Техническая термодинамика

ТЕПЛОФИЗИКА – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Теплота широко используется во всех областях хозяйственной деятельности человека и его нормального жизнеобеспечения. Разработка теоретических основ теплотехники необходима для установления наиболее рациональных способов использования тепловой энергии, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых.

Любому техническому специалисту - инженеру, технику, механику необходимы знания основ этой науки, поскольку в настоящее время идет процесс интенсивного и широкого внедрения сложнейших тепловых машин и установок разного назначения практически во всех сферах хозяйственной деятельности человека.

Невозможно представить жизнь современного общества без автомобилей, самолетов, сельскохозяйственной техники, тепловых электростанций и котельных установок и т. п. Все эти сложнейшие технические устройства используют в своей работе тепловые машины различной конструкции. Можно с уверенностью сказать, что научно-технический прогресс в ближайшем будущем позволит человеку использовать тепловую энергию все более эффективно.
Поэтому без знания теоретических основ теплотехники и термодинамики современному техническому специалисту не обойтись.

Различают два принципиально различных направления использования теплоты –энергетическое и технологическое.

При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в специальных установках (генераторах) создается электрическая энергия, наиболее удобная для передачи на значительное расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом использовании тепловой энергии она используется для направленного изменения механических, физических или химических свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры и т. п.).

Термодинамика - наука, изучающая энергию и законы ее превращения из одного вида в другой. Изучение основ термодинамики позволяет понимать принципы работы тепловых двигателей (паровых машин, двигателей внутреннего сгорания), тепловых насосов, холодильной техники, кондиционеров и других устройств.

Техническая термодинамика - раздел термодинамики, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии с помощью материальных тел, называемых рабочими телами.
Техническая термодинамика является основой теории тепловых двигателей и других промышленных установок, связанных с взаимопревращениями указанных видов энергии.

Как отмечалось выше, преобразование теплоты в механическую работу происходит с помощью рабочего тела. Наиболее эффективным с точки зрения технической термодинамики рабочим телом является то, которое обладает выраженными упругими свойствами, позволяющими телу в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механической силы (давления), термического воздействия (теплоты) или комбинированного термомеханического воздействия.

Наблюдая за агрегатным состоянием различных тел, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для применения в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им свойственны значительные (по сравнению с другими агрегатными состояниями тел) коэффициенты объемного расширения. Газы упруги - сжатый, т. е. деформированный объем газа стремится восстановить и даже увеличить свой первоначальный объем при снятии внешней нагрузки.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии, как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла ирабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используют ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят:абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объем v (или величина, обратная удельному объему, - плотность ρ).

Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называюттермодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Рассмотрим физический смысл каждого из параметров рабочего тела с точки зрения науки теплотехники.

Давление (р) в термодинамике определяется как сила, действующая по нормали на единицу площади поверхности тела.

Давление газа - результат воздействия молекул газа на стенки сосуда, в котором он заключен. Известно, что молекулы любого газа находятся в постоянном движении, перемещаясь спонтанно в произвольном направлении. В результате хаотического движения молекул газа они систематически ударяются о стенки сосуда, оказывая на них силовое воздействие. Суммарное действие всех ударяющихся молекул определяет давление газа на стенки сосуда.
Именно это свойство газов (оказывать давление на стенки сосуда) позволяет использовать его в качестве рабочего тела в термодинамических процессах.
Давление измеряется в Паскалях (Па). Один Паскаль равен силе величиной 1 ньютон, действующей на площадь размером 1 квадратный метр:

Па = Н/м2.

В теплотехнических установках шкалы приборов для измерения давления часто градуируют в единицах системы МКГСС, в которой за единицу давления принята техническая атмосфера, (ат или at):

1 ат = 1 кг/см2 ≈ 9,814 Н/м2 ≈ 0,0981 МПа.

При этом не следует путать единицы измерения техническая атмосфера (ат) с единицей измерения физическая атмосфера (атм или atm), характеризующей нормальное (физическое) атмосферное давлениеp0, которое принято выражать, также, в миллиметрах ртутного столба:

p0 = 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па ≈ 0,101325 МПа.

В соответствии с определением между этими единицами существует зависимость:

1 атм ≈ 101 325 Па ≈ 1,033233 ат.

В настоящее время международными и российскими органами стандартизации и метрологии приняты меры по исключению этих единиц измерения давления из применения.

В технической термодинамике различают абсолютное и избыточное давление.

Под абсолютным понимают действительное давление рабочего тела внутри сосуда.

Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей (внешней) среды.
Приборы, служащие для замера разности между абсолютным и избыточным давлением, называютманометрами.

Из приведенных выше определений следует, что для случая, когда давление в сосуде превышает давление окружающей среды,

рабс = ризб + рб,

где:

рабс - абсолютное давление в сосуде;

ризб - манометрическое или избыточное давление (измеренное прибором);

рб - давление окружающей среды (атмосферное или барометрическое давление).

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между ними называется разряжением, или вакуумом.
Для измерения разрежений служит вакуумметр - прибор, показывающий разность давления окружающей среды и абсолютного давления в сосуде.
В этом случае:

рабс = рб – ризб,

где: ризб – показание величины разрежения на шкале вакуумметра.

Под удельным объемом рабочего тела понимают объем, занимаемый массой в 1 кг этого тела.

Удельный объем обозначается буквой v и измеряется в кубических метрах на килограмм (м3/кг).

Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т.е. массу вещества, заключенную в объеме 1 м3. Плотность обозначается буквой ρ и измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м3). Из приведенных определений следует:

v = V/m; ρ = m/V,

поэтому произведение удельного объема на плотность будет равно единице:

vρ = 1,

здесь: V – объем рабочего тела, м3; m – масса рабочего тела, кг.

Абсолютная температура – это один из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела, мера степени нагретости тела. Величина этого параметра определяется средней кинетической энергией движения молекул газа.
Знак разности температур двух неодинаково нагретых тел определяет направлении передачи тепла.

Температуру измеряют либо по абсолютной(термодинамической) шкале в градусах Кельвина(К) и обозначают буквой Т, либо по Международной практической шкале в градусах Цельсия (˚С) и обозначают буквой t.

За ноль абсолютной температуры абсолютной по шкале Кельвина принята температура вещества, когда полностью отсутствует тепловое движение его молекул и атомов. По этой шкале температура может быть только положительной(либо равной нулю, хотя, доказано, что абсолютный ноль - температура недостижимая, также, как и скорость света).

Ноль температуры в международной практической шкале соответствует температуре плавления льда при нормальном давлении (760 мм рт. ст.). Эту температуру называют, также,тройной точкой воды, поскольку все три фазы воды (твердая, жидкая и газообразная) при такой температуре находятся в состоянии равновесия. Сотому делению этой шкалы соответствует температура кипения воды (100˚С) при нормальном давлении.

Цена деления шкалы Кельвина одинакова с ценой деления шкалы Цельсия, т. е. равна 1 градусу, а соотношение между абсолютной температурой Т и практической температурой t определяется формулой:

Т = t + 273,15.

В США, Канаде и некоторых других странах для измерения температуры применяется шкала Фаренгейта, в которой за ноль принята температура смеси равных частей льда и нашатыря. В этой шкале температура таяния льда равна 32˚ F, а температура кипения химически чистой воды равна 212˚ F.
Соотношение между значениями температуры, измеренной по шкалам Цельсия и Фаренгейта:

T(˚F) = 9/5t(˚ C) + 32.

Считается, что рабочее тело находится при нормальных физических условиях, если давление его равно

р0 = 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па ≈ 0,101325 МПа, а температура t0 = 0˚ C.

В технической термодинамике часто используют понятие киломоль (кмоль), который характеризует количество вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе μ. Например, киломоль кислорода О2, имеющего молекулярную массу μ = 32, равен 32 кг, киломоль углерода C (молекулярная масса μ = 12) равен 12 кг, киломоль углекислого газа СО2 (молекулярная масса μ = 44) равен 44 кг и т. д.
Единицей измерения киломоля является килограмм деленный на киломоль: кг/кмоль.

Предмет технической термодинамики и ее методы. Связь термодинамики с другими отраслями знаний. Основные задачи курса. Рабочее тело. Основные параметры состояния. Термодинамическая система. Равновесное и неравновесное состояния. Уравнение состояния. Теплота и работа как формы передачи энергии. Термодинамический процесс. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы).

Смеси идеальных газов. Способы задания состава смеси. Соотноше­ние между массовыми и объемными долями. Вычисления массовых и объемных долей. Вычисление параметров состояния смеси. Определе­ние кажущейся молекулярной массы и газовой постоянной смеси.

Теплоемкость. Массовая, объемная и молярная теплоемкости. Тепло­емкости при постоянных объёмах и давлениях. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Средняя и истинная теплоемкости. Формулы и таблицы для определения теплоемкостей. Теплоемкость смеси идеальных газов.

Первый закон термодинамики. Сущность закона. Формулировки закона. Аналитическое выражение закона для открытых и закрытых систем. Опре­деление работы и теплоты через термодинамические параметры состояния Р - V- диаграмма. Энтальпия.

Второй закон термодинамики. Основные формулировки закона. Анали­тическое выражение закона. Энтропия. ТS - диаграмма.

Общие понятия о термодинамическом процессе. Общие методы исследования процессов изменения состояния рабочих тел. Изображение процессов в координатах рv и Тs. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, как частные случаи политропного процесса.

Общее понятие о круговом процессе. Прямой и обратный циклы Карно, их анализ. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент.

Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Циклы с изохорным и изобарным подводами теплоты. Изображение циклов в р-v и Т-s диаграммах

Термодинамические и эксергетические КПД циклов. Сравнительный анализ циклов ДВС.

Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Циклы с изохорным и изобар­ным подводами теплоты. Регенеративные циклы ГТУ. Изображение циклов в р-v и Т-s диаграммах. Термодинамические и эксергетические КПД циклов. Сравнительный анализ циклов ГТУ.

Цикл идеального компрессора. Классификация компрессоров и прин­цип их действия. Индикаторная диаграмма. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Полная работа и мощность на привод компрессора. Многоступенчатое сжатие. Изображение термодинамических циклов в р-v и Т-s диаграммах.

Циклы холодильных установок. Классификация холодильных установок. Рабочие тела. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность. Цикл воздушной холодильной установки. Циклы паровой и компрессионной установок. Понятие об абсорбционных и пароэжекторных холодильных ус­тановках.

Тепловой насос. Принцип работы теплового насоса. Кондиционер.

Физическое состояние вещества. Процесс парообразования в р-v и Т-s координатах. Термодинамические таблицы воды и водяного пара. Расчет термодинамических процессов водяного пара с по­мощью таблиц и h-s диаграммы. Принципиальная схема паросиловой уста­новки. Цикл Ренкина. Влияние начальных и конечных параметров на терми­ческий КПД цикла Ренкина. Изображение цикла в Т-s и h-s диаграммах. Пути повышения экономичности паросиловых установок. Теплофикационный цикл.

Определение понятия «Влажный воздух». Основные величины, характеризующие состояния влажного воздуха. H-d диаграмма влажного воздуха. Расчет основных процессов (подогрев, сушка, смеси воздуха и различных паров).