Лекции о теплотехнике
Содержание IS-диаграмма
Водоснабжение, водоподготовка и очистка сточных вод
Оболочка воздушного шара с нагретым воздухом

Для просмотра сайта используйте Internet Explorer



ЧАСТЬ 1.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА


Тема 1. ОСНОВНЫЕ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ
И ЗАКОНЫ

1.1.Предмет и метод
технической термодинамики

1.2.Термодинамическая система

1.3.Термодинамическое состояние и
термодинамический процесс

1.4.Термические и
калорические параметры состояния

1.4.1.Термические параметры состояния

1.4.2.Калорические параметры состояния

1.5.Законы идеальных
газов

1.5.1.Закон Бойля-
Мариота

1.5.2.Закон Гей-
Люссака

1.5.3.Закон Авогадро

1.6.Уравнение состояния

1.7.Работа изменения
объёма газа


Тема 2. ТЕПЛОЁМКОСТЬ
ГАЗОВ

2.1.Массовая, объёмная
и мольная удельные
теплоёмкости

2.2.Средняя и истинная
теплоёмкости

2.3.Теплоёмкости при
постоянном объёме и
давлении

2.4. Таблицы
теплоёмкости

2.5.Теплоёмкость смеси
рабочих тел (газовой
смеси)


Тема 3. ПЕРВЫЙ ЗАКОН
ТЕРМОДИНАМИКИ

3.1.Сущность первого
закона термодинамики

3.2.Аналитическое выражение первого закона
термодинамики для цикла и
разомкнутого процесса

3.3.Уравнение первого
закона термодинамики для
движущегося рабочего тела


Тема 4.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

4.1.Схема анализа
изменения состояния
рабочего тела

4.2.Термодинамические процессы: изохорный,
изобарный, изотермический, адиабатный, политропный

4.2.1.Изохорный процесс (v=const)

4.2.2.Изобарный процесс (p=const)

4.2.3.Изотермический процесс (T=const)

4.2.4.Адиабатный процесс

4.2.5.Политропный процесс


Тема 5. ВТОРОЙ ЗАКОН
ТЕРМОДИНАМИКИ

5.1.Сущность и
формулировки второго
закона термодинамики

5.2.Обратимые и
необратимые процессы

5.3.Круговые термодинамические процессы или циклы

5.4.Термический коэффициент полезного
действия

5.5. Аналитическое
выражение второго закона
термодинамики

5.5.1.Цикл Карно

5.5.2. Соотношения,
связанные с циклом Карно

5.6.Изменение энтропии
в обратимых и необратимых
процессах


Тема 6. ВОДЯНОЙ ПАР

6.1.Основные понятия и
определения

6.2.Схема парогенератора

6.3.Процесс парообразования в pv-
координатах

6.4.Таблицы водяного
пара

6.5.Is-диаграмма водяного пара

6.6.Процессы водяного
пара на is-диаграмме


Тема 7. ТЕПЛОВЫЕ
ДВИГАТЕЛИ

7.1. Классификация и
принцип действия
поршневых двигателей
внутреннего сгорания

7.2. Цикл д. в. с. с
подводом тепла при
постоянном объёме (цикл
Отто)

7.3. Цикл д. в. с. с
подводом тепла при
постоянном давлении (цикл
Дизеля)

7.4. Цикл д. в. с. со
смешанным подводом тепла
(цикл Тринклера)

7.5.Принцип действия и
схемы газотурбинных
установок

7.6. Циклы ГТУ с
изобарным и изохорным
подводом теплоты


Тема 8. ПАРОСИЛОВЫЕ
УСТАНОВКИ

8.1.Принципиальная схема паросиловой
установки

8.2.Цикл Ренкина

8.3.Влияние параметров
пара на термический к.п.д. цикла Ренкина

8.4.Пути повышения
экономичности паросиловых
установок



ЧАСТЬ 2.
ТЕПЛОМАССООБМЕН


ЧАСТЬ 3. ТОПЛИВО
И ЕГО СЖИГАНИЕ

Тема 2. ТЕПЛОЁМКОСТЬ ГАЗОВ


2.1.Массовая, объёмная и мольная удельные теплоёмкости

Известно, что подвод теплоты к рабочему телу или отвод теплоты от него в каком-либо процессе приводит к изменению его температуры. Отношение количества тепло­ты, подведенной (или отведенной) в данном процессе, к изменению температуры называется теплоемкостью тела (системы тел):

,

(2.1)


где — элементарное количество теплоты; — элементарное изменение температуры.

Теплоемкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к системе, чтобы при заданных условиях повысить ее температуру на 1 градус. Так как единицей количества теплоты в СИ является джоуль, а температуры — градус К, то единицей теплоемкости будет Дж/К.

В зависимости от внешних условий и характера термодинамического процесса теплота может либо подводиться к рабочему телу, либо отводиться от него. Учитывая, что система участвует в бесчисленном множестве процессов, сопровождающихся теплообменом, величина для одного и того же тела может иметь различные значения. В общем случае значение теплоёмкости лежит в интервале от -∞ до +∞, то есть она может быть любой положительной или отрицательной величиной.

Поэтому обычно в выражении (2.1) при теплоёмкости указывается индекс "x", который характеризует вид процесса теплообмена

.

(2.2)


Индекс "x" означает, что процесс подвода (или отвода) теплоты идет при постоянном значении какого-либо из параметров, например, давления , объема или других.

Ввиду того, что в термодинамике обычно рассматриваются квазистатические процессы теплообмена, теплоемкость является величиной, относящейся к системе, которая находится в состоянии термодинамического равновесия. Таким образом, теплоемкости являются функциями параметров термодинамической системы. Для простых систем — это функции каких-либо двух из трех параметров: , , .

Опыты показывают, что количество теплоты, подведенное к рабочему телу системы или отведенное от него, всегда пропорционально количеству рабочего тела. Для возможности сравне­ния вводят, как известно, удельные величины теплоемкости, относя подведенную (или отведенную) теплоту количественно к единице рабочего тела.

В зависимости от количественной единицы тела, к которому подводится теплота в термодинамике, различают массовую, объемную и мольную теплоемкости.

Массовая теплоемкость — это теплоемкость, отнесенная к единице массы рабочего тела,

.

Единицей измерения массовой теплоемкости является Дж/(кг • К). Массовую теплоемкость называют также удельной теплоемкостью.

Объемная теплоемкость — теплоемкость, отнесенная к единице объема рабочего тела,

,

где и — объем и плотность тела при нормальных физических условиях.

Объемная теплоемкость измеряется в Дж/(м3 • К).

Мольная теплоемкость — теплоемкость, отнесенная к количеству рабочего тела (газа) в молях,

,

(2.3)


где — количество газа в молях.

Мольную теплоемкость измеряют в Дж/(моль • К).

Массовая и мольная теплоемкости связаны следующим соотношением:


или
,

(2.4)


где - молекулярная масса.

Объемная теплоемкость газов выражается через мольную как


или
,

(2.5)


где м3/моль — мольный объем газа при нормальных условиях.

2.2.Средняя и истинная теплоёмкости

Учитывая, что теплоемкость непостоянна, а зависит от температуры и других термических параметров, различают истинную и среднюю теплоемкости. Истинная теплоемкость выражается уравнением (2.2) при определенных параметрах термодинамического процесса, то есть в данном состоянии рабочего тела. В частности, если хотят подчеркнуть зависимость теплоёмкости рабочего тела от температуры, то записывают её как , а удельную – как . Обычно под истинной теплоёмкостью понимают отношение элементарного количества теплоты, которое сообщается термодинамической системе в каком-либо процессе к бесконечно малому приращению температуры этой системы, вызванному сообщенной теплотой. Будем считать истинной теплоёмкостью термодинамической системы при температуре системы равной , а - истинной удельной теплоёмкостью рабочего тела при его температуре равной . Тогда среднюю удельную теплоёмкость рабочего тела при изменении его температуры от до можно определить как

(2.6)


Обычно в таблицах приводятся средние значения теплоемкости для различных интервалов температур, начинающихся с . Поэтому во всех случаях, когда термодинамический процесс проходит в интервале температур от до , в котором , количество удельной теплоты процесса определяется с использованием табличных значений средних теплоемкостей следующим образом:

.

(2.7)


Значения средних теплоемкостей и , находят по таблицам.


2.3.Теплоёмкости при постоянном объёме и давлении

Особый интерес представляют средние и истинные теплоемкости в процессах при постоянном объеме (изохорная теплоемкость, равная отношению удельного количества теплоты в изохорном процессе к изменению температуры рабочего тела dT) и при постоянном давлении (изобарная теплоемкость, равная отношению удельного количества теплоты в изобарном процессе к изменению температуры рабочего тела dT).

Для идеальных газов связь между изобарной и изохорной теплоёмкостями и устанавливается известным уравнением Майера .

Из уравнения Майера следует, что изобарная теплоемкость больше изохорной на значение удельной характеристической постоянной идеального газа. Это объясняется тем, что в изохорном процессе () внешняя работа не выполняется и теплота расходуется только на изменение внутренней энергии рабочего тела, тогда как в изобарном процессе () теплота расходуется не только на изменение внутренней энергии рабочего тела, зависящей от его температуры, но и на совершение им внешней работы.

Для реальных газов , так как при их расширении и совершается работа не только против внешних сил, но и внутренняя работа против сил взаимодействия между молекулами газа, на что дополнительно расходуется теплота.

В теплотехнике широко применяется отношение теплоемкостей , которое носит название коэффициента Пуассона (показателя адиабаты). В табл. 2.1 приведены значения некоторых газов, полученные экспериментально при температуре 15 °С.

Таблица 2.1

Газ

Показатель адиабаты

Гелий

1,660

Аргон

1,667

Окись углерода

1,401

Кислород

1,398

Водород

1,408

Азот

1,41

Водяной пар

1,33

Углекислый газ

1,305

Аммиак

1,313

Метан

1,315


Теплоемкости и зависят от температуры, следовательно, и показатель адиабаты должен зависеть от температуры.

Известно, что с повышением температуры теплоёмкость увеличивается. Поэтому с ростом температуры уменьшается, приближаясь к единице. Однако всегда остается больше единицы. Обычно зависимость показателя адиабаты от температуры выражается формулой вида

,

где - значение коэффициента при 00 С; - коэффициент, принимающий для каждого газа своё постоянное значение.

Кроме того, можно установить следующие широко использующиеся зависимости.

,

(2.8)


и так как
.

(2.9)




2.4. Таблицы теплоёмкости

Данные о теплоёмкостях различных газов приводятся в табличной форме. Обычно в таблицах приводят для различных температур значения мольной истинной и средней теплоёмкости при постоянном давлении и постоянном объёме. Указывают также средние массовые и объёмные теплоёмкости при постоянном объёме и постоянном давлении.

Мольная теплоёмкость указывается в кДж/(кмоль · 0С), массовая – в кДж/(кг · 0С), объёмная – в кДж/(м3 · 0С). При этом значения объёмной теплоёмкости относят к массе газа, заключённой 1 м3 его при нормальных физических условиях.

Для газов, массовая теплоёмкость которых зависит как от температуры, так и от давления, приводят значения удельного объёма и энтальпии 1 кг газа при различных давлениях и температурах. С такого рода зависимостями приходится иметь дело при изучении свойств водяного пара.


2.5.Теплоёмкость смеси рабочих тел (газовой смеси)

Теплоемкость газовой смеси вычис­ляется по составу газовой смеси и теплоемкостям отдельных газов, входящих в данную газовую смесь. Газовая смесь может быть задана массовым, объемным и молярным составом. Пусть смесь газов задана массовым составом, тогда масса смеси

.

(2.10)


где — масса i-го компонента, входящего в смесь.

Очевидно, для увеличения температуры газовой смеси на необходимо увеличить температуру на каждого газа этой смеси. При этом на нагревание каждого газа смеси необходимо затратить количество теплоты , где — массовая теплоемкость i-го газа смеси.

Теплоемкость газовой смеси определяется из уравнения теплового баланса

,

где — теплоемкость газовой смеси.

Разделив левую и правую части уравнения на , получим

,

(2.11)


где — массовая доля i-го газа, входящего в смесь.

Из выражения (2.11) видно, что теплоемкость смеси газов, заданной массовыми долями (массовая теплоемкость смеси), равна сумме произведений массовых долей на массовую теплоемкость каждого газа.

С помощью аналогичных рассуждений можно найти сходные по структуре с полученным выражением выражения для объёмной и мольной теплоёмкостей газовой смеси.

Отправить e-mail автору сайта на ice-axe@mail.ru



Яндекс.Метрика
Сайт создан в системе uCoz