Термодинамічний стан і параметри робочого тіла

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Основні поняття

Термодинаміка як окрема наука почала розвиватися на початку 19 ст. Це наука про теплові перетворення в теплових машинах, про загальні властивості тіл і закони взаємоперетворення енергії. Термодинамічний метод дослідження має свої специфічні властивості і базується на використанні основних законів термодинаміки. Перший закон - це окремий випадок загального закону збереження і перетворення енергії відносно робочого тіла, за допомогою якого здійснюється взаємоперетворення теплової форми енергії в механічну та навпаки. (Майєр) Другий закон термодинаміки встановлює умови, за яких можливе взаємоперетворення теплоти в роботу, і, навпаки, вказує напрямок проходження процесів та можливу межу взаємоперетворень.(С. Карно) Третій закон термодинаміки, або «теплова теорема» Нернста, характеризує поведінку ентропії робочого тіла поблизу абсолютного нуля. Цей закон був сформульований у 1906 р. В. Нернстом. У 1931 р. Л. Онсагер і С. де Гроот сформулювали закон, який розглядає не рівноважні процеси. Це твердження дістало назву нульового закону термодинаміки. технічна термодинаміка - наука, що вивчає закони перетворення теплової енергії в механічну в теплових машинах, а також властивості робочих тіл, які беруть участь у цих перетвореннях. У основу технічної термодинаміки покладено два закони: I і II закон термодинаміки. I закон встановлює кількісні співвідношення між теплотою і роботою при їх взаємному перетворенні (кількісна характеристика теплових процесів). II закон враховує умову, при якій відбувається взаємне перетворення теплоти і роботи і є якісною характеристикою теплових процесів.

2. Термодинамічна система і довкілля

Матеріальне тіло або сукупність тіл, які перебувають у тепловій чи механічній взаємодії між собою і навколишнім середовищем, називаються термодинамічною системою або просто системою. Термодинамічна система включає і навколишнє середовище.

Під навколишнім середовищем розуміють усі зовнішні тіла, які не входять у термодинамічну систему, тобто весь світ.

Взаємодія системи з довкіллям, а саме теплообмін енергією здійснюється через зовнішню оболонку.

Якщо система має теплову ізоляцію, яка виключає теплообмін між робочим тілом і навколишнім середовищем, то це адіабатна система. Якщо система не має теплового і механічного контакту з іншими системами, то вона називається ізольованою системою.

Якщо при здійсненні процесів в системі робоче тіло бере участь в одному агрегатному стані, то це гомогенна система. Якщо при здійсненні процесів в системі беруть участь робочі тіла в двох агрегатних станах (вода - пара), то це гетерогенна система.

3. Термодинамічний стан і параметри робочого тіла

Робоче тіло залежно від зовнішніх умов має різні властивості і може перебувати у різних станах. Якщо вони набувають стійкого значення, то говорять, що система перебуває в певному стані. А фізичні величини, які характеризують цей стан, називаються термодинамічними змінними або параметрами стану. Не всі параметри стану можуть змінюватися незалежно один від одного. Завжди можна виділити кілька незалежних параметрів, за якими визначають всі параметри стану.

Параметри, які не входять до незалежних і які не вимірюються безпосередньо, називаються функціями стану (ентальпія, ентропія, ексергія та ін.). Параметри стану системи, які визначаються сумою параметрів стану всіх окремих частин системи, називаються екстенсивними. Параметри, значення яких не залежить від розмірів системи і залишаються однаковими в усіх її частинах, називаються інтенсивними параметрами стану (температура, тиск та ін.)

Параметрами називаються величини, що характеризують тепловий стан термодинамічної системи.

Основними параметрами робочого тіла є: P, V, T.

Тиск - це сукупність ударів молекул газу об стінки посудини, в якій знаходиться газ.. атм. = 0,98 бар = 0,98•10⁵

Питомий об'єм - об'єм одиниці маси речовини.

, ,

Температура це параметр стану, який визначає здатність системи до передачі теплової енергії.

Т, ⁰К, Т=t+ 273, де t, ⁰С.

4. Термодинамічний процес

Процес самочинного повернення у стан рівноваги називається релаксацією. Всі дійсні процеси, що протікають в теплових двигунах, - швидкоплинні, нерівноважні, але теоретично вони вивчаються як рівноважні. Оборотними називаються процеси, які можливі в прямому і зворотному напрямах і при здійсненні яких робоче тіло і навколишнє середовище повертаються в початковий стан.

Для здійснення оборотних процесів необхідні умови:

1. У кожній точці процесу повинна встановлюватися рівновага між робочим тілом і навколишнім середовищем;

2. Повинні бути відсутніми сили тертя.

Із-за наявності сил тертя всі дійсні процеси необоротні, але теоретично вивчаються як оборотні.

Необоротний процес графічно ні в яких координатах представити не можна.

Термодинамічним процесом називається процес зміни параметрів системи при переході з одного стану в інший.

Процес називається рівноважним, якщо параметри змінюються нескінченно повільно. Процеси, які відбуваються швидко порівняно з процесами релаксації і йдуть з порушенням рівноваги називаються нерівноважними.

5. Рівняння стану ідеальних газів

Параметри Р, v, Т при їх зміні постійно знаходяться у взаємодії між собою. Цю взаємодію можна записати рівнянням в загальному вигляді: F(Р, v, T)=0

При цьому незалежними можуть бути два будь-яких параметри:

У 1662 році Бойль і незалежно від нього у 1676 році Маріотт відкрили закон:

Р=f(v,T) v=f(P,T) T=f(P,v)

Pv=const

Добуток тиску на об'єм в ізотермічних умовах є величиною постійною:

У 1802 році Гей-Люссак установив, що в ізобаричному процесі об'єм газу пропорційний температурі:

Об'єднавши ці обидва закони можна вивести зв'язок між трьома параметрами:

Тоді рівняння для 1 кг має вигляд:

Pv=RT де R - газова стала.

Це рівняння називається рівнянням стану ідеального газу, або рівнянням Клапейрона.

Для будь-якої маси газу: PV=тRT

Для 1 молю газу: PV_м=мRT

V_м - молярний об'єм газу. V_м = 22,4 м³/кмоль. Величина мR називається універсальною газовою сталою. За нормальних умов універсальна стала розраховується так:

Питома газова стала Дж/кгК, визначається рівнянням:

Завдяки цьому рівнянню можна визначити газову сталу для будь-якого газу, знаючи його молярну масу.



6. Закон збереження енергії

Рух - це спосіб буття матерії. Матерія без руху не існує, як не існує і рух без матерії. Ломоносов вперше у загальному вигляді сформулював принцип збереження і перетворення енергії як закон перетворення матерії та руху. У формулювання закону Ломоносовим не має конкретності, але воно містить чітке й повне означення суті закону збереження і перетворення матерії та енергії. У 1840 р. Г. Гесс сформулював закон стосовно термохімічних процесів. На основі закону збереження матерії для термодинамічної системи, відокремленої оболонкою, можна сформулювати закон збереження мас так - кількість підведеної до системи маси т_п дорівнює сумі кількості маси, яка залишилася в системі (Дт_с) і кількості маси, що виведена із системи (т_в):

т_п=Дт_с+т_в

Для теплотехнічного обладнання, яке працює безперервно (котел, турбіна) або періодично (двигун внутрішнього згоряння) в стаціонарному режимі, тобто параметри стану не змінюються в часі або змінюються періодично, кількість маси, що знаходиться в середині системи, є постійною:

т_с=ідет, Дт_с=0 і тоді: т_п=т_в

У 1842 р. Майєр встановив закон еквівалентності теплоти та роботи і визначив числове значення механічного еквівалента теплоти.

У 1843 р. Джоуль, а потім, незалежно від нього, в 1844 р. Ленц встановили цей закон для електричних і теплових явищ (закон Джоуля-Ленца).

У 1847 р. Гельмгольц, проаналізувавши велику кількість фізичних явищ (механічних, теплових, електричних та інших), сформулював закон у загальному вигляді.

У 1850 р. Клаузіус опублікував математичне доведення закону збереження енергії з поясненням особливостей переходу теплової енергії в інші види енергії. Цей закон читається так:

В ізольованій системі енергія не зникає безслідно і не виникає знову, вона лише переходить із одного виду в інший. Загальна сума всіх видів енергій залишається незмінною.

7. Внутрішня енергія системи

Під внутрішньою енергією вважають запас енергії самого робочого тіла, яка накопичується в нім за рахунок взаємодії з іншими тілами. U включає кінетичну і потенційну енергії молекул, обертальну енергію молекул, енергію коливання атомів в молекулі, енергію електронів, внутріядерну енергію, енергію електромагнітного випромінювання.При дослідженні теплових процесів істотне значення мають і . Оскільки оцінити значення внутрішньої енергії робочого тіла в якомусь конкретному стані не є можливим, то при аналізі теплових процесів досить дізнатися тільки зміну .

Для будь-якого робочого тіла по фізичному сенсу U є сумою U_п і U_к молекул.Для ідеального газу , оскільки нехтуємо силами взаємодії між молекулами.Оскільки , а T - параметр, то і внутрішнє U є параметром і має всі властивості параметрів.

Властивості U



I

Размещено на http://www.allbest.ru

U як і всі параметри не залежить від характеру процесу:

II

Размещено на http://www.allbest.ru

. Оскільки і не залежить від характеру процесу, то в різних по характеру процесах з однаковим Дt зміна внутрішньої U буде однаковою:

1, 2 - процес ізохорний і тепло, що підводиться в цьому процесі можна визначити по формулах:

, , ,

отже:

,

Видно, що ізохорна теплоємність C_V по фізичному сенсу є мірою зростання внутрішньої енергії при зміні температури в ізохорному процесі.

1 кг: U, m кг: , Дж

Внутрішня енергія є калоричною величиною.

Всі величини, що характеризують стан робочого тіла по чиннику залежності від маси діляться на інтенсивні - не залежні від маси робочого тіла (P, T, V) і екстенсивні - залежні від маси (V, U).

8. Теплота та робота

Із багатьох видів енергії є тільки два принципово різних способи (форми) передачі енергії - робота і теплота.Робота - це форма передачі енергії від одного тіла до іншого, яка супроводжується видимою зовнішньою зміною робочого тіла, тобто зміною його об'єму., Дж

l - робота, здійснена 1 кг тіла. m - маса робочого тіла.

,

Размещено на http://www.allbest.ru

Якщо розглянути роботу поршня в циліндрі, то її вираз можна записати у вигляді:

- робота, здійсненна 1 кг

де Р - тиск, з яким робоче тіло тисне на поршень, Па;

S - площа поршня, м²; dh - висота, на яку підніметься поршень в результаті тиску.

- для всіх процесів

Размещено на http://www.allbest.ru

Графічно робота в P-V координатах є площею під процесом. Тепло - це форма передачі енергії від одного тіла до іншого без видимих зовнішніх змін тіла, здійснюється за допомогою молекул тіла.

Для 1 кг: , Для m кг: , Дж

9. Теплова взаємодія. Ентропія

Через межу системи енергія може передаватися і формі роботи або теплоти. Як і робота, теплота не є функцією стану. Кількість теплоти, яка передається системі між двома певними станами, залежить від характеру процесу, від шляху, яким система переходить від одного стану в інший. Теплота є характеристикою процесу. Теплота передається тільки за наявності різниці температур від системи з вищою температурою до системи з нижчою. Робота і теплота є різними формами передачі енергії, тому не можна говорити, що тіло має запас теплоти чи роботи.

Великий внесок у розвиток уявлень про теплоту і роботу англійського фізика Д. Джоуля. Внаслідок проведених дослідів Джоуль установив, що між виконаною роботою і кількістю підведеної теплоти існує взаємозв'язок:

Q=AL

де А - коефіцієнт пропорційності, або механічний еквівалент теплоти.

Величина А є сталою і не залежить від способу отримання теплоти і роботи, температури тіла та ін. У разі виконання однакової роботи завжди отримуємо однакову кількість теплоти. Величина А залежить від вибору фізичних одиниць, і в Міжнародній системі одиниць (SI) А=1, тому що робота і теплота вимірюються в джоулях.

У зв'язку з хаотичністю теплового руху молекул неможливо знайти параметр, зміна якого характеризувала б зміну стану системи внаслідок передачі енергії у вигляді теплоти. Теоретичний аналіз теплових явищ, проведений Р. Клаузіусом у 1852-1864 рр., дав можливість йому зробити висновок, що елементарну кількість теплоти в рівноважному процесі можна розрахувати за загальною формулою енергетичної взаємодії, де інтенсивним параметром є термодинамічна температура Т, а екстенсивним - ентропія, яка позначається через S:

dQ=TdS

У 1852 р. Р. Клаузіус показав, що єдиною величиною, що характеризує теплову взаємодію, є величина, названа ним ентропією. Ентропія є координатою термічного стану системи. Хоча прямі виміри ентропії неможливі, Клаузіус показав, як її можна обрахувати через інші величини, котрі можна виміряти.

Температура системи змінюється або внаслідок передачі їй деякої кількості теплоти, або внаслідок виконання системою (чи над системою) деякої роботи. Тому за зміною температури не можна визначити, віддає чи одержує система енергію. Тільки зміна ентропії характеризує процес теплової взаємодії, оскільки температура завжди додатна величина. Можна зробити висновок, що спільним між теплотою і роботою є те, що вони є енергетичними характеристиками процесів теплової та механічної взаємодії термодинамічної системи з навколишнім середовищем і мірою переданої кількості енергії.

Проте теплота і робота суттєво різняться між собою. Так, робота завжди і повністю переходить у теплоту (тертя). Теплота переходить в роботу лише за певних умов (наявність гарячого і холодного джерел енергії і робочого тіла). Пояснюється це тим, що робота - це передача упорядкованої форми енергії, а теплота - передача енергії хаотичного руху молекул.

10. Рівняння першого закону термодинаміки

Размещено на http://www.allbest.ru

У циліндрі під поршнем 1 кг реального газу. При нагріванні газу зростає кінетична енергія його молекул на величину dK; збільшується об'єм газу, а при збільшенні об'єму реального газу збільшується потенційна енергія його молекул (за рахунок роботи по роз'єднанню молекул, обумовленою силами зчеплення між ними) на величину dP; і здійснюється нескінченно мала робота dl.

Суму кінетичної і потенційної енергій молекул називають внутрішньою енергією робочого тіла (dU).

- 1 кг газу - m кг

- 1 кг - m кг

I закон термодинаміки: тепло, що підводиться до тіла, витрачається на зміну внутрішній енергії тіла і здійснення зовнішньої роботи

Залежно від характеру процесу кожний з трьох членів першого закону термодинаміки може бути додатним, від'ємним або нульовим. Прийнято підведену до системи теплоту вважати додатною, відведену - від'ємною. Відповідно робота, виконана системою, вважається додатною, а робота над системою - від'ємною.

11. Основні визначення

Теплоємність - це кількість теплоти, що підводиться до одиниці кількості речовини для зміни її температури на 1 градус. Залежно від способу вибору одиниці кількості речовини, розрізняють теплоємності: масову, об'ємну і молярну. Теплоємність 1 кг - масова.

,

Теплоємність 1 м³ - об'ємна.

,

Теплоємність 1 кмоль - молярна.

,

Від однієї теплоємності можна перейти до інших по формулах:

12. Теплоємність газів

Теплоємність залежить від ізохорного та ізобарного процесів. Ізохорними називаються процеси, що протікають при незмінному об'ємі. Їх можна здійснити при нагріванні або охолоджуванні газу в закритій посудині.

Размещено на http://www.allbest.ru

Ізобарними називаються процеси, що протікають при незмінному тиску.

Размещено на http://www.allbest.ru

Ці процеси можна здійснити при нагріванні або охолоджуванні газу в циліндрі під поршнем з постійним навантаженням.

Тепло, що підводиться в ізохорному процесі, розходиться тільки на збільшення температури тіла, а в ізобарному ще й на здійснення роботи.

При однаковій різниці температур в обох процесах, в ізобарному процесі слід підводити теплоти більше на величину роботи, що здійснюється в цьому процесі.

, отже

- формула Майера

,

K залежить від природи газу і прийняті наступні орієнтири його значення:

одноатомні гази - K = 1,6 двоатомні гази - K = 1,4

багатоатомні гази - K = 1,3

По цих формулах знаходять C, нехтуючи її залежністю від температури.

13. Залежність теплоємності від температури

Размещено на http://www.allbest.ru

Ця залежність встановлена експериментальним шляхом і виявилось, що із зростанням температури газу збільшується і теплоємність.

Без великої похибки криву C=f(t) замінюють прямою і тоді аналітичний вираз, що визначає залежність C від t має вигляд:

C₀

- при 0єC л - коефіцієнт, що враховує зростання C при збільшенні температури.

По вищенаведених формулах можна знайти тільки середнє значення теплоємності, тобто скільки в середньому доводиться теплоти на кожен градус зміни температури.

Інтеграл береться тільки коли відомо

Формула визначає C в інтервалі температур від t₁ до t₂:

14. Ентальпія

Запишемо І закон термодинаміки:

,

Розпишемо складові правої частини

;

Підставимо у рівняння закону:

- є параметром і не залежить від характеру процесу.

По фізичному смислу ентальпія є сумою внутрішніх енергій і енергії тиску середовища, тобто вона враховує як стан робочого тіла, так і стан навколишнього середовища.

- тільки в ізобарному процесі.

- у всіх процесах.

1 кг: i, m кг: , Дж

Ентальпія - калорична, екстенсивна величина.

Термін ентальпія походить від грецького enthalpo - «нагріваю» і був введений у 1909 р. Камерлінг-Оннесом.

Значення ентальпій для різних парів і газів наведено в довідковій літературі. Оскільки в теплотехніці багато теплових процесів відбувається за постійних тисків (котли, холодильні установки, теплообмінники), то, користуючись значеннями ентальпії, теплові розрахунки можна значно спростити. Ентальпія широко використовується в графічних методах дослідження термодинамічних процесів і циклів.

15. Ізохорний процес

Процеси, що протікають в теплових двигунах, залежно від їх характеру об'єднуються в наступні групи:

I. - ізохорні

II. - ізобарні

III. - ізотермічні

IV. , - адіабатні

V. - політропні

Ізохорний процес - це процес, що протікає при незмінному об'ємі. Рівняння процесу - .

Размещено на http://www.allbest.ru



Співвідношення змінних параметрів:

, , ,

Робота у процесі:

, ,

Тепло у процесі:

,

Зміна внутрішньої енергії:

16. Ізобарний процесс

Ізобарний процес - це процес, який протікає при постійному тиску. Рівняння процесу -



Співвідношення змінних параметрів:

, , ,

Робота у процесі:

, ,

Тепло у процесі: ,

Зміна внутрішньої енергії:

17. Ізотермічний процес

Ізотермічними називають процеси, що протікають при постійній температурі. Рівняння процесу - .

- співвідношення змінних параметрів.

Графічне зображення процесу:

Размещено на http://www.allbest.ru

У P-V координатах ізотермічний процес зображується рівнобокою параболою.

Робота у процесі:

, ,

, ,

Тепло у процесі:

Внутрішня енергія у процесі:

Чудовою властивістю цього процесу є те, що все тепло йде на здійснення роботи: . У реальних умовах цей процес нездійсненний, але він використовується для оцінки ефективності l компресорної установки, оскільки в цьому випадку компресор споживає min l для стиснення газу.

18. Адіабатний процес

Адіабатними називаються процеси, що протікають без теплообміну з навколишнім середовищем.Необхідні і достатні умови для здійснення цього процесу: ,

Ці процеси можливі за наявності теплової ізоляції процесу або при високій швидкості його протікання. У всіх теплових двигунах корисна робота виходить при адіабатному розширенні робочого тіла. Співвідношення змінних параметрів:

, ,

, , ,

,

,

,

- рівняння адіабатного процесу.

,

, ,

, ,

,

Размещено на http://www.allbest.ru

Графічне зображення процесу:

Адіабатний процес в P-V координатах зображується не рівнобокою гіперболою, а крутіше за ізотерму.

Робота в процесі:

,

,

Зміна внутрішньої енергії:

19. Політропний процесс

Політропними називають процеси, які підкоряються рівнянню , де n - показник політропного процесу.

Політропні процеси є узагальненими. Вони включають всі термодинамічні процеси, у тому числі і ті, що розглядалися.

1) , , - ізохорний процес;

2) , , - термічний процес;

3) , , - ізобарний процес;

4) , , , - адіабатний процес.

Співвідношення змінних параметрів: Оскільки рівняння політропного та адіабатного процесів по структурі однакові, то формули співвідношення змінних параметрів адіабатного процесу приймають в політропному при заміні K на n.

, ,

Размещено на http://www.allbest.ru

Робота у процесі:

Формулу роботи адіабатного процесу приймають в політропному при заміні K на n.

,

Тепло в процесі:

,

Теплоємність політропного процесу:

, ,

Теплоємність політропного процесу може приймати “-” значення при n<K.

Зміна внутрішньої енергії:

20. Коловий процесс

Размещено на http://www.allbest.ru

В процесі розширення 1а2 здійснюється робота: .

Робоче тіло повертається в початковий стан процесом стиснення 2b1 на здійснення якої витрачається .

Корисна робота в циклі: .

Корисне тепло: .

Для кругового процесу: 1а2b1.

,

- завжди в циклі.

Все корисне тепло йде на здійснення корисної роботи.

Круговим процесом або циклом називається сукупність 2-х або декількох процесів, що повертають робоче тіло в початковий стан.

Ступінь термодинамічної досконалості циклу або його термічне ККД визначається як відношення корисної теплоти до витраченої:

Цикли бувають прямими і зворотними; оборотними і необоротними.

Прямими називаються цикли, в яких процеси протікають за годинниковою стрілкою. Причому процеси розширення розташовуються над процесами стиснення, і , здійснюється за рахунок теплоти, що підводиться.

По цих циклах працюють всі теплові двигуни.

Размещено на http://www.allbest.ru

Зворотними називаються цикли, в яких процеси йдуть проти годинникової стрілки і процеси розширення розташовуються під процесами стиснення, , здійснюється зовнішнім приводним двигуном.

По цих циклах працюють холодильні установки і теплові насоси.

Оборотними називаються цикли, що складаються з оборотних процесів.

Безповоротність одного процесу в циклі робить цикл повністю необоротним.

21. Загальні властивості циклів

I. Властивість оборотного циклу Карно:

термодинамічний процес енергія ексергія

,

знак “-”, оскільки q₂ - тепло, що відводиться.

- приведена теплота

Для оборотного циклу Карно ? приведених теплот завжди дорівнює 0.

II. Властивість довільного оборотного циклу:

Размещено на http://www.allbest.ru

Досліджуваний цикл 1a2b1 розбиваємо еквідистантними адіабатами на частини, обмеживши частини ізотермами. Отримуємо n-у кількість циклів, вписаних в досліджуваний цикл.

Для кожного циклу Карно , тоді для циклу, обмеженого ламаною:

Для циклу 1a2b1 - для будь-якого оборотного циклу від приведених теплот рівний 0.

ІІІ. Властивість необоротного циклу Карно:

Із-за тертя і втрат термічного оборотного циклу > термічного необоротного.

,

, ,

Для необоротного циклу Карно ? приведених теплот завжди величина від'ємна.

ІV. Властивості довільного необоротного циклу:

Ґрунтуючись на виведенні властивості довільного оборотного циклу і враховуючи властивості необоротного циклу Карно, отримаємо для будь-якого необоротного циклу:

Для будь-якого необоротного циклу від приведених теплот - величина від'ємна.

22. Цикл Карно

Цикл Карно є ідеальним циклом теплових двигунів.

Размещено на http://www.allbest.ru

Цикл Карно складається з двох ізотерм AB і CD, і двох адіабат BC і DA. (dq=0)

У ізотермічному процесі AB при підводі теплоти q₁ температура , у точці B припиняється нагрів робочого тіла, але його розширення продовжується адіабатним процесом BC, при здійсненні якого зменшується ДU, отже, зменшується температура до T₂.

У ізотермічному процесі CD робоче тіло охолоджується при відведенні теплоти q₂, а температура = T₂. Цикл замикається адіабатним процесом стиснення DA, де температура росте від T₂ до T₁.

; BC:

; DA:

, ,

Властивості термічного ККД циклу Карно

1) ,

2) , , ,

3) не залежить від природи робочого тіла.

4) для збільшення необхідно підвищувати і зменшувати .



23. Ентропія, змінення ентропії при необоротних процесах

Зміна ентропії в оборотному процесі:

З математики відомо, що якщо , то підінтегральній вираз є повний диференціал функції. Позначимо функцію S - ентропія.

,

Зміна ентропії в необоротних процесах:

Размещено на http://www.allbest.ru

У цьому циклі процес 1a2 необоротний, отже цикл також необоротний і для нього

Для оборотного процесу 2b1:

, ,



Для будь-якого процесу

,

знак “=”: оборотні процеси

знак “>”: необоротні процеси

- інтеграл Клазіуса

Ентропія є параметром, що визначає стан робочого тіла. Як і всі параметри, вона не залежить від характеру процесу.

1 кг: S, m кг:

,

Ентропія “умовної” ізольованої системи:

Якщо між тілами або групами тіл в якийсь момент протікають найбільш інтенсивні теплові процеси, то їх можна вважати “умовно” ізольованими від інших тіл.

Якщо в системі протікають оборотні процеси, то

;

,

В цьому випадку ентропія не змінюється.

Якщо в системі протікають необоротні процеси, то

;

Тобто в реальних процесах ентропія може тільки зростати.

Ентропія вводиться для визначення напряму і тривалості протікання реальних процесів.

Енергія є першоосновою існування Всесвіту і всього, що в ньому є. Тобто енергія - джерело всіх живих сил у всесвіті.

Ентропію можна назвати тінню енергії, оскільки в будь-якій системі, якщо відбуваються якісь зміни енергії, обов'язково змінюється і ентропія. Вона прагне зменшити, а іноді і знищити все те, що створене енергією.

Якщо кількість енергії постійна, то кількість ентропії весь час збільшується. При цьому відбувається деградація енергії, зменшується її цінність.

Поняття “енергії” раніше не було відоме вченим, але в дослідженнях вони використовували те, що ми зараз включаємо в поняття енергії, не вникаючи в суть цього поняття і не знаючи його властивостей. Вперше термін “енергія” в 1807 році використав англійський учений Юнг і застосував до живої сили. А в 1829 році він уточнив поняття “Живої сили”.

m - маса, W - швидкість

Визначення поняття енергії стало можливим після обґрунтування закону збереження енергії.

Вперше чітке визначення поняття енергії дав англійський учений лорд Кельвін.

“Енергія матеріальної системи в якому-небудь стані являє собою зміряну в одиницях роботи суму всіх дій, які проводяться поза системою під час переходу її з первинного стану в довільно вибраний за “0” стан”.

Енгельс дав наступне формулювання: “Енергія - це міра різних форм руху матерії”.

Поняття ентропії було введене в 1865 році німецьким вченим Клаузіусом.

Ентропія: “ен” - “в”, “тропос” - ”зміна”.

При виборі назви Клаузіус орієнтувався на назву “енергія”, оскільки обидва ці поняття мають багато загального у фізичному сенсі.

Ентропія і енергія є фізичними станами робочого тіла, а тепло, в якому перетворюється енергія, є функцією процесу.

Больцман встановив залежність між S і вірогідністю термодинамічної системи. Стан термодинамічної системи може бути заданий з одного боку макроскопічними величинами (P і T), з іншого боку - цей же стан може бути заданий цілим рядом мікро величин, тобто розподілом молекул за швидкостями і енергіями.

При мимовільному переході робочого тіла в інший стан до вірогідного розподілу молекул за швидкостями і енергіями додаються нові стани розподілу, тобто вірогідність системи зростає і S збільшується.

На підставі виразу видно, що при збільшенні вірогідності системи P зростає і S.

Тобто S є мірою вірогідного стану термодинамічної системи і збільшується при переході від менш вірогідного стану до більш вірогідного.

Ентропію використовують для визначення безладу в будь-якій системі.

Безлад найбільш вірогідний, ніж порядок. Тому за початок відліку ентропії будь-якої системи можна прийняти стан max безладу цієї системи.

Із збільшенням порядку в системі S зменшується, тому при охолодженні газу і перетворенні його в рідину наступає великий порядок, а при перетворенні рідини на тверде тіло в процесі охолоджування ще більший порядок. Це дозволило німецькому фізикові-хімікові Нернсту прийти до висновку, що при наближенні температури до абсолютного “0”, ентропія тіла також прагне до “0”.

Розрізняють S теплову, структурну і інформаційну.

Структурна S є мірою невпорядкування будови системи.

Завдання інформації - відповідати на питання: “що?”, ”де?”, ”коли?”.

Будь-яка система може бути охарактеризована нескінченною кількістю властивостей. Отже, інформація про неї буде нескінченно велика, але цінність інформації полягає не в її кількості, а в можливості використання її в конкретних цілях.

Нескінченна кількість інформації створює труднощі для її переробки і передачі. В даний час існує лише формальна математична теорія передачі інформації. В основі інформації лежить енерго-ентропійная теорія, оскільки S є мірою недостачі інформації.

З іншого боку існує зв'язок між S і кібернетикою (наука про управління та зв'язок), а управління - сукупність процесів збору, обробки, перетворення і передачі інформації для здійснення цілеспрямованих дій.

Будь-яка система, що здійснює ці процеси, називається кібернетичною машиною. У початковому стані машина повна невизначеності і її S велика, в міру L машини і надходження в неї інформації, S зменшується; і якщо S при роботі машини залишається незмінною або починає зростати, це свідчить про деградацію машини.

Реакційна суть теорії “теплової смерті” Всесвіту Німецький вчений Клаузіус, ввівши поняття “ентропії” в другій половині 19 сторіччя, ґрунтуючись на принципі зростання ентропії в необоротних процесах , прийшов до неправильного висновку про можливу теплову смерть Всесвіту. В умовах Землі всі процеси протікають із зростанням ентропії, але у Всесвіті існують процеси, що компенсують зростання ентропії на нашій планеті, тому теплова смерть Всесвіту ніколи не може наступити.



24. Математичний вираз ІІ закону термодинаміки

25. Ефективність перетворення енергії різних видів

Метод оцінки теплових двигунів за допомогою ККД

Існуючий метод оцінки енергоперетворюючих установок за допомогою ККД не завжди є перспективним, тобто відображає реальні умови перетворення різних форм енергії і неперспективність цих процесів. Більшість вживаних ККД засновані на кількісній оцінці перетворення енергії, тобто на I законі термодинаміки.

будь-якого теплового двигуна оцінює тільки зовнішні умови його роботи і не враховує ступінь безповоротності процесів, що протікають в двигуні. Для аналізу роботи внутрішніх частин установок вводиться цілий ряд додаткових ККД:

механічний ККД:

електричний ККД:

відносно ефективний ККД:

тепловий внутрішній ККД:

В більшості випадків ці не можна зв'язати в єдину систему, що ускладнює аналіз роботи двигуна. Окрім того ККД не враховують якість використовуваної і отримуваної енергії, цінність якої визначається видом енергії і параметрами робочого тіла.

Метод ККД не враховує ступінь безповоротності процесів в енергоперетворюючих установках.

Працездатність системи. Втрата працездатності

Будь-яка ізольована система здатна зробити L тільки в тому випадку, якщо вона знаходиться в механічному або термічному нерівноважному стані з навколишнім середовищем.

Якщо робоче тіло в ізольованій системі має тиск вище, ніж тиск навколишнього середовища, то система знаходиться в механічно нерівноважному стані і l може бути отримана за рахунок розширення робочого тіла. Якщо робочі тіла, що входять в ізольовану систему, мають неоднакові температури, але однаковий з навколишнім середовищем тиск, то система знаходиться в термічному нерівноважному стані. В цьому випадку тепло може передаватися від робочого тіла з більшою температурою до робочого тіла з меншою температурою і до навколишнього середовища без здійснення роботи - йде теплообмін між тілами.

В процесі здійснення l або теплообміну система все ближче підходить до стану рівноваги. Максимальна робота може бути отримана, якщо в системі протікають оборотні процеси і зокрема адіабатний і ізотермічний.

Важливо знати яку корисну і max корисну роботу може дати нам та або інша система в тому або іншому стані.

Розглянемо термодинамічну систему, що складається з робочого тіла і навколишнього середовища. Причому параметри робочого тіла , не рівні параметрам навколишнього середовища (, вважаємо незмінними в процесі здійснення роботи в системі).

- початкове значення внутрішньої енергії системи

- кінцеве значення ; - навколишнє середовище ; - робоче тіло

Оскільки внутрішня енергія володіє властивостями адиктивності, то:

В ізольованій системі l здійснюється за рахунок зміни внутрішній енергії:

Замінимо:

Усередині системи робоче тіло може віддавати тепло навколишньому середовищу і може здійснюватися l по витісненню робочого тіла в навколишнє середовище (-l).

По I закону термодинаміки:

, ,

,

, ,

- необоротний процес

Ця формула є корисною роботою, отриманою в системі, тобто саме тою, яку можна використовувати надалі, оскільки із загальної кількості роботи вже відняли роботу, витрачену на видалення відпрацьованого робочого тіла, яке ми використовувати не можемо.

Ця формула використовується в тому випадку, якщо в системі протікають необоротні процеси, при здійсненні яких ентропія зростає.

Для того, щоб використовувати отриманий вираз для визначення роботи у разі протікання в системі оборотних процесів, треба врахувати, що в ізольованій системі , тобто зменшення S робочого тіла рівне збільшенню S навколишнього середовища.

- оборотний процес.

У даному виразі є роботою адіабатного процесу, а - роботою ізотермічного процесу.

Втрату роботи (працездатності системи) унаслідок того, що дійсні процеси необоротні отримаємо, віднімаючи ;

Дозволяє оцінити втрату працездатності системи унаслідок безповоротності процесів, що протікають в ній.

А безповоротність пропорційна зростанню ентропії.

Найбільше практичне застосування має працездатність джерела теплоти:

- що підводиться

З виразу видно, що чим менше відношення , тобто чим вище температура джерела теплоти , тим більшу l можемо отримати за рахунок теплоти . Під працездатністю джерела теплоти розуміють ту роботу, яку можна отримати в тепловому двигуні, підводячи тепло до досягнення рівноваги з навколишнім середовищем.

отримують по досягненню рівноваги між робочим тілом і навколишнім середовищем, і тоді кінцеві параметри робочого тіла рівні параметрам навколишнього середовища.

,

26. Ексергія і енергія

Науковий підхід до аналізу всіх енергетичних перетворень в промисловості, сільському господарстві і побуті необхідний для проведення енергозберігаючої політики. Цей аналіз повинен починатися з первинних енергетичних ресурсів і закінчуватися використанням вторинних енергетичних ресурсів і відходів виробництва з урахуванням їх екологічної дії. Базою такого аналізу є технічна термодинаміка.

З метою розробки компактного і наочного методу оцінки енергоперетворень, починаючи з 60-х років нашого сторіччя в термодинаміці виділився в самостійний розділ метод, що отримав назву ексергетичний.

Ексергія є придатністю енергії до подальшого використання в будь-яких конкретних умовах.

Ексергетичний метод дозволив знайти і виявити зв'язок термодинамічних характеристик об'єктів з їх економічними, а в даний час і екологічними. І на підставі цих зв'язків розроблений метод, що дозволяє в кожній конкретній установці або в її вузлах знайти (оцінити) втрати працездатності системи, тобто втрати ексергії. На основі цього розробити низку конкретних заходів, що знижують ці втрати.

На виробництві поняття “ексергії” практично не використовується. Причиною цього є недостатня інформованість інженерних працівників і те, що до останнього часу методики, що дозволяють використовувати цей метод на практиці, не були доведені до завершального етапу. Відсутність ексергетичного мислення у практиків гальмує рух до скорочення енергоємності і матеріаломісткості вироблюваної продукції.

Ексергія введена в 1956 році вченим Рантом. Коли Рант вводив визначення:

e (грецьке слово) > “эр” - ”робота”, “екс” - ”із, ззовні”

Ексергія є вужчим поняттям в порівнянні з енергією, вона відображає тільки превратимість енергії з метою подальшого використання.

Порівняння властивостей енергії і ексергії

Енергія	Ексергія
1. Не залежить від стану навколишнього середовища, але істотно залежить від властивостей матеріалу тіла (від його параметрів).	1. Залежить від параметрів робочого тіла і залежить від параметрів навколишнього середовища.
2. Не може бути рівне 0 і чисельно визначається по формулі ().	2. Може приймати 0 значення (наприклад, в стані рівноваги з навколишнім середовищем).
3. Підкоряється закону збереження енергії.	3. Підкоряється закону збереження енергії тільки для рівноважних процесів і не підкоряється для реальних нерівноважних.
4. Превратимість різних форм енергії обмежена по умові II закону термодинаміки.	4. Не обмежена умовами II закону термодинаміки.

I закон термодинаміки дав можливість оцінити тільки кількісну сторону енергоперетворень, а ексергетичний метод, що використовує I і II закони термодинаміки дав можливість оцінити кількісну і якісну сторону енергоперетворень.

Всі види енергії по ступеню і превратимості в інші ділять на:

1) повністю превратимі (механічна робота за винятком роботи виштовхування, електрична енергія, ядерна енергія);

2) частково превратимі (внутрішня енергія робочого тіла і теплота);

3) непревратимі (внутрішня енергія навколишнього середовища).

Повністю превратимі види енергії - це ексергия.

“Використання”, “споживання”, “передача”, - ці терміни не застосовні до розуміння енергії і повністю виправдані для поняття ексергія.

Найчастіше використовують поняття “Ексергія робочого тіла” (за наявності носія ексергії) і “ексергія теплоти”.

e - 1 кг, E - m кг, Дж

, , (без індексу: e - звичайне тіло)

- втрата e, обумовлена безповоротністю процесу - анергія.

- не може бути перетворена на інші види і є втратою e або та частина енергії, яка не за яких умов не може бути корисно використана.

Енергія = Ексергія + Анергія

Енергія є сумою превратимої частини (e) і непревратимої ні за яких обставин - анергії. Кожен з доданків правої частини може приймати значення рівне 0 за конкретних умов, наприклад:

Якщо використовується електрична енергія, то анергія рівна 0.

Внутрішня енергія і тепло при параметрах навколишнього середовища мають .

Ексергетичний метод не є універсальним, він не застосовний до тих установок, для яких I і II закон термодинаміки не застосовні. Це чисто механічні установки, електричні і електронні. Основу промисловості складають енергетичні технологічні установки, призначені для перетворення потоку енергії і речовини.

Потік енергії перетвориться в установках на теплових електростанціях, тепломасозмінних установках, в теплонасосах, холодильних, криогенних установках...

Цей величезний круг питань може вирішуватися за допомогою e, оскільки незалежно від виду виробництва в них працюють одні і ті ж блоки і установки, в яких протікають однакові процеси: теплообмінники, печі, реактори, установки змішувачів і тому подібне.

27. Ексергетичний баланс

Размещено на http://www.allbest.ru

необоротний (>), оборотний (=)

Будь-яку термодинамічну систему (установку або її вузли) можна представити на схемах у вигляді прямокутних контурів, які називаються термодинамічними ящиками.

Ефективність роботи можна оцінити абсолютними і відносними ексергетичними величинами.

Наприклад, ексергетичний ККД:

Дуже зручно і наочно можна представити ексергію.

Баланс будь-якої установки графічно у вигляді ексергетичної діаграми.

На вході потік E прийнятий за 100%, а на виході за винятком втрат на різних частини установки.

Размещено на http://www.allbest.ru

28. Умови рівноваги термодинамічної системи

29. Рівняння Максвела

30. Диференціальне рівняння стану термодинамічної системи

31. Диференціальне рівняння внутрішньої енергії, ентальпії і ентропії

32. Термодинамічні потенціали

33. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса

34. Основні особливості реальних тіл

В ідеальних газах силами взаємодії між молекулами і їхніми власними об'ємами нехтують. За певних умов ці допущення цілком задовольняють вимоги практичних задач, але за високих тисків властивості реальних газів значно відрізняються від ідеальних і їх неможливо описати за допомогою рівняння стану ідеальних газів. Чим більша густина газів, тим більші відхилення. Це свідчить про те, що в таких випадках слід враховувати власний об'єм і сили взаємодії між молекулами, які можуть спричинити асоціацію або дисоціацію молекул, що суттєво впливає на властивості газів.

Наявність власного об'єму має привести до зменшення стиснення реального газу порівняно з ідеальним, оскільки зменшується вільний об'єм між молекулами. Але наявність сил міжмолекулярного притягання і відштовхування значно ускладнюють поведінку реальних газів.

35. Рівняння стану реальних газів

З цілого переліку запропонованих рівнянь стану реального газу найясніше відображає фізичний сенс цих газів рівняння Ван-дер-Ваальса:

- величина, що враховує сили зчеплення між молекулами, які знаходяться в зворотній залежності від питомого об'єму.

Сили зчеплення прагнуть утримати молекули на певній відстані, і в цьому випадку кількість ударів молекул об стінки посудини збільшується, тому сили зчеплення плюсуються до абсолютного P.

b - характеризує об'єм молекул і об'єм сфер, які утворюються навколо кожної молекули.Реальна зміна об'єму V зменшується на величину b.

36. Процеси утворення водяної пари

Водяна пара близька до стану насичення.

Размещено на http://www.allbest.ru

Стан водяної пари в Р-V координатах починається з т.1. Нагріваємо воду в закритому просторі до кипіння, а Т і V збільшується; Р = const. Процес нагрівання води до кипіння - 1-2. При нагріванні киплячої води з неї, долаючи сили поверхневого натягнення, вилітають молекули що мають значно більший V. Під Р цих молекул поршень піднімається утворюючи простір між ними.

Н₂О - ті ж молекули пари, але що значно більшу швидкість руху. У міру нагрівання киплячої води, все більше число молекул пари вилітають в паровий простір з води, але разом з тим частина молекул пари, що втратила V, за рахунок зіткнення один з одним, повертаються в загальну масу води (конденсуються). У якийсь Дt в паровому просторі знаходитиметься max можлива кількість молекул пари. Така пара називається насиченою.

При повному випаровуванні води отримують суху насичену пару. Якщо ж в цій парі крапельки води в повітряному стані, то пара - волога насичена.

Ваговий зміст сухої пари в 1 т. насиченого називається степенем сухості (Х). Для води Х=0. Для сухого насиченого Х=1. Процес паротворення йде при Р і Т = const з підведенням Q. Процес конденсації також Р і Т = const, але з відведенням Q. При нагріванні сухої насиченої пари Р = const, Т підвищується і отримуємо перегріту пару (3-4).

Розглянемо процес паротворення при 1Р? > Р. При цьому т.1 піднімається по відношенню до осі V на ДP. Залишаючись на відстані V ₀ від Р. При збільшенні Р, V зменшується і 3? переміститься лівіше 3.

Лінія ІІ - це нижня гранична крива.

Лінія ІІІ розділяє область насиченої пари і перегрітої пари - це верхня гранична крива.

При подальшому збільшенні Р лінії ІІ і ІІІ зійдуться в т. К Ця точка називається критичною.

Властивості речовини при параметрах К

· Немає різниці між агрегатним станом води і пари.

· Вода переходить в пару без підведення Q, і пара переходить у воду без відведення Q.

· Параметри пари ^ К називаються надкритичні.

К для води:

Р_кр = 225 бар = 22,5 МПа

t_кр = 374єС

V_кр = 0,03 м³/кг

37. Т-S i I-S діаграми водяної пари

Т-Ѕ діаграми водяної пари

Размещено на http://www.allbest.ru

Розглянемо термодинамічні процеси в Т-S координатах.



I. Адіабатний процес:

Размещено на http://www.allbest.ru

,

Інакше цей процес називається ізоентропійним.

II. Ізотермічний процес:

Размещено на http://www.allbest.ru

,

III. Ізохорний процес:



Размещено на http://www.allbest.ru

,

,

,

У T-S діаграмі ізохорний процес зображається логарифмічною прямою.

IV. Ізобарний процес:

,

,

,

Размещено на http://www.allbest.ru

Ізобарний процес в T-S координатах зображається логарифмічною кривою, що йде пологіше ізохори.

V. Політропний процес:

Размещено на http://www.allbest.ru

З іншого боку:

,

VI. Цикл Карно в T-S координатах:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

З графічного зображення циклу Карно в T-S координатах видно, що цей цикл дійсно має в заданому інтервалі температур max значення термічного ККД в порівнянні з ККД будь-якого іншого циклу, здійснюваного в тому ж інтервалі температур, оскільки S прямокутника завжди більш ніж S будь-якої іншої фігури, вписаної в прямокутник.

38. Термодинамічні процеси водяної пари

39. Суміші ідеальних газів. Закон Дальтона

У більшості теплових двигунів і теплогенеруючих установок робочими тілами є продукти згорання, що є сумішшю газів.

Розглядається механічна суміш, тобто така, в якій хімічні реакції між окремими газами, що називаються компонентами, не протікають.

До кожного компоненту суміші, і до суміші в цілому, застосовне рівняння стану ідеального газу. Компоненти в суміші поводяться незалежно один від одного і P молекул конкретного компоненту на стінки посудини при V і T суміші називають його парціальним тиском.

На основі законів Дальтона:

Компоненти, що входять в суміш задаються масовими і об'ємними долями. Масові долі компоненту позначаються:

- відношення маси g компоненту до маси сили m.

; ;

Об'ємні долі:

V_i - приведений або парціальний об'єм компоненту, що є об'ємом довільного компоненту при тиску і температурі суміші.

- на основі закону Бойля-Маріотта

; ;

; ;

Взаємозв'язок між масовими і об'ємними долями:

; ;

Размещено на Allbest.ru