Задачи и методы термодинамики

Предмет и метод термодинамики

Задачи и методы термодинамики

А.П. Баскаков, Е.Ю. Павлюк

Техническая термодинамика

Учебное пособие

Научный редактор проф., д.т.н. В.А. Мунц

Екатеринбург

УГТУ – УПИ

УДК

ББК

Б27

Рецензенты: зав. кафедрой «Энергетики» УГЛТА В.В. Мамаев

зав. лабораторией ОАО ВНИИМТ С.Т. Клышников

Баскаков А.П.

Б27. Техническая термодинамика: учебное пособие / А.П.Баскаков, Е.Ю. Павлюк. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. 100 с. ISBN

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения специальностей 140104 – Промышленная теплоэнергетика, 140106 — Энергообеспечение предприятий.

Данное пособие содержит необходимый минимум информации, включающий в себя все необходимые разделы курса «Техническая термодинамика». Для удобства усвоения материала студентами каждый раздел завершается комплексом задач, ответы и решения которых приведены в конце учебника.

Пособие также укомплектовано необходимой справочной информацией, приведенной как по ходу изложения материала, так и в приложениях.

Библиогр.: назв. Табл. 2. Рис. 35. Прил. 1.

УДК

ББК

ISBN © Уральский государственный

технический университет – УПИ, 2008

© Баскаков А.П., Павлюк Е.Ю., 2008

Предисловие.. 4

1. Основные понятия и исходные положения термодинамики.. 5

1.1. Предмет и метод термодинамики. 5

1.2. Термодинамическая система. 5

1.3. Термодинамические параметры состояния. 6

1.4. Уравнение состояния. 9

1.5. Термодинамический процесс. 9

2. Первый закон термодинамики.. 12

2.1. Внутренняя энергия. 12

2.2. Работа против окружающей среды в закрытой системе. 13

2.3. Теплота. 15

2.3. Аналитическое выражение первого закона термодинамики для закрытой системы.. 16

2.5. Теплоемкость газов. 17

2.6 Энтальпия. 21

3. Второй закон термодинамики.. 23

3.1. Энтропия. 23

3.2. Изменение энтропии в неравновесных процессах. 24

4. Основные термодинамические процессы в газах, парах и смесях.. 27

4.1. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах. 27

4.2. Смеси идеальных газов. 31

4.3. Термодинамические процессы реальных газов. 34

5. Особенности термодинамики открытых систем 43

5.1. Уравнение первого закона термодинамики для потока. 43

5.2. Истечение газов и паров. 48

5.3. Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы.. 51

6. Циклы теплосиловых установок.. 57

6.1. Цикл Карно и второй закон термодинамики. 57

6.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. 60

6.3. Цикл газотрубинной установки. 62

6.4. Циклы паротурбинных установок. 64

6.5. Холодильные установки и тепловые насосы.. 69

Решения задач и ответы на вопросы… 72

Приложение 1. 76

Предисловие

Настоящее учебное пособие написано для заочников специальностей «Промышленная теплоэнергетика» и «Энергообеспечение предприятий» и, прежде всего, для тех, кто, окончив в свое время техникум, получает высшее образование по ускоренной программе.

В библиотеках России, в том числе и в УГТУ-УПИ, имеется достаточное количество отличных учебников для вузов по дисциплине «Техническая термодинамика», однако они часто практически недоступны для студентов, обучающихся на опорных пунктах вдали от Екатеринбурга, поскольку на большинстве пунктов этих учебников просто нет.

Кроме того, некоторые студенты, обучавшиеся много лет назад в техникуме, забыли не только то, чему их там учили, но растеряли школьные знания.

А сегодня для того, чтобы снова аттестовать их на рабочем месте, которое они занимают, а тем более для повышения по службе с них требуют диплом.

Понятно, что при такой базе знаний они не могут освоить курс, который читается студентам-очникам во всех деталях, тем более, что времени на это им выделяется значительно меньше, чем при полном (не ускоренном) обучении.

Следовательно, жизнь поставила на повестку дня необходимость подготовки учебного пособия, которое было бы понятно этому контингенту студентов, и который они смогли бы освоить за выделенное им для этого время. Конечно, формально программа курса одинакова для студентов всех форм обучения, но, как показала практика, глубина освоения предмета студентами разных категорий сильно различается.

Данное пособие написано на базе учебника для вузов «Теплотехника» под ред. А.П. Баскакова, последнее издание которого вышло в свет 1991 г.

Авторы постарались в сжатой и доступной форме изложить основные положения термодинамики, необходимые студентам указанных выше специальностей для освоения спецкурсов.

Пособие может быть полезно и студентам других специальностей и форм обучения.

Основные понятия и исходные положения термодинамики

Предмет и метод термодинамики

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники.

На ее основе осуществляется расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Если рассматривать только макроскопические системы, то термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов).

Строго говоря, все основные выводы термодинамики получают методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики, не привлекая представлений о структуре вещества. Для упрощения понимания материала заочниками мы не будем придерживаться строгой «академичности» изложения.

Термодинамическая система

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («окружающей средой»).

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой).

Так, например, для простейшей системы – газа, заключенного в цилиндре под поршнем (рис. 1.

1), контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень, а окружающей средой называется все, что находится снаружи.

Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой осуществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии с самóй системой или над системой совершается работа.

В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема системы. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между системой и окружающей средой.

В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.

Рис. 1.1. Газ, находящийся в цилиндре под поршнем 1 – термодинамическая система (рабочее тело); 2 – окружающая среда; 3 – контрольная поверхность

В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах – примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой.

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом являются продукты сгорания.

Дата добавления: 2016-10-30; просмотров: 1507 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Источник: https://lektsii.org/8-40907.html

Задачи и методы термодинамики

Задачи и методы термодинамики

Специфический признак, который позволяет физические системы и их свойства отнести к категории термодинамических, — это строение этих систем.

Макросистемы состоят из большого числа частиц, движение которых очень сложное. Задачей термодинамики является исследование свойств материальных тел, которые описываются с помощью макроскопических параметров с использованием общих законов, которые называются началами термодинамики, не требуя разъяснения механизмов возникновения этих явлений с точки зрения микромира.

Существует два способа (метода) описания процессов, происходящих в макроскопических телах: статистический и термодинамический.

Сущность термодинамического метода заключается в изучении того, каким образом взаимодействуют тела (системы), каковы из свойства с энергетической точки зрения. Какие соотношения (формулы) связывают термодинамические величины, описывающие систему. Эти вопросы изучает термодинамика.

В основе термодинамики лежит небольшое количество фундаментальных законов (начал термодинамики), установленных путем обобщения опытных фактов.

Термодинамический метод, в отличие от статистического, не связан с каким-либо конкретным представлением о внутреннем строении тел и характером движения отдельных частиц. Термодинамика оперирует макроскопическими величинами, которые характеризуют состояние системы в целом (давление, температура, объем и т.д.).

Термодинамический метод используется для теоретического анализа общих закономерностей разнообразных явлений. Так как исходные предположения этого раздела молекулярной физики имеют весьма общий характер, методы этой науки обладают большой строгостью. В этом их достоинство.

Термодинамика именно из-за ее общности часто не в состоянии вывести частные закономерности, характеризующие специфические свойства тех или иных конкретных физических систем. Роль дополнения выполняет молекулярно-кинетическая теория.

Разница между статистическим и термодинамическим методами касается не предмета изучения, а применяемых подходов. Термодинамика хотя и изучает статистические закономерности физических процессов, но строится по принципу дедукции (как механика), беря за основу небольшое количество начальных принципов, в формулировке которых статистика никак не отражается.

Для изложения термодинамического метода очень часто используют модель идеального газа, но это не значит, что сам метод и законы термодинамики неприменимы к реальным веществам.

Центральные физические величины

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Центральными физическим величинами, на которых сделан акцент в термодинамике, которые рассматриваются, изучаются, часто используются, являются, количество теплоты (Q), внутренняя энергия (U), работа (A), энтропия (S), энтальпия (H). Их основные определения — формулы:

\[\delta A=\sum\limits_i{F_i}dx_{i\ }\left(1\right),\]

где $\delta A$- элементарная работа, $x_{i\ }\ $ — обобщенные координаты, $F_i$- соответствующие им обобщённые силы. Работу расширения для равновесного процесса:

\[A=\int\limits{V_2}_{V_1}{pdV\ \left(2\right).}\]

Элементарное количество теплоты $\delta Q$, определим как:

\[\delta Q=СdT\left(3\right),\]

где C — теплоемкость тела.

Работа и количество теплоты в общем случае не являются функциями состояния. Они — функции процесса.

Внутренняя энергия — функция состояния системы, определена как:

\[U=W-\left(E_k+E{vnesh}_p\right)\left(4\right),\]

где $W$- полная энергия системы, $E_k$- кинетическая энергия макроскопического движения системы, $E{vnesh}_p$- потенциальная энергия системы, которая является результатом, действия на систему внешних сил.

Внутренняя энергия идеального газа часто выражается следующим образом:

\[U=\int\limitsT_0{\frac{i}{2}u RdT\left(5\right),}\]

где i — число степеней свободы молекулы, $u $ — количество молей вещества, R — газовая постоянная.

Энтальпия (теплосодержание) — функция состояния системы, определяется как:

\[H=U+pV\left(6\right).\]

Энтальпия идеального газа зависит только от T и пропорциональна m:

\[H=\int\limitsT_0{C_pdT}+H_0\left(7\right),\]

где $C_p$ — теплоемкость газа при изобарном процессе, $H_0=U_0$ — энтальпия при $T=0K$.

Энтропия — функция состояния системы. Дифференциал энтропии в обратимом процессе:

\[dS=\frac{\delta Q}{T}\left(8\right).\]

Термодинамика изучает только термодинамически равновесные состояния систем или очень медленные процессы, которые могут быть представлены совокупностью равновесных.

Математическим аппаратом, который применяется в термодинамике, является теория дифференциальных уравнений, уравнения в частных производных.

Пример 1

Задание: Закрытую емкость объемом V с азотом при начальном давлении $p_1$ и температуре $T_1$ нагревают до температуры $T_2$. Какое количество теплоты поглощает газ?

Решение:

Так как сосуд, в котором находится газ, закрыт, то процесс нагревания считаем изохорным. В изохорном процессе газ работы не совершает. Следовательно, все тепло сообщаемое газу идет на изменение его внутренней энергии:

\[\triangle Q=\triangle U\left(1.2\right).\]

Изменение внутренней энергии газа определяется формулой:

\[\triangle U=\frac{i}{2}u R\triangle T\left(1.3\right).\]

Применим уравнение Менделеева — Клайперона. Запишем его дважды, для состояния 1 и состояния 2:

\[p_1V=u RT_{1\ }\left(1.4\right)\] \[p_2V=u RT_{2\ }\left(1.5\right)\]

Найдем разность уравнений (1.5) и (1.4), получим:

\[{(p}_2-p_1)V=u R{(T}_{2\ }-T_{1\ })=u R\triangle T\ (1.6).\]

Следовательно,

\[\triangle Q=\triangle U=\frac{i}{2}{(p}_2-p_1)V=\frac{i}{2}p_1V(\frac{p_2}{p_1}-1)\left(1.7\right).\]

Давление в состоянии 2 нам неизвестны, но известны температуры состояний 1 и 2.

В изохорном процессе выполняется закон Шарля:

\[\frac{p_2}{p_1}=\frac{T_2}{T_1}\ \left(1.8\right).\]

C учетом (1.8) перепишем (1.7), получим:

\[\triangle Q=\frac{i}{2}p_1V(\frac{T_2}{T_1}-1)\left(1.9\right).\]

Задачу можно считать решенной так как известны все параметры состояния газа используемые в выражении для количества теплоты. Число степеней свободы также можно считать известным, поскольку в условиях сказано, что процесс проводится с азотом. У азота число степеней свободы равно 5.

Ответ: Газ в заданном процессе поглощает количество тепла равное $\triangle Q=\frac{i}{2}p_1V\left(\frac{T_2}{T_1}-1\right).$

Пример 2

Задание: Один моль идеального газа совершает процесс, при котором $p=aTb$, где a и b постоянные величины. Найти работу, которую совершает газ, если температура увеличивается на $\triangle T,\ $молярную теплоемкость газа в этом процессе, если i число степеней свободы молекулы газа.

Решение:

Определение работы имеет вид:

\[A=\int\limits{V_2}_{V_1}{pdV\ \left(2.1\right).}\]

Так как мы имеем дело с идеальным газом, то используем уравнение Менделеева-Клайперона, запишем его для одного моля:

\[pV=RT\left(2.2\right).\]

Выразим объем:

\[V=\frac{RT}{p}\left(2.3\right).\]

Подставим в (2.3) выражение для давления из уравнение процесса заданного в условии задачи, получим:

\[V=\frac{RT}{aTb}=\frac{R}{aT{b-1}}=\frac{R}{a}T{1-b}\left(2.4\right).\]

Найдем $dV$ из (2.4):

\[dV=\left(1-b\right)\frac{R}{a}T{-b}dT\left(2.5\right).\]

Подставим давление из уравнения процесса и $dV$ в (2.1), получим:

\[A=\int\limits{T_2}_{T_1}{aTb\left(1-b\right)\frac{RT{-b}}{a}dT=\left(1-b\right)\int\limits{T_2}_{T_1}{RdT=\left(1-b\right)R\triangle T\ \left(2.1\right).}}\]

Количество теплоты подведенное к газу можно записать, как:

\[Q=c_{\mu }\triangle T=\triangle U+A=\frac{i}{2}R\triangle T+A=\frac{i}{2}R\triangle T+\left(1-b\right)R\triangle T\ \left(2.2\right).\] \[c_{\mu }=\frac{i}{2}R+\left(1-b\right)R\ \left(2.3\right).\]

Ответ: В заданном процессе работа газа $\left(1-b\right)R\triangle T,$ молярная теплоемкость $c_{\mu }=\frac{i}{2}R+\left(1-b\right)R.$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/zadachi_i_metody_termodinamiki/

Объект изучения термодинамики

Задачи и методы термодинамики

Предмет и метод термодинамики

ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термодинамика изучает зако­ны превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопи­ческих системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопиче­ской системой называется любой матери­альный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопиче­ских систем несоизмеримо больше разме­ров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче­скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свой­ства тел, участвующих в этих превраще­ниях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники.

На ее основе осуществля­ют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопиче­ские системы, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движе­ния материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущих­ся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, ато­мов, ионов).

Физические свойства макроскопиче­ских систем изучаются статистическим и термодинамическим методами. Стати­стический метод основан на использова­нии теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и пред­ставляет собой содержание статистиче­ской физики.

Термодинамический метод не требует привлечения модельных пред­ставлений о структуре вещества и явля­ется феноменологическим (т.е. рассматривает «феномены» – яв­ления в целом).

При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодина­мического метода мы будем для нагляд­ности использовать молекулярно–кинетические представления о структуре ве­щества.

Термодинамическая система представляет собой совокуп­ность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодей­ствиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).

Выбор системы произволен и дикту­ется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окру­жающей средой. Систему отделя­ют от окружающей среды контроль­ной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей систе­мы – газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окру­жающий воздух, а контрольными повер­хностями служат стенки цилиндра и по­ршень.

Механическое и тепловое взаимодей­ствия термодинамической системы осу­ществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также элек­трические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет со­вершать работу.

Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодина­мики, но нами в дальнейшем рассматри­ваться не будут). В нашем примере ме­ханическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимо­действие заключается в переходе тепло­ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой.

В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки ци­линдра.

В самом общем случае система мо­жет обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Пото­ки газа или пара в турбинах и трубопро­водах – примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закры­той. В дальнейшем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматри­вать закрытые системы.

Термодинамическую систему, кото­рая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют теп­лоизолированной или адиа­батной. Примером адиабатной систе­мы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной теп­ловой изоляцией, исключающей теплооб­мен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляци­онную оболочку называют адиабатной.

Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве­ществом, называется изолирован­ной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутрен­него сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_1604_ob-ekt-izucheniya-termodinamiki.html

Booksm
Добавить комментарий