .................................................. ........... 1.4. Analiza procesów z gazem doskonałym............................ 1.4.1. Proces izobaryczny .................................................. ........... 1.4.2. Proces izochoryczny .................................................. ... 1.4 .3. Proces izotermiczny .................................................. ... 1.4.4. Proces adiabatyczny............................................ ... 1.4.5 . Procesy politropowe........................................... 1.4.6. Sprężanie gazu w sprężarce tłokowej........... 1.5. Druga zasada termodynamiki........................... 1.5.1. Procesy odwracalne i nieodwracalne............................ 1.5.2. Cykle i ich wydajność .................................................. ...... 1.5.3. Sformułowania drugiej zasady........................... 1.5.4. Cykl Carnota. Twierdzenie Carnota........................... 3 1.5.5. Entropia, jej zmiana w procesach odwracalnych i nieodwracalnych............................................ .................................. 1.5.6. Diagram stanu T – s. Zmiana entropii w procesach z gazem doskonałym............................................ ........................................... 1.5. 7. Termodynamiczna skala temperatur............ 1.6. Cykle tłokowych silników spalinowych............................................ .................................................. ........... 1.6.1. Cykl z izochorycznym dopływem ciepła (cykl Otto) 1.6.2. Cykl z izobarycznym dostarczaniem ciepła (cykl diesla) .................................. .................................................. .................. ............. 1.6.3. Porównanie sprawności cykli silnika spalinowego.................. 1.7. Cykle zespołów turbin gazowych............................ 1.7.1. Schemat i cykl z izobarycznym dostarczaniem ciepła. 1.7.2. Sprawność cieplna cyklu Braytona........... 1.7.3. Cykl regeneracyjny zespołu turbiny gazowej............................ 1.7.4. Efektywność cykli rzeczywistych........... 1.8. Termodynamika rzeczywistych płynów roboczych........... 1.8.1. Równania stanu gazów rzeczywistych.................... 1.8.2. Zmiana stanu skupienia substancji.... 1.8.3. Diagramy i tablice stanów.................... 1.9. Cykle elektrowni parowych............................ ........... 1.9.1. Cykl parowy Carnota........................................... 1.9.2. Cykl Rankine’a .................................................. ..... 1.10. Cykle maszyn chłodniczych i pomp ciepła 1.10.1.Odwrócony cykl Carnota............................ ............. 1.10 .2. Cykl maszyny chłodniczej ze sprężaniem pary z przegrzaniem pary i dławieniem............................ 1.10.3. Cykl pompy ciepła............................ 1.11. Wilgotne powietrze........................................... ........... 1.11.1 Podstawowe pojęcia i definicje... 1.11.2. wykres h–d wilgotnego powietrza............... 2. PRZENIKANIE CIEPŁA.............. ............... .................................. 4 2.1. Ogólne widoki o wymianie ciepła.................. 2.2. Przewodność cieplna................................................ ....... 2.2.1. Podstawowe pojęcia i definicje............ 2.2.2. Hipoteza Bio-Fouriera............................ 2.2.3 Równanie różniczkowe przewodności cieplnej. ……………………………………………………… 2.2.4. Warunki jednoznaczności.................................. 2.2.5 Modele ciał w zagadnieniach przewodzenia ciepła. .... 2.3. Stacjonarna przewodność cieplna............................ 2.3.1. Przewodność cieplna płyt i powłok............ 2.3.2. Przewodność cieplna powierzchni żebrowanych. 2.4. Nieustalona przewodność cieplna............................ 2.4.1. Przewodność cieplna ciał cienkich termicznie............ 2.4.2. Przewodność cieplna półzwiązanego ciała i pręta............................ ........................ 2.4.3. Ogrzewanie i chłodzenie płyty, cylindra i kuli. 2.4.4. Nagrzewanie i chłodzenie ciał o skończonych rozmiarach….. 2.4.5. Regularny reżim termiczny........................... 2.5. Przybliżone metody teorii przewodności cieplnej. 2.5.1. Analogia elektrotermiczna............................ 2.5.2. Metoda graficzna............................................ 2.5.3. Metoda różnic skończonych........................... 2.6. Podstawy fizyczne konwekcyjny transfer ciepła. 2.6.1. Podstawowe pojęcia i definicje............................ 2.6.2 Równania różniczkowe konwekcyjnego przenoszenia ciepła........... .................. ............... ............. 2.7. Podstawy teorii podobieństwa .................................................. ........... 2.7.1. Podobieństwo zjawisk fizycznych........................... 2.7.2. Twierdzenia o podobieństwie .................................................. ... 2.7.3 . Równania podobieństwa............................................ 2.7.4. Zasady modelowania .................................. 2.8. Konwekcyjne przekazywanie ciepła w ośrodku jednofazowym..... 2.8.1. Sposoby przepływu cieczy i gazów.................................. 5 2.8.2. Warstwa graniczna................................................ ... 2.8.3 Wymiana ciepła w warstwie laminarnej warstwa graniczna na płaskiej powierzchni............................................ ..... .. 2.8.4. Wymiana ciepła w turbulentnej warstwie przyściennej na płaskiej powierzchni............................ .................. ... 2.8.5. Wymiana ciepła podczas wymuszonej konwekcji w rurach i kanałach.................... 2.8.6 Ciepło transfer w odcinku o ustabilizowanym przepływie Integral Liona........................................... 2.8 .7. Wymiana ciepła podczas przepływu laminarnego w rurach………………………………………………….. 2.8.8. Wymiana ciepła o godz przepływ burzliwy w rurach... 2.8.9. Wymiana ciepła podczas przepływu wokół rur i wiązek rur............................................ .................................. 2.8.10. Wymiana ciepła podczas konwekcji swobodnej............ 2.8.11. Wymiana ciepła w mediach fluidalnych....... 2.9. Konwekcyjne przenoszenie ciepła podczas wrzenia i kondensacji............................ ........................ 2.9.1. Wymiana ciepła podczas wrzenia............................ 2.9.2. Wymiana ciepła podczas kondensacji............................ 2.9.3. Rury cieplne .................................................. ........... 2.10. Przenikanie ciepła przez promieniowanie .................................................. ..... 2.10.1. Fizyczne podstawy promieniowania................. 2.10.2. Obliczanie przenikania ciepła przez promieniowanie............ 2.10.3. Promieniowanie słoneczne............................ 2.10.4. Złożone przekazywanie ciepła.................................. 2.11. Wymienniki ciepła................................................ ........................ 2.11.1 Klasyfikacja i przeznaczenie........................... ...... 2.11.2. Podstawy obliczeń cieplnych........................... 2.11.3 Sprawność wymienników ciepła. Rzeczywiste współczynniki przenikania ciepła............................ 2.11.4. Obliczenia hydrauliczne wymienników ciepła... Literatura........................................... .................... 6 WSTĘP „Inżynieria termodynamiki i wymiany ciepła” to jeden z głównych przedmiotów prowadzonych na studiach licencjackich w dziedzinie „Systemy transportu naziemnego”. Jest bogata w informacje i skompresowana czasowo do 1-2 semestrów, dlatego większość podręczników podstawowych jest dla studentów mało pomocna: są zbyt szczegółowe, nie skupiają się na zakresie zadań związanych z systemami transportowymi, wreszcie , są po prostu przeznaczone do kursów o znacznie większej objętości. Dla inżynierów transportu najważniejsze jest zrozumienie przedmiotu i podstawowych pojęć termodynamiki i wymiany ciepła oraz opanowanie ustalonej terminologii tych nauk. Bezwzględnie należy pamiętać o 10-15 podstawowych wzorach (takich jak równanie stanu gazu doskonałego, wzór na obliczenie przenikania ciepła przez płytę wielowarstwową, prawo Stefana-Boltzmanna itp.). Resztę informacji, mimo swojej wagi, wystarczy zrozumieć, fizycznie przedstawić i powiązać z przykładami z różnych dziedzin życia i technologii. Dlatego też autorzy starali się zwrócić na nie szczególną uwagę strona fizyczna rozważane zjawiska oraz aparat matematyczny Opuścili godne, choć skromne miejsce. Autorzy wyrażają głęboką wdzięczność Recenzentom – Katedrze Ciepłowni i Elektrociepłowni Państwowego Uniwersytetu Transportu w Petersburgu w osobie dr hab. tech. nauka prof. I. G. Kiseleva i dr. technologia dr hab. V.I. Kryłow, a także dr Tech. nauka prof. B. S. Fokin – za cenne uwagi, które pozwoliły udoskonalić tekst oryginalny. Specjalne podziękowania dla dr. technologia Sciences G. G. Le Havre za ogromną pomoc w przygotowaniu manuskryptu; Wpadła na pomysł porównania N, ε – metody obliczania wymienników ciepła z tradycyjnym schematem obliczeń. No i oczywiście bardzo cenna okazała się pomoc pracowników działu w projektowaniu książki.” Podstawy teoretyczne Inżynieria cieplna” Państwowy Uniwersytet Techniczny w Petersburgu 7 E. O. Vvedenskaya, R. M. Grozny, absolwenci Yu. V. Burtseva i E. M. Rotinyan. S. Sapozhnikov E. Kitanin 8 1. TERMODYNAMIKA TECHNICZNA 1.1 PRZEDMIOT I METODA TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ Termodynamika - nauka o przemianach energii - jest podstawą pracy inżyniera energetyki. Początki termodynamiki zbiegają się z pojawieniem się pierwszych maszyn parowych. W 1824 roku francuski inżynier S. Carnot zbadał energetyczne oddziaływanie wody i pary z różnymi częściami silnika oraz z otoczeniem i dokonał pierwszej oceny sprawności maszyny parowej. Od tego czasu przedmiotem badań termodynamiki są procesy w maszynach energetycznych, przemiany agregatowe substancji, procesy fizykochemiczne, plazmowe i inne. Badania te opierają się na metodzie termodynamicznej: przedmiotem badań może być dowolne ciało wchodzące w skład tzw. układu termodynamicznego. System ten musi być: wystarczająco rozbudowany i złożony, aby były w nim przestrzegane prawa statystyczne (ruch cząsteczek substancji w określonej objętości, ogrzewanie i chłodzenie cząstek materiału stałego w zasypce itp.); zamknięte, tj. mają granice we wszystkich kierunkach przestrzennych i składają się z skończoną liczbą cząsteczki. Nie ma innych ograniczeń dla układu termodynamicznego. Obiekty świat materialny, niewchodzące w skład układu termodynamicznego, nazywane są środowiskiem. Wracając do prac S. Carnota zauważamy, że woda i uzyskana z niej para wodna stanowią układ termodynamiczny. Śledząc oddziaływanie energetyczne wody i pary z otaczającymi ciałami, można ocenić efektywność zamiany ciepła dostarczonego do maszyny na pracę. Jednak nowoczesne maszyny energetyczne nie zawsze wykorzystują wodę do konwersji energii. Zgódźmy się nazwać płynem roboczym dowolne medium służące do przetwarzania energii. 9 Przedmiotem termodynamiki technicznej są więc prawa przemiany energii w procesach oddziaływania ciał roboczych z elementami maszyn energetycznych i otoczeniem, analiza doskonałości maszyn energetycznych, a także badanie właściwości ciał roboczych ciała i ich zmiany w procesach interakcji. w odróżnieniu fizyka statystyczna, który bada model fizyczny układu z wyraźnymi wzorami interakcji mikrocząstek, termodynamika nie jest w swoich wnioskach powiązana z jakąkolwiek strukturą ciała i pewnymi formami komunikacji pomiędzy elementami tej struktury. Termodynamika posługuje się prawami o charakterze uniwersalnym, czyli obowiązującymi dla wszystkich ciał, niezależnie od ich budowy. Prawa te stanowią podstawę wszelkiego rozumowania termodynamicznego i nazywane są zasadami termodynamiki. Pierwsza zasada wyraża prawo zachowania energii – uniwersalne prawo natury. Wyznacza bilans energetyczny podczas oddziaływań w obrębie układu termodynamicznego, a także pomiędzy układem termodynamicznym a otoczeniem. Druga zasada wyznacza kierunek przemian energetycznych i znacznie rozszerza możliwości metody termodynamicznej. Obie zasady mają charakter eksperymentalny i mają zastosowanie do wszystkich układów termodynamicznych. W oparciu o te dwie zasady, przedstawione w formie matematycznej, można wyrazić parametry wymiany energii podczas różne interakcje, ustalić powiązania między właściwościami substancji itp. Jednak w celu doprowadzenia wyników do konkretne liczby, same „wewnętrzne zasoby” termodynamiki nie wystarczą. Konieczne jest wykorzystanie wyników eksperymentalnych lub teoretycznych, które uwzględniają charakter płynu roboczego w rzeczywistym układzie termodynamicznym. Jeśli na przykład skorzystamy z danych eksperymentalnych dotyczących gęstości substancji, to za pomocą analizy termodynamicznej możemy obliczyć jej pojemność cieplną itp. 10 Zatem badania termodynamiczne opierają się na podstawowych prawach natury. Jednocześnie obliczenia inżynierskie w termodynamice nie są możliwe bez wykorzystania danych eksperymentalnych lub wyników badań teoretycznych właściwości fizyczne praca tel. 1.2. PODSTAWOWE POJĘCIA TERMODYNAMIKI 1.2.1. Układ termodynamiczny i parametry termodynamiczne Układem termodynamicznym nazywamy dowolne ciało lub układ ciał oddziałujących ze sobą i (lub) z otoczeniem (do układu takiego można w szczególności zaliczyć ciała robocze maszyn energetycznych). Definicja nie precyzuje, co dokładnie uważa się za układ termodynamiczny, a co za środowisko. Można na przykład uznać sam płyn roboczy za układ termodynamiczny, a „wszystko inne” za środowisko; Można wybrać tylko część bryły, a pozostałą część i wszystkie inne bryły uznać za środowisko. Przeciwnie, można rozszerzyć układ termodynamiczny - włączyć do niego, oprócz pierwszego ciała, kilka innych, a wszystkie pozostałe ciała uznać za środowisko. Takie rozszerzenie lub zwężenie kręgu obiektów tworzących układ termodynamiczny pozwala się tego dowiedzieć Ważne cechy ciała robocze i interakcje energetyczne pomiędzy nimi. Wiadomo, że ta sama substancja może występować w stanie ciekłym, gazowym lub stałym. W tym przypadku oczywiście właściwości tej substancji, tego układu termodynamicznego, będą różne, na przykład gęstość, współczynnik rozszerzalności objętościowej, przenikalność magnetyczna, prędkość dźwięku itp. Wszystko to, a także inne wielkości charakteryzujące stan układu termodynamicznego nazywane są parametrami termodynamicznymi stanem. Jest ich wiele; tradycyjnie wyróżnione
MINISTERSTWO EDUKACJI I NAUKI FEDERACJI ROSYJSKIEJ
autonomiczny stan federalny instytucja edukacyjna wyższe wykształcenie zawodowe
„Północna (Arktyka) uniwersytet federalny nazwany na cześć M.V. Łomonosow”
Instytut Nafty i Gazu | |
Katedra Inżynierii Cieplnej | |
131000.62 „Działalność naftowa i gazowa” | |
(kod i nazwa obszaru szkolenia/specjalności) | |
przez dyscyplinę „Termodynamika i wymiana ciepła” | |
Wykład 1. Przedmiot i metoda termodynamiki........................................... .................................. | |
Układ termodynamiczny .................................................. .................................... | |
Termodynamiczne parametry stanu............................................ ........................ ...... | |
Równanie stanu .................................................. .................................................... | |
Proces termodynamiczny .................................................. .................................... | |
Pojemność cieplna gazów .................................................. ...................................................... | |
Wykład 2. Mieszanki gazów doskonałych........................................... .................................................. | |
Analityczne wyrażenie pierwszej zasady termodynamiki............................ | |
Energia wewnętrzna................................................ .................................. | |
Operacja rozbudowy .................................................. .................................... | |
Ciepło................................................. .................................................. ...... ............. | |
Entalpia................................................. .................................................. ................... | |
Entropia................................................. .................................................. ................... | |
Wykład 3. Ogólne sformułowanie drugiego prawa............................................ ............... | |
Bezpośredni cykl Carnota .................................................. ........................................... ....... | |
Odwrócony cykl Carnota .................................................. .................. .................................. ............. | |
Zmiana entropii w procesach nierównowagowych............................................ ....... | |
Wykład 4. Procesy termodynamiczne gazów doskonałych w układach zamkniętych....... | |
Wykład 5. Procesy termodynamiczne gazów rzeczywistych............................................ ........... ...... | |
Równanie stanu gazów rzeczywistych............................................ ............. ............. | |
Wykład 6. Równanie pierwszej zasady termodynamiki dla przepływu............................ | |
Wypływ z dyszy zbieżnej............................................ ....... ............... | |
Podstawowe wzorce przepływu gazów w dyszach i dyfuzorach............................ |
Obliczanie procesu odpływu za pomocą używając h-s diagramy............................ | |
Dławienie gazów i par............................................ .............. ............... | |
Wykład 7. Sprawność termodynamiczna obiegów elektrowni cieplnych....... | |
Cykle tłokowych silników spalinowych............................................ ........... | |
Cykle turbin gazowych............................................ ....... .............. | |
Cykle turbin parowych............................................ .................. ............... | |
Cykl Rankine’a na parze przegrzanej........................................... ....... .............. | |
Sprawność cieplna obiegu............................................ ............................... | |
Ogrzewanie................................................. ........................................... .............. .... | |
Ogólna charakterystyka agregatów chłodniczych…………………………….. | |
Wykład 8. Podstawy teorii wymiany ciepła........................................... .................................. | |
Podstawowe pojęcia i definicje………………………………………………………. | |
Teoria przewodności cieplnej. Prawo Fouriera .................................................. .......... | |
Płaska ściana | |
Ściana cylindryczna .................................................. .................................... | |
Wykład 9. Przenikanie ciepła........................................... ....... .................................. ............. .... | |
Płaska ściana .................................................. .................................................... ........... .. | |
Ściana cylindryczna .................................................. .................................... | |
Intensyfikacja wymiany ciepła .................................................. ............... .............. | |
Izolacja cieplna................................................ .................................................... ........... | |
Wykład 10. Konwekcyjne przekazywanie ciepła. Podstawowe prawo konwekcyjnego przenoszenia ciepła. | |
Warstwa graniczna................................................ ........................................... .............. | |
Liczby podobieństwa .................................................. .................................................... ........... ... | |
Wykład 11. Szczególne przypadki konwekcyjnego przenoszenia ciepła. Przepływ krzyżowy | |
pojedyncza rura i wiązka rur........................................... ............................... | |
Przepływ chłodziwa w rurach........................................... ....... .............. | |
Wymiana ciepła podczas konwekcji naturalnej............................................ .................. | |
Przybliżone wartości współczynników przenikania ciepła............................ | |
Wykład 12. Opis procesu radiacyjnego. Podstawowe definicje .................................................. | |
Wymiana ciepła przez promieniowanie układu ciał w ośrodku przezroczystym............................ . | |
Przenoszenie energii promieniowania w ośrodkach absorbujących i promieniujących............................ | |
Wykład 13. Wymienniki ciepła........................................... ....... .................................. | |
Rodzaje wymienników ciepła .................................................. ............. ............... | |
Podstawy obliczeń cieplnych wymienników ciepła........................................... ....... |
Temat: metoda termodynamiki
Termodynamika bada prawa przemian energii w różnych procesach.
procesy zachodzące w układach makroskopowych i towarzyszą im procesy termiczne
moje efekty. Układ makroskopowy to dowolna objętość materiału
itp. składający się z duża liczba cząsteczki. Rozmiary systemów makroskopowych są niespójne
wymierny więcej rozmiarów cząsteczki i atomy.
W zależności od celów badań technicznych lub chemicznych
termodynamika ska, termodynamika systemy biologiczne itp. Termodynamika technicznabada wzorce wzajemnych przemian energii cieplnej i mechanicznej oraz właściwości ciał uczestniczących w tych przemianach. Razem z teorią wymiany ciepła stanowi teoretyczną podstawę inżynierii cieplnej. Na jego podstawie wykonywane są obliczenia i projekty wszystkich silników cieplnych, a także wszelkiego rodzaju urządzeń technologicznych.
Rozważając tylko układy makroskopowe, termodynamika bada
regularności termicznej formy ruchu materii, spowodowanej obecnością ogromnej masy
duża liczba stale poruszających się i oddziałujących na siebie mikro-
cząstki strukturalne (cząsteczki, atomy, jony).
Właściwości fizyczne układów makroskopowych bada się statystycznymi metodami termodynamicznymi. Metoda statystyczna opiera się na wykorzystaniu teorii
prawdopodobieństw i niektórych modeli struktury tych układów oraz reprezentuje
przyciąganie modelowych idei dotyczących budowy materii i jest feno-
logiczne (tj. rozważa „zjawiska” – zjawiska jako całość).
Co więcej, wszystkie główne wnioski z termodynamiki można osiągnąć, stosując tylko dwa podstawowe empiryczne prawa termodynamiki.
Poniżej, w oparciu o metodę termodynamiczną, dla przejrzystości będziemy
umiejętność wykorzystania idei kinetyki molekularnej na temat struktury materii.
Układ termodynamiczny
Układ termodynamiczny to zbiór ciał materialnych, które pozostają w oddziaływaniach mechanicznych i termicznych ze sobą oraz z ciałami zewnętrznymi otaczającymi układ(« otoczenie zewnętrzne»).
Wybór systemu jest arbitralny i podyktowany warunkami rozwiązywanego problemu. Organy nie objęte systemem nazywane są środowisko. System jest oddzielony od otoczenia
surowe środowisko powierzchnia kontrolna(powłoka). A więc na przykład dla najprostszy system- gaz zamknięty w cylindrze pod tłokiem, środowisko zewnętrzne
powietrze jest otaczającym powietrzem, a powierzchniami sterowymi są ściany miasta
linder i tłok.
Oddziaływania mechaniczne i termiczne układu termodynamicznego
są pokazane przez powierzchnie sterujące. Podczas interakcji mechanicznej praca jest wykonywana przez sam układ lub na systemie. (W przypadek ogólny Na układ mogą oddziaływać także siły elektryczne, magnetyczne i inne, pod wpływem których układ będzie wykonywał pracę. Tego typu prace można również uwzględnić w ramach termodynamiki, ale nie będziemy się nimi dalej zajmować). W naszym przykładzie praca mechaniczna jest wykonywana poprzez przesuwanie tłoka i towarzyszenie
wynika ze zmiany objętości. Oddziaływanie termiczne polega na przejściu ciepła
znajdujesz się pomiędzy poszczególnymi ciałami systemu oraz pomiędzy systemem a otoczeniem. W
W rozważanym przykładzie ciepło może być dostarczane do gazu przez ścianki butli.
W najbardziej ogólnym przypadku system może wymieniać się z otoczeniem i materią
(interakcja przenoszenia masy). Taki system nazywa się otwartym. Przepływy gazu lub pary w turbinach i rurociągach – przykłady systemy otwarte. Jeśli
Ponieważ system nie przechodzi przez granice systemu, nazywa się go zamkniętym. W dłuższej perspektywie
O ile nie określono inaczej, rozważymy systemy zamknięte
Układ termodynamiczny, który nie może wymieniać ciepła z otoczeniem
środowisko naturalne nazywa się izolowane termicznie lub adiabatyczny. Notatka
Rum układu adiabatycznego to gaz znajdujący się w naczyniu, którego ściany są pokryte
stanowią idealną izolację termiczną, eliminując wymianę ciepła pomiędzy obudowami
naczynie z gazem i otaczającymi je ciałami. Taka powłoka izolacyjna nazywana jest adiabatyczną. System, który nie wymienia energii ani wibracji ze środowiskiem zewnętrznym
społeczeństwo nazywa się izolowanym (lub zamkniętym).
Najprostszym układem termodynamicznym jest płyn roboczy,
reprezentujące wzajemną przemianę ciepła i pracy. Na przykład w silniku spalinowym płynem roboczym jest gaz przygotowany w gaźniku.
płonąca mieszanina składająca się z oparów powietrza i benzyny.
Parametry termodynamiczne stanu
Właściwości każdego układu charakteryzują się szeregiem wielkości, które zwykle nazywane są parametrami termodynamicznymi. Rozważmy niektóre z nich, korzystając z koncepcji kinetyki molekularnej gaz doskonały jako zbiór cząsteczek, które zniknęły
niezwykle małych rozmiarów, znajdują się w przypadkowym ruchu termicznym i wchodzą w interakcje
oddziałują na siebie tylko podczas kolizji.
Ciśnienie powstaje w wyniku oddziaływania cząsteczek płynu roboczego z
powierzchni i jest liczbowo równa sile działającej na jednostkę powierzchni ciała wzdłuż normalnej do tej ostatniej. Zgodnie z teorią kinetyki molekularnej ciśnienie gazu określa zależność
gdzie n jest liczbą cząsteczek na jednostkę objętości;
t – masa cząsteczkowa, s 2 – średnia prędkość kwadratowa ruch do przodu Cząsteczki.
W System międzynarodowy jednostki (SI) ciśnienie wyrażane jest w paskalach
(1Pa=1 N/m2). Ponieważ to urządzenie jest małe, wygodniej jest używać 1 kPa = 1000 Pa i
1 MPa = 106 Pa.
Ciśnienie mierzy się za pomocą manometrów, barometrów i wakuometrów.
Manometry cieczowe i sprężynowe mierzą nadciśnienie, wstępnie
która jest różnicą pomiędzy zmierzonym ciśnieniem całkowitym lub bezwzględnym p
środowisko i ciśnienie atmosferyczne p atm, tj. p ex p atm p
Przyrządy do pomiaru ciśnienia poniżej atmosferycznego nazywane są próżnią
metry; ich odczyty podają wartość próżni (lub próżni):
r w r atm r, tj. nadmiar ciśnienie atmosferyczne ponad absolutem.
Należy zaznaczyć, że parametrem stanu jest ciśnienie bezwzględne.
To właśnie jest zawarte w równaniach termodynamicznych.
Temperatura nazywa się wielkość fizyczna, charakteryzujący ste-
kikut cieplny ciała. Pojęcie temperatury wynika z następującego stwierdzenia:
jeśli dwa układy są w kontakcie termicznym, to jeśli ich temperatury są nierówne,
będą wymieniać między sobą ciepło, jeśli ich temperatury będą równe
nas, wtedy nie będzie wymiany ciepła.
Z punktu widzenia koncepcji kinetyki molekularnej temperatura jest miarą intensywności ruch termiczny Cząsteczki. Jej wartość numeryczna związany z
gdzie k - Stała Boltzmanna, równe 1,380662 10ˉ23 J/K. Temperatura T,
tak zdefiniowany nazywa się absolutnym.
Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin (K); w praktyce szeroko
stosuje się stopnie Celsjusza (°C). Związek pomiędzy absolutnym T i stog-
Dusnoy t temperatury ma postać
Tt 273,15.
W W warunkach przemysłowych i laboratoryjnych temperaturę mierzy się za pomocą termometrów cieczowych, pirometrów, termopar i innych przyrządów.
Objętość właściwa v to objętość jednostkowej masy substancji. Jeśli jeden
natywne ciało o masie M zajmuje objętość v, to z definicji
v= V/M.
W układzie SI jednostką objętości właściwej jest 1 m3/kg. Istnieje oczywisty związek pomiędzy objętością właściwą substancji a jej gęstością:
Aby porównać wielkości charakteryzujące układy w identycznych stanach,
wprowadzono pojęcie „normalności”. warunki fizyczne": p = 760 mm Hg = 101,325 kPa; T = 273,15 K.
W różnych gałęziach technologii i różne kraje przedstawić własne, nieco inne
z danego” normalne warunki”, na przykład „techniczny” (p = 735,6 mm
Hg = 98 kPa, t =15˚C) lub normalne warunki oceny wydajności sprężarki (p =101,325 kPa, t =20˚C) itp.
Jeżeli wszystkie parametry termodynamiczne są stałe w czasie i takie same we wszystkich punktach układu, wówczas taki stan układu nazywa się równowagą.
Jeśli pomiędzy różne punkty w systemie występują różnice temperatur
trasa, ciśnienie i inne parametry, to nie jest to równowaga . W takim układzie pod wpływem gradientów parametrów powstają przepływy ciepła, substancji i innych, dążących do przywrócenia go do stanu równowagi. Doświadczenie to pokazuje
Izolowany system zawsze z czasem osiąga stan równowagi i nigdy nie może samoistnie go opuścić. W termodynamice klasycznej rozważane są tylko układy równowagi.
Równanie stanu
W przypadku równowagowego układu termodynamicznego istnieje funkcjonalna zależność między parametrami stanu, która nazywa się równaniem
na stojąco Doświadczenie pokazuje, że określona objętość, temperatura i ciśnienie
łączone są najprostsze układy, którymi są gazy, pary lub ciecze równanie termiczne stany postaci f (p,v,T) 0.
Równanie stanu można zapisać w innej postaci: p f 1 (v,T);v f 2 (p,T);
T f 3 (p, v);
Równania te pokazują, że z trzech głównych parametrów określających stan układu dowolne dwa są niezależne.
Aby rozwiązywać problemy metodami termodynamicznymi, bezwzględnie konieczna jest znajomość równania stanu. Nie można go jednak uzyskać w ramach termodynamiki i należy go znaleźć eksperymentalnie lub metodami fizyki statystycznej.
ki. Konkretna forma równania stanu zależy od indywidualne właściwości rzecz-
Równanie stanu gazów doskonałych
Z równań (1.1) i (1.2) wynika, że p nkT .
Weź pod uwagę 1 kg gazu. Biorąc pod uwagę, że zawiera cząsteczki N, a co za tym idzie,
Stała wartość Nk na 1 kg gazu jest oznaczona literą R i
oni dzwonią stała gazowa. Dlatego
Wynikową zależnością jest równanie Clapeyrona.
Mnożąc (3) przez M, otrzymujemy równanie stanu dla dowolnej masy gazu
pV MRT. |
Równanie Clapeyrona można nadać uniwersalną postać, jeśli uwzględnimy
stała dla 1 kmol gazu, czyli dla ilości gazu, którego masa jest wyrażona w kilo-
gramy są liczbowo równe waga molekularnaμ. Wstawiając M= μ i V=V μ do (1.4) otrzymujemy
Równanie Clapeyrona-Mendelejewa dla jednego mola wygląda następująco:
pVRT.
Tutaj V jest objętością kilomola gazu, a R jest uniwersalną stałą gazową.
Zgodnie z prawem Avogadra (1811) objętość 1 kmol jest taka sama w jednym
i takie same warunki dla wszystkich gazów doskonałych, w normalnych warunkach fizycznych
viah wynosi zatem 22,4136 m3
Stała gazowa 1 kg gazu wynosi | ||||||||
Proces termodynamiczny
Nazywa się zmianę stanu układu termodynamicznego w czasie
proces termodynamiczny. Tak więc, gdy tłok porusza się w cylindrze, zmienia się objętość, a wraz z nią ciśnienie i temperatura gazu w środku, zmienią się,
nastąpi proces rozprężania lub sprężania gazu.
Jak już wspomniano, układ wytrącony z równowagi i wstępnie
dostarczane do siebie przy stałych parametrach środowiskowych, poprzez nie-
który raz powróci do stanu równowagi odpowiadającego tym para-
metrów. Taki spontaniczny (bez wpływ zewnętrzny) przywrócić układ do stanu równowagi
nazywa się relaksacją i okresem czasu, w którym system
ma powraca do stanu równowagi, tzw czas relaksu.
Inaczej jest w przypadku różnych procesów: jeśli zawsze konieczne jest ustalenie ciśnienia równowagi w gazie, to w celu wyrównania temperatury w objętości tego samego gazu konieczne jest
jest nas dziesięciu; minut, a w objętości ogrzanej substancji stałej - czasami kilka godzin.
Proces termodynamiczny nazywa się równowagą, jeśli wszystkie para-
Liczniki systemu w trakcie jego przebiegu zmieniają się dość wolno w porównaniu z odpowiadającym im procesem relaksacji. W tym przypadku układ właściwie cały czas znajduje się w stanie równowagi z otoczeniem, co determinuje nazwę procesu.
Aby proces był w równowadze, szybkość zmian parametrów układu dA d musi spełniać zależność
dA d c reL A reL
gdzie A jest parametrem, który zmienia się najszybciej w rozpatrywanym procesie
ces; с rel - szybkość zmiany tego parametru w procesie relaksacji, τ rel -
czas relaksu.
Rozważmy na przykład proces sprężania gazu w butli. Jeżeli czas przemieszczenia tłoka z jednego położenia do drugiego znacznie przekracza czas relaksacji,
wówczas w trakcie przesuwania tłoka ciśnienie i temperatura będą miały czas na wyrównanie
całą objętość cylindra.
To wyrównanie jest zapewnione przez ciągłe zderzanie się cząsteczek, m.in
w rezultacie energia dostarczana z tłoka do gazu jest dość szybka i równa
rozdzielone liczbowo pomiędzy nimi. Jeżeli kolejne przemieszczenia tłoka będą przebiegać w podobny sposób, to stan układu w każdym momencie będzie praktycznie równowagowy. Zatem, proces równowagi składa się z seria ciągła kolejne stany równowagi, dlatego w każdym punkcie stan układu termodynamicznego można opisać równaniem stanu danego płynu roboczego. Dlatego klasyczna termodynamika w swoich badaniach operuje wyłącznie procesami równowagowymi. Są wygodnymi idealizacjami prawdziwe procesy, co w wielu przypadkach pozwala znacznie uprościć rozwiązanie problemu. Idealizacja ta jest całkiem uzasadniona, ponieważ warunek
(1.8) jest spełniony w praktyce dość często. Od zakłóceń mechanicznych
drgania rozchodzą się w gazach z prędkością dźwięku, proces sprężania gazu oraz
re będzie w równowadze, jeśli prędkość ruchu tłoka będzie znacznie mniejsza niż prędkość dźwięku.
Procesy niespełniające warunku dAd rel D A rel , postępuj z niezrównoważeniem, tj. są nierównowagowe . Jeśli np. temperatura otoczenia szybko wzrośnie, wówczas gaz w butli będzie się stopniowo ulatniał.
rozgrzej się przez jego ściany, odprężając się do stanu równowagi odpowiadającego nowym parametrom środowiskowym. Podczas procesu relaksacji gaz nie znajduje się w równowadze z otoczeniem i nie można go scharakteryzować równaniem stanu
przynajmniej dlatego, że w różne punkty Objętość temperatury gazu ma różne wartości.