Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії icon

Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії




Скачати 172.84 Kb.
НазваЧастина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії
Дата25.06.2012
Розмір172.84 Kb.
ТипДокументи

ЧАСТИНА ІІ. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПЕРЕТВОРЕННЯ І ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ




Розділ 3.

Технічна термодинаміка –

теоретична основа

енергетичних установок




Основні поняття і визначення

Рівняння стану ідеального газу

Теплоємність

Контрольні запитання





3.1.Основні поняття і визначення

Термодинаміка –наука, що вивчає енергію та закони її перетворення з одних видів в інші. Розділяється на загальну, хімічну й технічну. Загальна (фізична) термодинаміка дає поняття про загальні теоретичні основи й закономірності перетворення енергії. Хімічна термодинаміка вивчає теплові ефекти хімічних реакцій і процесів.

Технічна термодинаміка, основа інженерної теплотехніки, – розділ термодинаміки, що займається застосуванням законів термодинаміки в теплотехніці. Головне її завдання – обґрунтування теорії теплових двигунів, енергетичних установок та теплотехнічного обладнання.

У термодинаміці використовується феноменологічний метод дослідження, при якому не вводяться ніякі припущення щодо молекулярної будови досліджуваних тіл. Тобто, вона виходить із загальних законів, що отримані експериментально.

Технічна термодинаміка ґрунтується на трьох основних законах (основах): першому, що являє собою застосування до теплових систем закону перетворення та збереження енергії, другому, який характеризує напрямок протікаючих у природі процесів та явищ, і третьому, стверджуючому, що абсолютний нуль температури недосяжний.

Отже, даній науці властивий високий рівень абстракції термодинамічної моделі об'єкта дослідження. Це робить термодинаміку і її методи придатними для вирішення багатьох практичних задач в різних галузях науки і техніки, але не дозволяє пояснити причини, природу явищ, що відбуваються. Термодинаміка як інструмент пізнання закономірностей матеріального світу одержала

загальне визнання і довела велику користь від її використання.

Вся минула і сучасна її історія підтверджує слова великого фізика Альберта Ейнштейна: «Теорія справляє тим більше враження, чим простіші її передумови і обширніша область застосування. Термодинаміка – єдина фізична теорія універсального змісту, яка в межах прийнятих нею основних понять ніколи не буде спростована».

Тепловий рух – безладний (хаотичний) рух мікрочастинок (молекул, атомів та ін.), з яких складаються всі тіла.

Передача енергії в результаті обміну хаотичним, ненаправленим рухом мікрочастинок називається теплообміном, а кількість переданої при цьому енергії – кількістю теплоти, теплотою процесу або просто теплотою.

Вивчаючи поведінку речовин (об'єктів), що беруть участь у процесах з обміном енергією, термодинаміка виділяє їх із сукупності навколишніх тіл. Звідси випливає таке важливе поняття як термодинамічна система.

Термодинамічною системою називається сукупність макроскопічних тіл, що обмінюються енергією між собою і навколишнім середовищем (всіма іншими тілами, які не ввійшли в термодинамічну систему). Вона має межі, що відокремлюють її від навколишнього середовища, і можуть бути як реальними (газ у резервуарі, межа розділу фаз), так і чисто умовними у вигляді контрольної поверхні.

Термодинамічна система, між будь-якими частинами якої відсутні поверхні розділу, називається гомогенною. Якщо ж вона складається з окремих частин, розмежованих поверхнями розділу, – гетерогенною, однорідна частина якої називається фазою.

Термодинамічна система може енергетично взаємодіяти з навколишнім середовищем і з іншими системами, а також обмінюватися з ними речовиною.

Залежно від умов взаємодії з іншими системами розрізняють: відкриту систему – при наявності обміну енергією та речовиною з іншими; закриту – при відсутності обміну речовиною з іншими системами; адіабатну – при відсутності обміну теплотою з іншими системами; ізольовану – при відсутності обміну енергією й речовиною з іншими системами.

Розрізняють рівноважний і нерівноважний стани термодинамічної системи. Рівноважним термодинамічним станом називають стан тіла чи системи, що не змінюється в часі без зовнішнього енергетичного впливу. При цьому зникають усякі макроскопічні зміни (дифузія, теплообмін, хімічні реакції), хоча тепловий (мікроскопічний) рух молекул не припиняється. Стан термодинамічної системи, при якому у всіх її частинах температура однакова, називають ізотермічним рівноважним станом.

Ізольована термодинамічна система незалежно від свого початкового стану із часом завжди приходить у стан рівноваги, з якого ніколи не може вийти самовільно.

Стан термодинамічної системи, при якому значення параметрів у всіх її частинах лишаються незмінними в часі (через зовнішній вплив потоку речовини, енергії, імпульсу і т.д.), називається стаціонарним. Якщо значення параметрів змінюються в часі, то стан термодинамічної системи називається нестаціонарним.

Параметри стану – фізичні величини, що однозначно характеризують стан термодинамічної системи і не залежні від її передісторії.

Основні термодинамічні параметри стану системи, що характеризують макроскопічний стан тіл: тиск, температура і питомий об'єм (, , ).

Тиск – фізична величина, чисельно рівна нормальній складовій сили, що діє на одиницю площі поверхні тіла. Тиск може вимірюватися висотою стовпа рідини (у мм ртутного, водяного та ін.), що врівноважує тиск розглянутого середовища. При цьому або , де –густина рідини, – прискорення вільного падіння.

Для вимірювання тиску застосовують барометри, манометри і вакуумметри. Відповідно розрізняють атмосферний або барометричний тиск, абсолютний тиск, манометричний або надлишковий, розрідження або вакуум.

– барометричний тиск (атмосферний, заміряний барометром);

: – абсолютний тиск з урахуванням надлишкового (манометричного) тиску;

: – абсолютний тиск у випадку розрідження (вакууму).

У термодинаміці параметром стану тіла є тільки абсолютний тиск, відлічений від нуля (абсолютного вакууму), що характеризує стан термодинамічної системи.

Атмосферний тиск – величина змінна, тому в техніці застосовується нормальний атмосферний тиск,  МПа (760 мм рт. ст.).

Тиск вимірюють в Паскалях: 1 Па рівний тиску 1 Н (сили, що надає тілу масою 1 кг прискорення 1 м/с2 у напрямку дії сили) на площі 1 м2, тобто 1 Па = 1 Н/м2. Позасистемними одиницями тиску є атмосфера (1 ат = 1 кгс/см2) і бар (1 бар = 10Н/м2 = = 1,01972 кгс/см2 = 750,06 мм рт. ст. = 10197 мм вод. ст.; 1 ат = = 1 кг/см= 735,6 мм рт. ст. = 10000 мм вод. ст. = 98066 Н/м2, див. також табл. 3.1.


^ Таблиця 3.1 - Співвідношення між одиницями тиску


Одиниця

Па

бар

мм вод. ст.

кгс/см2

Паскаль

1

10-5

0,102

1,02.10-5

Бар

105

1

1,02.104

1,02

Міліметри ртутного стовпа

133,332

1,333.10-3

13,6

1,36.10-3

Міліметри водяного стовпа

9,8067

9,8067.10-5

1

10-4

Кілограм-сила на квадратний сантиметр

9,8067104

0,98067

104

1


Молекулярно-кінетична теорія газу дозволяє встановити зв'язок між тиском і кінетичною енергією теплового руху молекул газу, пари або рідини. Тиск являє собою, відповідно до цієї теорії, статистично усереднену величину імпульсу, що переноситься в результаті хаотичного (теплового) руху молекул в одиницю часу через одиницю площі поверхні, яка обмежує об'єм системи

, (3.1)

де – число молекул в 1 м3; – маса молекули, кг; – середньоквадратична швидкість молекул, м/с; – число Авогадро; – молекулярний об'єм речовини газу, м3/кмоль; вираз визначає середню кінетичну енергію поступального руху однієї молекули.

Молекулярно-кінетична теорія газів встановлює пряму пропорційність між середньою кінетичною енергією поступального руху молекул і абсолютною температурою:

, (3.2)

де – маса молекули, кг; – абсолютна температура, – постійна Больцмана, рівна 1,380610-23 Дж/К.

Отже, абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекули і відноситься до всієї сукупності молекул, що рухаються з різними швидкостями.

З виразів (3.1), (3.2) випливає рівняння

, (3.3)

яке називають основним рівнянням кінетичної теорії газів. З рівняння (3.3) виходить: тиск тим більше, чим вище абсолютна температура і чим більше молекул в одиниці об'єму; тиск має не тільки механічний, але і статистичний зміст, тому що він зв'язаний з температурою.

Температура. Абсолютна температура робочого тіла – міра інтенсивності теплового руху молекул (завжди позитивна, її нульове значення відповідає стану повного спокою молекул, точці початку відліку температури (нулю) термодинамічної шкали Кельвіна). У техніці прийнята шкала Цельсія (нуль якої C відповідає температурі танення льоду при нормальному тиску, тобто при  К).

Температура характеризує величину нагрівання тіла і визначає напрямок передачі теплоти. Якщо два тіла А і В мають відповідно температуру , то теплота переходить від тіла А до тіла В. При цьому температура тіла А зменшується, а температура тіла В збільшується. Якщо , то тіла А и В перебувають у тепловій рівновазі, тому самовільного переходу теплового потоку між ними не буде.

Числове значення термодинамічної абсолютної температури можна визначити з рівняння (3.2) у вигляді:

. (3.4)

Таким чином, у термодинаміці температура розглядається як середньостатистична величина, що характеризує систему, яка складається з величезного (але кінечного) числа молекул, які знаходяться у хаотичному (тепловому) русі. Тому до одиничних молекул поняття температури застосувати не можливо.

Однак практично неможливо безпосередньо виміряти кінетичну енергію молекул газу. Тому температура вимірюється опосередковано за допомогою різних термометричних пристроїв (термометрів). У їхню основу покладене явище залежності від температури якої-небудь властивості речовини (теплового розширення, електричного опору, контактної ЕРС, теплового випромінювання та ін.), за величиною зміни якої судять про зміну температури.

Питомий об'єм робочого тіла (речовини) – це об'єм, який займає одиниця маси даної речовини, м3/кг

,

де – об'єм тіла, – його маса.

Величина, зворотна питомому об'єму, що визначає кількість речовини в одиниці об'єму, – густина робочого тіла – , кг/м3, і

Питомий об'єм і густина також є статистичними усередненими величинами, тому що характеризують розподіл маси речовини по об'єму системи внаслідок хаотичного (теплового) руху молекул газу.

Одиниця густини в СІ – кг/м3, СГС – г/см3. Густина і питомий об'єм залежать від температури та тиску, тобто від термодинамічного стану речовини. Звичайно в довідковій літературі наводяться їхні значення при нормальних фізичних умовах  кПа (760 мм рт. ст.) і  C.

Отже, властивості руху системи, пов'язані з її станом, називають параметрами стану.

Будь-яка зміна параметрів стану є причиною (умовою) виникнення (наявності) термодинамічних процесів.

Термодинамічний процес – послідовна зміна стану тіла, що відбувається в результаті енергетичної взаємодії робочого тіла з навколишнім середовищем, яка характеризується обов'язковою зміною хоча б одного параметра стану. Розрізняють рівноважний процес, якщо в системі в кожен момент часу встигає установитися рівноважний стан (тобто процес, який протікає вкрай повільно), і процес нерівноважний, якщо він протікає з кінцевою швидкістю і викликає появу кінцевих різниць тисків, температур, густини і т.д.

Основні параметри стану системи, що перебуває в термодинамічній рівновазі, зв'язані між собою, причому число незалежних параметрів стану системи завжди дорівнює числу її термодинамічних ступенів свободи:

, , . (3.5)

Таким чином, рівноважний стан термодинамічної системи повністю визначається значеннями двох незалежних змінних. У цьому випадку термодинамічна система називається простою системою або простим тілом. До простих тіл відносяться гази, пари, рідини і багато твердих тіл, що знаходяться у термодинамічній рівновазі.

В загальному випадку термодинамічні параметри поділяються на інтенсивні й екстенсивні: інтенсивні не залежать від розмірів і маси системи (тиск, температура, питомий і молярний об'єми, питома і молярна внутрішня енергія, питома і молярна ентальпія та ентропія); екстенсивні, пропорційні кількості речовини або масі даної термодинамічної системи (об'єм, маса, внутрішня енергія, ентальпія, ентропія та ін.). Основні параметри стану – інтенсивні.

Термодинамічні властивості (параметри), крім поділу на екстенсивні й інтенсивні, можуть бути класифіковані як термічні й калоричні властивості (величини). До термічних відносяться тиск , об'єм , температура , а також термічні коефіцієнти (ізотермічний коефіцієнт стиснення, коефіцієнт об'ємного розширення і термічний коефіцієнт тиску).

До калоричних властивостей відносяться такі термодинамічні величини, як ентропія , внутрішня енергія , ентальпія , вільна енергія , ізобарно-ізотермічний потенціал , теплоємність ( , , ...).
^

3.2. Рівняння стану ідеального газу


Висловлює зв'язок між параметрами рівноважного стану термодинамічної системи, який в загальному випадку можна описати виразом:

, (3.6)

тобто визначається завданням двох параметрів стану, наприклад, тиску і питомого об'єму (температура в цьому випадку є функцією ).

У технічній термодинаміці в якості робочого тіла розглядається ідеальний газ - теоретична модель реального газу, в якій не враховується взаємодія часток газу, молекул, що являють собою безоб’ємні матеріальні точки; силами міжмолекулярного зчеплення зневажають. Це дає підставу кожен дійсно існуючий у природі газ, в якому можна знехтувати силами зчеплення та об'ємом молекул (через малу їх величину), називати ідеальним газом. Ця обставина тим більш справедлива, чим вище температура газу і менше тиск.

Для зображення термодинамічних станів і процесів використовують плоскі діаграми. Наприклад, точки 1, 1, 1 (рис. 1.1) на діаграмі відображають рівноважний стан, а лінія 1-2 – рівноважний процес.

У технічній термодинаміці розглядаються наступні основні процеси: ізохорний – при постійному об'ємі; ізобарний – при постійному тиску; ізотермічний – при постійній температурі; адіабатний – без зовнішнього теплообміну; політропний – який протікає при будь-якому, але постійному значенні теплоємності (у певних умовах може розглядатися як узагальнений термодинамічний процес).


Основні закони ідеальних газів, установлені дослідним шляхом, мають наступний вигляд:

закон Бойля-Маріотта: при , або

; (3.7)

закон Гей-Люссака: при , або

; (3.8)





Рис. 3.1 - Діаграма стану



При цьому всі гази при нагріванні на 1 С збільшують відносний об'єм на ту саму величину, що дорівнює

,

тобто



На основі зазначених законів можна встановити зв'язок між параметрами двох довільних станів ідеального газу.

Розглянемо рис. 3.1: процес 1-4: ; ;

процес 4-3: ; ;

Виключивши з наведених рівнянь параметри т. 4, одержимо

. (3.9)

Аналогічний перехід із стану 1 в стан 5 із проміжної т.6 дасть співвідношення

. (3.10)

З (3.9) і (3.10) випливає, що

, (3.11)

або

(3.12)

, кДж/(кг К) - питома газова постійна кожного газу, фізичний зміст якої полягає в тому, що вона являє собою роботу, виконану 1 кг газу в ході процесу при постійному тиску і зміні температури на 1 градус.

Дійсно, в цьому випадку для двох будь-яких станів робочого тіла рівняння стану матиме вигляд:

; (3.13)

. (3.14)

Віднімаючи від (3.13) рівняння (3.14), одержуємо

; (3.15)

звідки , (3.16)

де – являє собою роботу, виконану газом у даному процесі.

Знаючи параметри стану газу, легко визначити питому газову постійну. Так, при нормальних фізичних умовах ( Па,  К),

(3.17)

або

, (3.18)

де і – відповідно питомий об'єм і густина газу при нормальних фізичних умовах.

Рівняння (3.12) називається характеристичним рівнянням Клапейрона або термічним рівнянням стану ідеальних газів. Тобто ідеальний газ строго підкоряється рівнянню Клапейрона. Поняття про ідеальний газ і його закони корисні як граничний випадок законів реального газу.

Згідно із законом Авогадро, однакові об'єми ідеальних газів при однакових і містять одну і ту ж кількість молекул. Тоді, помноживши на обидві частини рівняння (3.11), де – молекулярна маса газу, одержимо рівняння Клапейрона-Менделєєва:

, (3.19)

в якому – молярний об'єм робочого тіла, м3/моль.

При нормальних фізичних умовах ( C і  мм рт. ст.) об'єм одного кіломоля для всіх ідеальних газів відповідає  м3/кмоль;  – універсальна газова постійна,  Дж/(кмоль К). Отже газова постійна конкретного робочого тіла Дж/(кг К)

. (3.20)

Універсальна газова постійна за фізичним змістом також є роботою розширення, але тільки 1 кмоля ідеального газу, в ході процесу, що відбувається при постійному тиску і зміні температури на 1 градус. У цьому випадку рівняння Клапейрона Менделєєва має вигляд:

. (3.21)

На основі характеристичного рівняння можна одержати вираз для визначення будь-якого параметра при переході від одного стану до іншого, якщо значення інших параметрів відомі:

. (3.22)
^

3.3. Теплоємність газів


Теплоємністю тіла називається кількість теплоти, яка необхідна для його нагрівання (або охолодження) на один градус. Оскільки одиницею кількості теплоти в СІ є джоуль, а температури – градус К, то одиницею теплоємності буде Дж/ К.

Теплоємність одиниці кількості речовини, тобто відношення теплоти , отриманої одиницею кількості речовини при нескінченно малій зміні його стану, до елементарної зміни температури , називають питомою теплоємністю тіла в даному процесі:

. (3.23)

Значення залежить не тільки від інтервалу температур, але й від виду процесу підведення теплоти, що характеризується деяким постійним параметром , яким можуть бути питомий об'єм тіла , тиск та ін.

Загальна кількість теплоти, отримана в процесі, визначається наступним виразом:

, (3.24)

де інтеграл береться від початкового стану 1 до заданого кінцевого стану 2, (див. рис. 3.1).

Теплоємність речовини залежить від її температури. За цією ознакою розрізняють середню і дійсну теплоємності.

Якщо – кількість тепла, підведена (відведена) до одиниці кількості речовини в процесі нагрівання (охолодження) від температури до температури , то

(3.25)

являє собою середню теплоємність у межах .

Границю цього відношення, коли різниця температур прямує до нуля, називають дійсною теплоємністю, тобто

(3.26)

Теплоємність ідеальних газів залежить від їхньої температури, атомності та характеру процесу.

Теплоємність реальних газів залежить від їхніх природних властивостей, характеру процесу, температури та тиску.

Зміні стану при постійному об'ємі або тиску відповідають різні значення теплоемностей, які називаються відповідно ізохорною та ізобарною, і позначаються та .

У термодинаміці розрізняють масову, об'ємну й мольну теплоємності. Теплоємність, віднесену до одиниці маси робочого тіла, називають масовою і позначають: при постійному об'ємі та і постійному тиску та . Одиницею виміру масової теплоємності є Дж/(кгК). Масову теплоємність називають також питомою теплоємністю.

Теплоємність, віднесену до одиниці об'єму робочого тіла, називають об'ємною і позначають: при постійному об'ємі та і постійному тиску та . Одиниця виміру – Дж/(м3К).

Теплоємність, віднесену до 1 кмоль газу, називають мольною і позначають при постійному об'ємі й і постійному тиску та . Мольну теплоємність вимірюють у Дж/(моль К).

Масова і мольна теплоємність пов'язані наступним співвідношенням

, (3.27)

де – молекулярна маса.

Об'ємна теплоємність виражається через мольну як

, (3.28)

де м3/кмоль – молярний об'єм газу при нормальних фізичних умовах.

Зв'язок між об'ємною і масовою теплоємністю виражається співвідношенням

,

де –густина газу при нормальних фізичних умовах.

Між ізобарною та ізохорною теплоємностями існує залежність, що визначається рівнянням Майера:

. (3.29)

Якщо обидві частини цього рівняння помножити на молекулярну масу, то вона набуде вигляду

, (3.30)

де – універсальна газова постійна, рівна 8,314 кДж/(кмоль К).

Отже для ідеального газу різниця питомих теплоємностей і постійна і рівна питомій газовій постійній, а різниця молярних теплоємностей і – універсальній газовій постійній. Величина газової постійної визначається зовнішньою роботою в ізобарному процесі при відсутності внутрішньої. Для реальних газів, на відміну від ідеального, різниця теплоємностей залежить від температури і тиску, тобто

.


Відношення даних теплоємностей можна представити таким чином:

, .


Сказане вище дозволяє визначити питому кількість теплоти, затрачену в процесі нагрівання газу в інтервалі температур від t1 до t2 при постійному об'ємі або при постійному тиску:

; (3.31)

. (3.32)

Якщо в процесі бере участь М (кг) або VН3) газу, то

; (3.33)

. (3.34)




Контрольні запитання


  1. Технічна термодинаміка: основні поняття й визначення.

  2. Термодинамічна система.

  3. Параметри і функції стану. Термодинамічні процеси. Робоча (P-V) діаграма стану термодинамічної системи.

  4. Ідеальний газ. Рівняння стану ідеального газу.

  5. Теплоємність газів. Рівняння Майера.




Схожі:

Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconКонцентраторна геліоенергетична установка на основі кремнієвих фотоперетворювачіВ сонячної енергії з дифузійно-польовими бар’єрами
Тому найактуальнішими напрямками розвитку методів прямого перетворення енергії Сонця в електричну енергію є підвищення коефіцієнта...
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconЧастина IV. Системи одержання теплової та електричної енергії
Одним з найбільш досконалих видів енергії є електроенергія, широке використання якої обумовлене наступними можливостями
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconАпаратура імпульсного тестування фотоелектричних батарей
Протягом останнього десятиріччя спостерігається значне посилення інтересу до проблем прямого перетворення енергії Сонця в електричну...
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconСумський державний університет
Тга – агрегат гідродинамічного принципу дії, в якому реалізується безступеневе перетворення механічної енергії привідного двигуна...
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconЗмістовий модуль 2 трансформатори І електричні машини
Трансформатори і електричні машини належать до пристроїв, у яких здійснюється перетворення енергії: у трансформаторах електричної...
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconСумський державний університет Кафедра прикладної гідроаеромеханіики
Тга – агрегат гідродинамічного принципу дії, в якому реалізується безступеневе перетворення механічної енергії привідного двигуна...
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії icon1. Назва модуля: Релейний захист електричних станцій та підстанцій
Теоретичні основи електротехніки. Електрична частина станцій та підстанцій. Основи релейного захисту та автоматизації енергосистем....
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconБіохімія ● Теоретичні основи технологій харчових виробництв
Будова бактеріальної клітини. Морфологічні типи бактеріальних клітин. Розмноження та спороутворення у бактерій. Органи руху. Основи...
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconТип модуля: обов’язковий Семестр: 6 Обсяг модуля
Експлуатаційні режими електропостачальних систем, Основи використання електричної енергії
Частина ІІ. Теоретичні основи перетворення І використання енергії iconЧастина VI. Організаційно – технічні заходи підвищення виробництва І використання енергії
Один з важливих державних заходів – створення консалтингових схем. Консалтингова схема – це система планомірних заходів, здійснюваних...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи