Законы и принципы термодинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Законы и принципы термодинамики



Содержание

1. Понятие термодинамической системы, классификация термодинамических систем

2.Параметры для описания состояния термодинамической системы процессов, их классификация

3. Понятие термодинамического процесса, виды термодинамических процессов, их определение

4. Понятие внутренней энергии, теплоты и работы

5. Формулировка первого закона термодинамики, его практическое использование

6. Виды энергии, их способность преобразования в другие формы и работу, классификация

7. Формулировка С.Карно 2-го закона термодинамики, его роль и практическое применение

8. Понятие энтропии. Формулировка 2-го закона термодинамики с использованием понятия энтропия

9. Понятие энтальпии, свободной энтальпии и свободной энергии

10. Понятие эксергии и анергии, представление различных форм энергии на их основе

11. Формулировка тепловой теоремы Нернста, её практическое значение и использование

12. Понятие идеального газа. Уравнение состояния идеального газа

13. Элементарные термодинамические процессы, их описание и изображение в различных координатах

14. Термодинамические циклы, их построение и практическое использование

15. Понятие теплоёмкости: удельная, истинная и средняя теплоемкость, их соотношения

16. Понятие температуры, формирование температурных шкал Цельсия и Фаренгейта

17. Абсолютные температурные шкалы, их формирование

18. Тепловой эффект химической реакции. Понятие стандартной теплоты образования вещества

19. Формулировка закона Гесса, его практическое значение и использование

20. Закон Кирхгофа о зависимости теплового эффекта реакции от температуры

21. Уравнение энергетического (теплового) баланса объекта. Расчет его составляющих

22. Анализ энергобаланса, задачи, решаемые на его основе

23. Уравнение полного энергетического баланса, расчет его составляющих

24. Понятие химической энергии и эксергии вещества

28. Органические топлива, их классификация, основные характеристики

29. Методы определения теплоты сгорания топлив. Жаропроизводительность топлива

30. Возобновляемые источники энергии, проблемы и перспективы их практического использования

32. Принципиальная схема и оборудование теплоэлектроцентрали

33. Принципиальная схема и оборудование газотурбинной электростанции

34. Принципиальная схема и оборудование парогазовых электростанций

35. Экологические проблемы тепловых электростанций на органическом топливе

36. Принципиальные схемы и оборудование атомных электростанций

37. Экологические проблемы атомных электростанций

38. Основное оборудование русловых гидроэлектростанций, их классификация

39. Особенности сооружения и работы деривационных гидроэлектростанций

40. Особенности сооружения и работы гидроаккумулирующих электростанций

41. Экологические проблемы ГЭС

42. Особенности сооружения и работы приливных электростанций

43. Схемы и основное оборудование для использования солнечной радиации с целью получения тепловой энергии разного потенциала

44. Схемы и основное оборудование для получения электроэнергии за счет солнечной радиации

45. Принципиальные схемы и оборудование для использования ветровой энергии

47. Трубопроводный транспорт топлив и энергии, масштабы и перспективы

термодинамическая энергия теплота идеальный газ



1. Понятие термодинамической системы, классификация термодинамических систем

Термодинамическая система -- это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Так же обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики.

Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде). Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.

2. Параметры для описания состояния термодинамической системы процессов, их классификация

Состояние системы определяется ее физическими и химическими свойствами (объем, давление, температура, химический состав, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и др.), которые подразделяются на параметры состояния и функции состояния.

Параметры состояния - свойства системы, выбранные в качестве независимых переменных. Функция состояния - величина, определяемая этими параметрами, однозначно характеризует систему и не зависит от пути ее перехода из одного состояния в другое. (если для 1 моля идеального газа параметрами состояния выбрать давление и температуру, то функцию состояния объем можно рассчитать по уравнению состояния Менделеева-Клапейрона РV=RТ).

Для описания термодинамической системы вводят так называемые термодинамические величины -- набор физических величин, значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются:

· температура

· давление

· объем

· внутренняя энергия

· энтропия

· энтальпия

· свободная энергия Гельмгольца

· энергия Гиббса

Если термодинамическое состояние системы не меняется со временем, то говорят, что система находится в состоянии равновесия. Строго говоря, термодинамические величины, приведённые выше, могут быть определены только в состоянии термодинамического равновесия.

ь Классическая(техническая термодин ,химическая термодин)

ь Неравновесная

ь Термодинамика Пригожина

Температура (от лат. temperatura -- надлежащее смешение, нормальное состояние) -- скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Давление (P) -- физическая величина, характеризующая состояние сплошной среды и численно равная силе , действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. В простейшем случае изотропной равновесной неподвижной среды давление не зависит от ориентации поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы Fn, действующей на малый элемент поверхности, к его площади:

Объём -- количественная характеристика пространства, занимаемого телом или веществом. Объём тела или вместимость сосуда определяется его формой и линейными размерами.

Внумтренняя энемргия тела (обозначается как E или U) -- полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Следовательно, внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии.

энтропии мера необратимого рассеивания энергии, мера отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых -- её изменение всегда положительно.

,

где dS -- приращение энтропии; дQ -- минимальная теплота подведенная к системе; T -- абсолютная температура процесса;

Энтальпия тепловая функция и теплосодержание -- термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц. Энтальпия или энергия расширенной системы Е равна сумме внутренней энергии газа U и потенциальной энергии поршня с грузом Eпот = pSx = pV

H = E = U + pV

энтальпия представляет собой сумму внутренней энергии тела и работы, которую необходимо затратить, чтобы тело объёмом V ввести в окружающую среду, имеющую давление р и находящуюся с телом в равновесном состоянии в процессе изменения состояния ДH = H2 ? H1

Изменение энтальпии не зависит от пути процесса, определяясь только начальным и конечным состоянием системы.

Свободная энергия Гельмгольца (или просто свободная энергия) -- термодинамический потенциал, убыль которого в квазистатическом изотермическом процессе равна работе, совершённой системой над внешними телами. Свободная энергия Гиббса (или просто энергия Гиббса, или потенциал Гиббса, или термодинамический потенциал в узком смысле) -- это термодинамический потенциал следующего вида:

Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т. д.)

3. Понятие термодинамического процесса, виды термодинамических процессов, их определение

Под термодинамическим процессом понимают последовательное изменение состояния рабочего тела. Термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, политропный. Изохорный процесс - такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику.

Изобарный процесс - термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе идеального газа.

Согласно закону Гей-Люссака, при изобарном процессе в идеальном газе .

Изотермический процесс -- термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре. Для осуществления изотермического процесса систему обычно помещают в термостат (массивное тело, находящееся в тепловом равновесии), теплопроводность которого велика, так что теплообмен с системой происходит достаточно быстро по сравнению со скоростью протекания процесса и температура системы в любой момент практически не отличается от температуры термостата.

Адиабатный процесс - это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой.

Политропным процессом называется любой произвольный процесс изменения состояния рабочего тела, происходящий при постоянной теплоёмкости.

4. Понятие внутренней энергии, теплоты и работы

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) -- полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого ипотенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Следовательно, внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотическогодвижения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии. Изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Теплота -- энергетическая характеристика процесса теплообмена, определяется количеством энергии, которое получает или отдает тело при теплообмене. Теплота измеряется в тех же единицах, что работа и энергия.

Теплота -- внутренняя энергия, которая самопроизвольно (без внешнего воздействия) переходит от тел более нагретых к телам менее нагретым путем теплопроводности или лучеиспускания.

работа, совершенная газом (работа совершенная над газом), рассчитывается как интеграл давления по объёму:

Величина работы зависит от пути, по которому термодинамическая система переходит из состояния 1 в состояние 2, и не является функцией состояния системы.

5. Формулировка первого закона термодинамики, его практическое использование

Первое начало термодинамики -- один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.



dU = дQ ? дA + мdN + дA'.

Разделение работы на две части, одна из которых описывает работу, совершённую над системой, а вторая -- работу, совершённую самой системой, подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.

Практическое применение: решение задач:

а) качественных- это задачи, в которых количественные характеристики отсутствуют вообще, или они носят вспомогательный характер.

Существуют различные типы качественных задач:

1. Объяснение наблюдаемых или описанных явлений;

2. Распознавание веществ, доказательство их качественного состава.

3. Разделение смесей, очистка от примесей.

4. Получение веществ.

5. Отнесение веществ или явлений к определенным типам и классам, классификация.

б) количественных-это такие задачи, в которых ответ на поставленный вопрос не может быть получен без вычислений. При решении количественных задач качественный анализ также необходим, но он дополняется еще и количественным анализом с подсчетом тех или иных количественных характеристик процесса.

6. Виды энергии, их способность преобразования в другие формы и работу, классификация

Энергия - это мера возможности совершить работу. скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется во времени.

Виды:

1 Кинетическая-энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергиюпоступательного и вращательного движения. Единица измерения в системе СИ -- Джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия -- часть полной энергии, обусловленнаядвижением.

2 Потенциальная-скалярная физическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идет на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счет работы сил поля. Другое определение: потенциальная энергия -- это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы.

3 Электромагнитная

4 Гравитационная-потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением.

5 Ядерная-это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

6 Внутренняя-это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы.

7 Химический потенциал-один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.

8 Энергия взрыва- физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

1. Тепловая энергия (горячая пища, тепло систем отопления в современной квартире, или тепло печки в деревенском доме) 2. Электрическая энергия 3. Механическая энергия (потенциальная+кинетическая) Первым, используемым человеком, преобразователем энергии можно считать парус - использование энергии ветра для перемещения по воде, дальнейшие развитее, это использование ветра и воды в ветряных и водяных мельницах. Паровые машины на фабриках и заводах резко увеличили производительность труда. Паровозы и теплоходы сделали перевозки по суше и морю более быстрыми и дешевыми. Широкое внедрение электрических машин, двигателей превращающих электрическую энергию в механическую и генераторов для производства электроэнергии из механической энергии, ознаменовало собой новый скачёк в развитии техники. Появилась возможность передавать энергию на большие расстояния в виде электроэнергии, родилась целая отрасль промышленности энергетика.

7. Формулировка С. Карно 2-го закона термодинамики, его роль и практическое применение

В 1824 г. С.Карно впервые рассмотрел обратимый термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл представляет собой замкнутый процесс, совершаемый рабочим телом в идеальной тепловой машине при наличии двух истопников теплоты: нагревателя (горячего источника) с температурой T1 и холодильника (холодного источника) с температурой T2 Цикл Карно вpv-диаграмме



Процессы 1--2 и 3--4 являются изотермическими, а 2--3 и 4--1 -- адиабатными. Начальная температура рабочего тела в цикле принимается равной температуре нагревателя T1. При изотермическом расширении от состояния 1 до состояния 2 рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1 при температуре T1. На участке 2--3 рабочее тело адиабатно расширяется. При этом температура рабочего тела понижается от T1 до T2, а давление падает от p2 доp3. При сжатии по изотерме 3--4 от рабочего тела отводится к холодильнику количество теплоты q2 при температуре T2. Дальнейшее сжатие по адиабате 4--1 приводит к повышению температуры рабочего тела от T2 до T1, а рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

Суммарная работа цикла lц графически изображается площадью 12341.

8. Понятие энтропии. Формулировка 2-го закона термодинамики с использованием понятия энтропия

Энтропия - мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике -- мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации -- мера неопределённости какого-либо опыта, который может иметь разные исходы, а значит и количество информации.

Энтропия - это функция состояния, то есть любому состоянию можно сопоставить вполне определенное значение энтропии.

Формулировка закона: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

2 закон определяет направление естественно происходящих физических явлений. В частности, это начало утверждает, что самопроизвольно только нагретое тело может передать энергию менее нагретому телу. Для количественного описания утверждений этого начала вводится новая величина - энтропия

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано. В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы невозможны.

9. Понятие энтальпии, свободной энтальпии и свободной энергии

Энтальпия - термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц. Изменение энтальпии не зависит от пути процесса, определяясь только начальным и конечным состоянием системы. Если система каким-либо путём возвращается в исходное состояние (круговой процесс), то изменение любого её параметра, являющегося функцией состояния, равно нулю, отсюда ДH = 0. Свободная энтальпия - один из потенциалов термодинамических системы. Обозначается G, определяется разностью между энтальпией H и произведением энтропии S на термодинамическую температуру Т:

ДтG = ДтH - T·ДтS.

Классическим определением свободной энтальпии является выражение:

G=U+PV-TS,

где U - внутренняя энергия, P - давление, V - объем, T - абсолютная температура, S - энтропия. Свободная энергия - термодинамический потенциал, убыль которого в квазистатическом изотермическом процессе равна работе, совершённой системой над внешними телами.



10. Понятие эксергии и анергии, представление различных форм энергии на их основе

Эксергия - часть энергии, равная максимальной полезной работе работа, которую может совершить термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергией иногда называется работоспособность системы. Использование понятия эксергии даёт возможность количественно определить влияние неравновесия термодинамических процессов наэффективность преобразования энергии, то есть позволяет вычислять особенности второго начала термодинамики: выделить ту часть энергии, которая не может быть использована из-за газодинамических явлений, трения, теплообмена. Такой подход даёт возможность анализировать степень термодинамической доскональности того или другого элемента установки и не требует предварительной оценки работоспособности всей установки в целом.

Анергия - это неработоспособная (технически непригодная, непревратимая) часть полной энергии системы.

11. Формулировка тепловой теоремы Нернста, её практическое значение и использование

Это физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю . Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных.

Третье начало термодинамики может быть сформулировано так:

«Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система». Третье начало термодинамики относится только к равновесным состояниям.

Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе первого и второго начал термодинамики). В классической термодинамике энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной S0, что не мешает термодинамическим исследованиям, так как реально измеряется разность энтропий (S0) в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики, при значение .

Значение принципа Нернста состоит в том, что зависимость энтропии реакции от температуры может быть выведена, согласно термодинамической теории, исключительно из данных по теплоемкости для отдельных участвующих в реакции веществ.

Это значит, что, если известно значение ?S? при какой-либо одной температуре (при T = 0 ?S? = 0), значения энтропии реакции при других температурах вычисляются исключительно из тепловых измерений. Аналогично этому, величина ?H? может быть получена из калориметрических данных путем непосредственного измерения теплоты данной реакции либо косвенно, путем измерения теплот других реакций и применения закона Гесса.

Следовательно, подстановка полученных значений ?H? и ?S? в уравнение (9) или (11) дает гиббсову энергию или константу химического равновесия исключительно из тепловых измерений. Это позволяет предвидеть направление и равновесное состояние химической реакции еще до того, как найден способ ее проведения.

Для практического применения третьего начала термодинамики требуются точные результаты измерений теплоемкости вплоть до самых низких доступных температур, желательно до температуры жидкого гелия (около 4 К).



12. Понятие идеального газа. Уравнение состояния идеального газа

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ - теоретическая модель газа, в которой пренебрегают размерами частиц газа, не учитывают силы взаимодействия между частицами газа, предполагая, что средняя кинетическая энергия частиц много больше энергии их взаимодействия, и считают, что столкновения частиц газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела;

б) газ очень разряжен, т.е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;

в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных. Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.

Уравнение состояния идеального газа -- формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

где

§ -- давление,

§ -- молярный объём,

§ -- универсальная газовая постоянная

§ -- абсолютная температура, К



13. Элементарные термодинамические процессы, их описание и изображение в различных координатах

ИЗОХОРНЫЙ: термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме.

Изохорный процесс может протекать с повышением давления (процесс 1-2) и с понижением (процесс 1-2'). Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты (см. рис. 4.1) или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику. При изохорном процессе выполняется условиеdv=0 или v=const. Уравнение изохорного процесса получим из уравнения состояния идеального газа (см. &1.6) при v=const. В pv-координатах график процесса представляет собой прямую линию, параллельную оси p.

Изобарный процесс (p=const) термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и постоянной массе идеального газа

В p-v координатах график процесса представляет собой прямую линию параллельную оси v (рис. 4.2). Изобарный процесс может протекать с увеличением объёма (процесс 1-2) и с уменьшением (процесс 1-2'). Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p·v1=R·T1; p·v2=R·T2.

Рис. График изобарного процессав p-v координатах

Следовательно, для изобарного процесса

Приращение внутренней энергии газа

Работа газа

.

Согласно закону Гей-Люссака, при изобарном процессе в идеальном газе



Работа, совершаемая газом при расширении или сжатии газа, равна

.

Количество теплоты, получаемое или отдаваемое газом, характеризуется изменением энтальпии:

.

Изотермический процесс (T=const) термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постояннойтемпературе.

В p-v координатах график процесса изображается равнобокой гиперболой (рис. 4.3). Изотермический процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2').

Приращение внутренней энергии газа



График изотермического процесса вp-v координатах

Работа газа.Теплота, подводимая в процессе

Изменение энтальпии газа Дi=Дu+Д(p·v)=0.

Изменение энтропии газа

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс - это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой (dq=0). Для получения графика процесса в p-vкоординатах выполним некоторые преобразования.

В p-v координатах адиабатный процесс изображается неравнобокой гиперболой vk·p=const(рис. 4.4). Так как k>1, то адиабата проходит круче гиперболы. Адиабатный процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2').

14. Термодинамические циклы, их построение и практическое использование

Термодинамический цикл - термодинамический процесс, в результате которого термодинамическая система после ряда изменений своего состояния возвращается в первоначальное состояние.

Цикл термодинамический, круговой процесс, осуществляемый термодинамической системой. Изучаемые в термодинамике циклы представляют собой сочетание различных термодинамических процессов, и в первую очередь изотермических, адиабатических, изобарических, изохорических. К Ц. т., исследование которых сыграло важную роль в разработке общих основ термодинамики и в развитии её технических приложений, относятся: Карно цикл (рис., а), цикл Клапейрона (рис., б), цикл Клаузиуса -- Ранкина (рис., в, см. Ранкина цикл) и ряд др. На основе подобных Ц. т. были детально изучены общие закономерности работы тепловых двигателей (внутреннего и внешнего сгорания, турбин), холодильных установок и т.п.



15. Понятие теплоёмкости: удельная, истинная и средняя теплоемкость, их соотношения

Теплоёмкость - физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты дQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры дT:

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

Удельная теплоёмкость (Удельная теплота нагревания на один градус, обозначается как c) вещества определяется как количество тепловой энергии, необходимой для повышения температуры одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Единицей СИ для удельной теплоёмкости является Джоуль на килограмм-Кельвин. Следовательно, удельную теплоёмкость можно рассматривать как теплоёмкость единицымассы вещества. На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C.

Формула расчёта удельной теплоёмкости: , где -- удельная теплоёмкость, -- количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении), -- масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества, -- разность конечной и начальной температур вещества.

16. Понятие температуры, формирование температурных шкал Цельсия и Фаренгейта

Температура - скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Шкала Цельсия

В технике, медицине, метеорологии и в быту используется шкала Цельсия, в которой температура тройной точки воды равна 0,01 °C, и следовательно точка замерзания воды при давлении в 1 атм равна 0 °C. В настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, t(°С) = Т(К) -- 273,15. Таким образом, точка кипения воды, изначально выбранная Цельсием, как реперная точка, равная 100 °C, утратила свое значение, и по современным оценкам температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении составляет около 99,975 °C.Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия -- особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия -- это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F -- 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

17. Абсолютные температурные шкалы, их формирование

Существуют абсолютные термодинамические температурные шкалы (шкала Кельвина) и различные эмпирические температурные шкалы, реализуемые при помощи свойств веществ, зависящих от температуры (тепловое расширение, изменение электрического сопротивления с температурой и др.)

Кельвин- Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры -- абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию. Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно ?273.15 °C. Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры -- кельвин (К).

Шкала Фаренгейта - В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия -- это 32 градуса Фаренгейта, а 100 градусов Цельсия -- 212 градуса Фаренгейта.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F -- 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724 году.

Шкала Реомюра - Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. Единица -- градус Реомюра (°Rй), 1 °Rй равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками -- температурой таяния льда (0 °Rй) и кипения воды (80 °Rй) 1 °Rй = 1,25 °C. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

18. Тепловой эффект химической реакции. Понятие стандартной теплоты образования вещества

Тепловой эффект химической реакции - отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов.

Чтобы тепловой эффект являлся величиной, зависящей только от характера протекающей химической реакции, необходимо соблюдение следующих условий: Реакция должна протекать либо при постоянном объёме Qv (изохорный процесс), либо при постоянном давлении Qp(изобарный процесс).

В системе не совершается никакой работы, кроме возможной при P = const работы расширения.

Теплота образования чистых элементов по определению равна нулю.

Определение Т. о. может быть выполнено различными способами: прямыми измерениями; по температурной зависимости константы равновесия реакции образования с помощью изобары или изохоры уравнения; вычислением из теплового эффекта реакции, в которой участвует данное вещество, при условии, что известны Т. о. остальных реагентов и продуктов реакции.

19. Формулировка закона Гесса, его практическое значение и использование

Закон Гесса -- основной закон термохимии, который формулируется следующим образом:

Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания. Иными словами, количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, всегда одно и то же, независимо от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в несколько стадий (при условии, что температура, давление и агрегатные состояния веществ одинаковы). Например, окисление глюкозы в организме осуществляется по очень сложному многостадийному механизму, однако суммарный тепловой эффект всех стадий данного процесса равен теплоте сгорания глюкозы. Практическое значение закона Гесса состоит в том, что он позволяет рассчитывать тепловые эффекты самых разнообразных химических процессов.

Закон является частным случаем первого начала термодинамики применительно к химическим реакциям.

20. Закон Кирхгофа о зависимости теплового эффекта реакции от температуры

В общем случае тепловой эффект химической реакции зависит от температуры и давления, при которых проводится реакция. Влиянием давления на ДН и ДU реакции обычно пренебрегают. Влияние температуры на величины тепловых эффектов описывает законКирхгофа:

Температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции равен изменению теплоемкости системы в ходе реакции.

где DH=Qp - тепловой эффект, равный изменению энтальпии системы вследствие реакции, DСр - изменение теплоемкости системы

21. Уравнение энергетического (теплового) баланса объекта. Расчет его составляющих

Уравнение теплового баланса - уравнение, описывающее теплообмен внутри системы, состоящей из нескольких тел, имеющих первоначально различные температуры.

Уравнение теплового баланса описывает закон сохранения энергии при теплообмене.

Q = m1c1(t'1 - t"1)з = m2c2(t"2 - t'2),

где m1, m2 - расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

c1, c2 - их средние, массовые, изобарные теплоемкости, кДж/(кгК);

??- КПД теплообменника; индексы: 1, 2 - горячий и холодный теплоносители;

' , ” - индексы входной и выходной температур теплоносителей.

22. Анализ энергобаланса, задачи, решаемые на его основе

Назначение:

Разработка и анализ энергетических балансов направлены на решение следующих основных задач:

оценка фактического состояния энергоиспользования на предприятии, выявление причин возникновения и определение значений потерь топливно-энергетических ресурсов;

разработка плана мероприятий, направленных на снижение потерь топливно-энергетических ресурсов;

выявление и оценка резервов экономии топлива и энергии;

совершенствование нормирования и разработка научнообоснованных норм расхода топлива и энергии на производство продукции;

определение рациональных размеров энергопотребления в производственных процессах и установках;

определение требований к организации и совершенствованию учета и контроля расхода энергоносителей;

получение исходной информации для решения вопросов создания нового оборудования и совершенствования технологических процессов с целью снижения энергетических затрат, оптимизации структуры энергетического баланса предприятия путем выбора оптимальных направлений, способов и размеров использования подведенных и вторичных энергоресурсов, совершенствования внутрипроизводственного хозяйственного расчета и системы стимулирования экономии топливно-энергетических ресурсов.

В зависимости от назначения энергетические балансы промышленного предприятия могут быть классифицированы по следующим признакам: время разработки, объект энергопотребления, целевое назначение, совокупность видов анализируемых энергетических потоков, способ разработки, форма составления.

В зависимости от времени разработки энергобалансы разделяют на:

проектный, составляемый во время разработки соответствующего проекта;

плановый, составляемый на ближайший планируемый период с учетом заданий по снижению норм расхода энергии;

отчетный (фактический), составляемый по отчетным (фактическим) данным за прошлый период;

перспективный, составляемый на прогнозируемый период с учетом коренных изменений в технологии, организации производства продукции и энергетическом хозяйстве предприятия.

23. Уравнение полного энергетического баланса, расчет его составляющих

обобщенное, интегральное уравнение энергетического баланса будет иметь вид:

где E - энергия, подводимая к технологической системе от внешних источников с учетом потерь. Эта работа затрачивается непосредственно на изменение энергоемкости обрабатываемой жидкости, в частности ее кинетической энергии движения и внутренней энергии "покоя", например, потенциальной, в случае проявления ощутимой сжимаемости жидкости при высоких давлениях; Eт - тепловая энергия обработанной жидкости; Eнп и Eсф - соответственно энергии, расходуемые на образование новых поверхностей, структурные и фазовые превращения. Например, при гидрорезании - поверхностной энергии частиц, образующихся при микроразрушении абразивных зерен, обрабатываемой поверхности, ее наклепа и т.д., включая структурные изменения самой рабочей жидкости, в частности изменения степени ее эмульгированности для ряда смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), в первую очередь на масляной основе, каплеобразование (спрееобразования), парообразование и пр. EАИ - энергия акустического излучения - волн упругой деформации (АЭ); ЕЭМИ - энергия электромагнитного излучения; ЕЭЭЭ - энергия экзоэлектронов; Еу - потенциальная энергия упругих деформаций элементов технологической системы неволновой природы, обусловленная действием статической и квазистатической составляющей полей механических напряжений; Eпр - прочие виды энергии, которыми в первом приближении можно пренебречь, например вторичными акустическими и энергомагнитными излучениями. Заметим, что если энергетический вклад Eпр не велик, то ее информационное значение требует специального анализа в рамках методологии эмиссионной технологической диагностики.

24. Понятие химической энергии и эксэргии вещества

Химическая энергия -- потенциал вещества трансформироваться в химической реакции или трансформировать другие вещества. Создание или разрушение химических связей происходит с выделением (экзотермическая реакция) или поглощением (эндотермическая реакция) энергии.

Первым в "истории человечества искусственно вызванным химическим процессом было, пожалуй, горение - разложение при помощи окисления растительной массы, имеющей сложный химический состав, на вещества более простые такие, как вода, углекислый газ и др. Огонь помог человеку использовать и другие химические процессы: именно благодаря огню человек смог сделать свои продукты питания мягче, вкуснее и удобоваримее.

Со временем люди научились использовать не только огонь, но и другие химические процессы.

Однако только к концу XVIII века люди овладели законами природы настолько, что научились искусственно вызывать химические процессы и проводить их целенаправленно. Но теперь уже в большинстве случаев целью этих процессов было не разложение вещества, т.е. получение более простых по своему составу соединений, а наоборот, синтез веществ более сложного состава из простых "кирпичиков". Разумеется, химическое разложение сложных веществ ни в коей мере не потеряло своего значения: на нем основана, например, выплавка металлов из руды, при которой металлы высвобождаются из соединений. Продукция многих других отраслей промышленности есть ре

зультат разложения вещества сложного состава на более простые. Превращение одних химических веществ в другие сопровождается изменением химической энергии. Целесообразное и хорошо продуманное применение определенных видов энергии дает возможность в границах, установленных объективными законами природы, планомерно управлять химическими реакциями. На этой основе в последнее время стремительно развивается химическая промышленность, требующая все больших затрат энергии.

ЭНЕРГИЯ = ЭКСЕРГИЯ + АНЕРГИЯ

ЭКСЕРГИЯ - это высококачественная энергия тела, которая может производить полезную работу.

АНЕРГИЯ - это низкокачественная энергия окружающей среды.

В конечном итоге вся высококачественная энергия - "ЭКСЕРГИЯ"

превращается в низкокачественную энергию окружающей среды - в "анергию".



28. Органические топлива, их классификация, основные характеристики

ТОПЛИВО, в широком смысле - любой горючий материал, который, вступая в реакцию с кислородом, выделяет теплоту. На практике топливом считают только те вещества, которые воспламеняются при умеренной температуре, имеют высокую теплотворную способность и могут быть получены в достаточном количестве доступными средствами.

К топливам органического происхождения относятся торф, лигниты, каменные и антрацитные угли, нефть и природный газ. Эти материалы часто называют ископаемыми топливами, так как они являются конечными продуктами физико-химических превращений окаменевших остатков растений. Сравнение составов различных топлив показывает, что относительное содержание углерода по сравнению с содержанием водорода уменьшается при переходе от твердых топлив к жидким и далее к газообразным. Все эти топлива можно получать друг из друга, изменяя соотношение между содержанием углерода и водорода. Все они являются ценным сырьем для производства различных химических продуктов, горючего для двигателей и масел для смазки, а также служат источниками тепла и электрической энергии.

29. Методы определения теплоты сгорания топлив. Жаропроизводительность топлива

Теплота сгорания -- это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на1 кг, мі или моль).

Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические обозначаются принятыми символами С, Н, О, N, S, а зола и вода -- символами А и W соответственно.

Различают высшую (QB) и низшую (QH) теплоту сгорания.

Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара.

Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания.

Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением:

QB = QH + k(W + 9H),

где k -- коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W -- количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н -- количество водорода в горючем веществе, % (по массе).

Жаропроизводительностью обычно называется максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воздуха. Термин предложен Д.И. Менделеевым. Чем выше жаропроизводительность топлива, тем выше качество тепловой энергии, выделяющейся при его сжигании, тем выше эффективность работы паровых и вододогрейных котлов.

Жаропроизводительность сухой древесины составляет около 2000 С, что сопоставимо с жаропроизводительностью жидкого топлива.



30. Возобновляемые источники энергии, проблемы и перспективы их практического использования

Возобновляемая энергия -- энергия из источников, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов и предоставлении для технического применения.

Возобновляемую энергию получают из природных ресурсов -- таких как солнечный свет, ветер, дождь, приливы и геотермальная теплота -- которые являются возобновляемыми (пополняются естественным путем). В 2006 году около 18 % мирового потребления энергии было удовлетворено из возобновляемых источников энергии, причем 13 % из традиционной биомассы, таких, как сжигание древесины. Гидроэлектроэнергия является очередным крупнейшим источником возобновляемой энергии, обеспечивая 3 % мирового потребления энергии и 15 % мировой генерации электроэнергии.[1]