Основные термодинамические процессы с водяным паром

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Техническая термодинамика. Основные понятия и определения

Техническая термодинамика - это наука о взаимных превращениях энергии, рассматривает закономерности превращения теплоты в работу.

Техническая термодинамика базируется на 3^х основных законах.

I закон устанавливает количественное соотношение между теплотой и работой: Теплота подведенная к рабочему телу расходуется на изменение внутренней энергии этой системы и совершение работы против внешних сил.

II закон отражает качественную сторону явления превращения (передачи) энергии. Невозможно создать вечный двигатель, в котором бы вся подведенная к рабочему телу теплота превратилась бы в полезную работу, часть теплоты необходимо отдать нижнему источнику (холодильнику, теплоприемнику). Вторая формулировка: теплота самопроизвольно всегда передается от более нагретых тел к менее нагретым, для передачи теплоты наоборот от холодного к горячему необходимо затратить энергию извне.

III закон (тепловая теорема Нернста). Абсолютный ноль недостижим.

Рабочее тело - это вещество, которое участвует в процессе совершения работы, в термодинамическом процессе.

Термодинамический процесс - всякое изменение состояния рабочего тела.

Состояние рабочего тела характеризуется совокупностью физических величин, которые называются параметрами состояния рабочего тела.

В технической термодинамике различают основные и производные параметры состояния.

Основные параметры:

1.Абсолютное давление - полное давление, под которым находится рабочее тело, отсчитанное от нуля.

Измеряется в следующих величинах: Н/м² (Па)

1бар = 10⁵Па = 750мм рт.ст.

1ат = 1кГ/см² = 735,6мм рт.ст. = 10000мм в.ст.

1атм=760мм рт.ст.

Абсолютное давление может быть больше и меньше атмосферного (барометрического). Прибор, показывающий насколько абсолютное давление больше атмосферного называется манометр. Имея показания манометра можем вычислить абсолютное давление:

Р_абс=В + Р_м , (1)

В - атмосферное давление (барометрическое)

Р_м- показания манометра

Р_м= Р_абс- В , (1ґ)

Прибор, показывающий насколько абсолютное давление меньше атмосферного называется вакуумметр.

Р_абс=В - Р_в , (2)

В - атмосферное давление (барометрическое)

Р_в- показания вакуумметра

2.Температура - мера нагретости тела.

В настоящее время используются две шкалы: Цельсия и Кельвина, цена деления одинакова - градус, начала отсчета разные.

1⁰С=1К=град

Т = t + 273,15 , (3)

3.Удельный объем или плотность.

х [м³/кг] - объем, который занимает 1кг вещества.

с - плотность [кг/м³]

х=1/с , (4)

с=1/х , (4ґ)

Производные параметры состояния - это параметры состояния, которые являются функцией основных параметров состояния:

Внутренняя энергия, энтальпия, энтропия - u, h(i), s = ѓ(p,х,T).

газ идеальный энергия пар

Основное уравнение состояния идеального газа

Идеальный газ - это газ, у которого молекулы не взаимодействуют друг с другом и не имеют объема.

Основные параметры состояния идеального газа связаны между собой уравнением состояния. 1.Для единичной массы:

pх = RT , (5)

2.Для произвольной массы:

pv = mRT , (6)

3.Для моля газа:

pv_м = R_мT , (7)

pv = мRT , (7ґ)

v - полный объем, м³

v = хМm,

где m - масса, кг

v_м - объем одного моля, м³/моль

R - газовая постоянная конкретного газа, Дж/(кгМК), величина известна, если известна химическая формула газа.

R_м - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольМК), R_м=8314Дж/(мольМК)

Работа это форма обмена энергией между телами . Работа всегда с перемещением (видимая субстанция) . В случае механической работы обязательно имеет место изменение объема тела .

Для изображения работы используют PV диаграмму . Площадь под кривой процесса численно равна работе этого процесса .

Внутренняя энергия тела складывается из энергий поступательного и вращательного движения молекул, составляющих тело, энергии внутримолекулярных колебаний, потенциальной энергии сил сцепления между молекулами, внутримолекулярной энергии, внутриатомной энергии и внутриядерной энергии. То есть внутренняя энергия это сумма всех энергий, заключенных в данном теле.

Различают полную U (Дж) и удельную u (Дж/кг) внутреннюю энергию.

U=u*m

Получим формулу для расчета изменения внутренней энергии в процессах с идеальным газом (молекулы не имеют объема и не взаимодействуют).

Рассмотрим изохорный процесс (V=const)

Запишем уравнение I закона термодинамики: q=l+Дu

Теплота представляет собой такую форму передачи энергии , которая определяется либо непосредственно контактом между телами (теплопроводность , конвекция) либо лучистым переносом энергии . Происходит на микроуровне (невидимая субстанция), является мельчайшие частицы тела .

Реальные газы. Водяной пар

В теплотехнике рабочим телом является водяной пар - это реальный газ он не подчиняется уравнению состояния: PV? RT . В различных состояниях водяной пар описывается различными уравнениями.

Основные понятия и определения

Водяной пар - это пар полученный из воды путем испарения и кипения.

Испарение- это процесс парообразования, который протекает только с поверхности жидкости при любой температуре отличной от абсолютного нуля.

Кипение- это процесс парообразования, который происходит во всем объеме воды, при вполне определенной температуре соответствующему вполне определенному давлению. Это давление и температуру называют насыщение.

P_Н-T_Н между ними строгая взаимосвязь.

Эта зависимость P_Н и T_Н отражена: «Теплофизические свойства воды и водяного пара» (это таблицы)

Конденсация- процесс обратный парообразованию происходит при (T_Н=const P_Н=const) изобарно-изотермический процесс. Происходит с отводом теплоты r-скрытая температура парообразования (берется по таблицам) является ? (p_Н t_Н ) насыщения (Дж/ кг).

Водяные пары бывают насыщенные и ненасыщенные.

Насыщенные - это пар который находится в динамическом равновесии с жидкостью, из которой образовался.

Насыщенные>Влажный пар>P_Н . T_Н (Х);

где (Х) - степень сухости пара. >Сухой насыщенный пар> P_Н , T_Н .

0?(Х)?1. Величина равная 1-Х=Y -влажность пара. Если (Х)=0, то кипящая жидкость . (Х)=1 - сухой насыщенный пар.

Влажный пар- это смесь сухого пара мельчайших капелек воды, он имеет t_Н 0?Х?1.

Сухой насыщенный пар- когда испаряется последние капли воды из влажного пара , он становится сухим (Х)=1.

Перегретый пар -если сухой насыщенный пар продолжать нагревать, температура его будет возрастать (P=const). Пар имеющий температуру выше температуры насыщения, при P_Н .называется перегретым паром.

P_пе = P_н t_пе > t_н

Ненасыщенный пар - перегретый пар

Фазовые диаграммы водяного пара:

В лабораторных условиях были проведены замеры основных параметров пара и воды при нагреве и охлаждении. По результатам построены P.V и T.S диаграммы воды и водяного пара.



В диаграммах нижняя и верхняя пограничные кривые, которые разделяют критическую току К. (Х=0)- нижняя пограничная кривая на этой кривой имеем кипящую жидкость при P_Н , t_Н =const.

(Х=1) верхняя пограничная кривая на этой кривой имеем сухой насыщенный пар. (Р_н t_н ) К - критическая точка Р_кр =222 бар, t_кр =374.15° С. Это точка в которой жидкость переходит в газ мгновенно. Вся область диаграммы разделена этими кривыми.

Изобразим в этих диаграммах процесс получения перегретого пара из воды.

Все процессы : нагрев воды, кипение, парообразование, перегрев пара- изобарные.

(1)- жидкость при произвольной температуре отличной от нуля.

(1-2) -изобарный процесс нагрева воды до температуры насыщения или кипения.

(2)- кипящая жидкость.

(2-3)-изобарно-изотермический процесс парообразования, P_Н =const и t_Н=const/

(3)- сухой насыщенный пар.

(3-4)- изобарный процесс перегрева пара.

(4)- перегретый пар.

В области влажного пара изотерма и изобара совпадают. Изобразим в T,S координатах количество теплоты в каждом из перечисленных процессов.

Запишем это количество теплоты.

q=C_p ?t.

q^1-2_ж =С_{p вода}(t_нас-t)= C_{p вода} t_н=h'

C_p- теплоемкость воды (1 ккал/кг·град)

t_н-? (Р_н) . h'-энтальпия кипящей жидкости, берется по таблицам (аргумент Р_н или t_н)

С увеличением давления температура кипения увеличивается, это отражено в таблицах.

В процессе (2-3) q^2-3 носит название скрытая теплота парообразования r=q^2-3, берется по таблицам аргумент или Р_н или t_н.

q^3-4-теплота затраченная на перегрев q^3-4_п=С_{рm пара}(t_пр-t_н), где (C_pm)-удельная массовая средняя берется по таблицам.

q_вл=h'+r(x) количество теплоты на получение влажного пара определенной степени сухости.

h-s диаграмма (i.s) водяного пара

На практике расчеты выполняют с помощью таблиц и h-s диаграмм.

Изобразим h-s диаграмму:

Основные термодинамические процессы с водяным паром. Изображение в h-s диаграмме

Чтобы определить температуру влажного пара (h-s нет изотерм), необходимо подняться по соответствующей изобаре до Х=1 и посмотреть какая изотерма выходит из точки пересечения, это и есть искомая температура.

Опыт Эндрюса

Уже давно было известно, что некоторые вещества, находящиеся при комнатных температурах в газообразном состоянии, удается перевести в жидкое , путем повышения давления ,при постоянной температуре. Физика этого процесса (Т=const) давно ясна: вначале газ сжимается ; после того как давление Р_s, равного давлению насыщения этого газа при данной температуре Т, начинается конденсация газа. После того как процесс конденсации закончится (т.е весь газ превратится в жидкость), дальнейшее сжатие будет приводить к увеличению давления жидкости; при этом из-за малой сжимаемости жидкости значительное увеличение давления будет приводить к весьма малому уменьшению удельного объема.

Проведя эксперименты по изучению Р , Т,V.-диаграммы двуокиси углерода и измеряя зависимость v от р на разных изотермах, Эндрюс установил , что чем выше температура , при которой измеряется зависимость v от р , тем меньше разница между удельными объемами газообразной и жидкой фаз: с повышением температуры удельный объем сухого насыщенного пара v'' быстро уменьшается , а удельный объем насыщенной жидкости, т.е. жидкости имеющей температуру кипения v', увеличивается. Следовательно, с повышением температуры уменьшается разница между плотностями жидкой и газовой фаз.

Как видно из этого рисунка, с повышением температуры (и, следовательно, с повышением давления насыщения) длина горизонтального участка изотермы между точками v' и v'' уменьшается. Здесь м пунктиром соединены точки начала и конца процесса фазового перехода (т.е. v' и v'' v'' на разных изотермах -так называемая пограничная кривая).

Как показали дальнейшие исследования, с повышением температуры (давления) насыщения уменьшаются и значения теплоты парообразования.

Уравнение Ван-дер-Вальса

Несомненный интерес представляет собой вопрос об уравнении состояния реального газа. Одной из первых известных попыток в этой области была разработка голландским физиком Я. Ван-дер-Вальсом в 1873г. уравнения состояния реального газа. Уравнение Ван-дер-Вальса, полученное на основе, главным образом, умозрительных качественных заключений, имеет следующий вид:

(P+a/v²)(v- b)=RT

где a и b-константы, которые наряду с газовой постоянной характеризуют индивидуальные свойства вещества.

Величину b можно интерпретировать как объем, занимаемый собственно молекулами. Величина b считается постоянной, не зависящей от внешнего давления, а изменяющаяся часть удельного объема равна (v-b).

Ван-дер-Вальс на основе несложных молекулярно кинетических соображений показал, что силы взаимного притяжения, действующие между молекулами, обратно пропорционально квадрату удельного объема v; следовательно член a/v² учитывает взаимодействие молекул газа, данную величину можно рассматривать как внутреннее давление в газе.

Второй закон термодинамики

(1)

(2)

Знак “>” относится к необратимым процессам, а “=” - к обратимым.

Из (2)

Объединим уравнения первого и второго законов термодинамики

(4)

(5) для идеального газа

() для реального газа

(6) для идеального газа

Проиллюстрируем действие второго закона термодинамики на примере работы ТЭС.

Изобразим схему ТЭС

ПК - паровой котёл;

ПТ - паровая турбина;

ЦН - циркуляционный насос, подаёт охлаждающую воду в турбинный пучок конденсатора паровой турбины;

КН - конденсатный насос;

ПН - питательный насос, подаёт питательную воду в паровой котёл.

Подвод теплоты в цикле происходит в паровом котле, где происходит сжигание топлива. Отвод теплоты происходит в конденсаторе паровой турбины, где пар охлаждается, конденсируется. Теплота уносится охлаждающей водой из конденсатора. Наличие требует второй закон термодинамики. Разница подведённой теплоты превращается в работу в паровой турбине.

Термодинамическое совершенство ТЭС характеризуется термическим КПД.

,

При условии что .

Размещено на Allbest.ru