Введение. РАЗДЕЛ 1. Техническая термодинамика

ТЕМА 1.1. Основные понятия технической термодинамики.

Предмет технической термодинамики. Термодинамическая система, внешняя сре­да, рабочее тело. Параметры состояния рабочего тела. Методы измерения темпе­ратуры.

В начальной теме курса рассматриваются основные понятия и определения, на базе которых строится изложение всего дальнейшего курса технической термодинамики, как науки о взаимопревращениях теплоты и работы в тепловых машинах.

Здесь необходимо обратить внимание на упрощающие предположения при введении понятия идеального газа, как абстрактной модели газа, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия и геометрические размеры его молекул пренебрежимо малы.

Вопросы для самоконтроля:

1. Термодинамическая система, внешняя среда, рабочее тело.

2. Основные термодинамические параметры состояния газа. (Удельный объем, температура, давление).

3. Физический смысл абсолютной температуры.

4. Принцип построения шкалы Цельсия.

5. Зависимость между абсолютной температурой и температурой по шкале Цельсия.

6. Абсолютное и манометрическое (избыточное) давления.

7. Единицы измерения давления.

ТЕМА 1.2. Законы и уравнения идеальных газов.

Основное уравнение кинетической теории газов. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля. Уравнение Клапейрона. Газовая постоянная. Уравнение Клапейрона - Менделеева. Определение универсальной газовой постоянной.

Следует твердо усвоить уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона) в различных формах его записи (рv=RT; рV=mRT; р=rRT), связывающее основные параметра состояния газовой среды: абсолютное давление р, удельный объем v и абсолютную температуру T. Необходимо уяснить различие между понятиями универсальной газовой постоянной R_m, являющейся абсолютной константой и имеющей численноезначение 8314 Дж/(кмоль К), и удельной газовой постоянной R, величина которой зависит от молекулярной массы каждого конкретного газа m и определяется соотношением вида R= R_m/ m.

Вопросы для самоконтроля:

1. Основное уравнение кинетической теории газов.

2. Дать определение закона Бойля – Мариотта и указать зависимость между параметрами состояния идеального газа, устанавливаемые этим законом.

3. Вывод закона Бойля – Мариотта с применением основного уравнения кинетической теории газов.

4. Дать определение закона Гей – Люссака и указать зависимость между параметрами состояния идеального газа, устанавливаемые этим законом.

5. Вывод закона Гей – Люссака с применением основного уравнения кинетической теории газов.

6. Определение температуры абсолютного нуля с применением закона Гей – Люссака.

7. Дать определение закона Шарля и указать зависимость между параметрами состояния идеального газа, устанавливаемые этим законом.

8. Вывод закона Шарля с применением основного уравнения кинетической теории газов. Графическое изображение закона Шарля.

9. Уравнения состояния идеального газа. (Уравнения Клайперона, Менделеева).

10. Удельная газовая постоянная, ее определение, физический смысл.

11. Универсальная газовая постоянная, ее определение, физический смысл.

ТЕМА 1.3. Газовые смеси.

Понятие о газовой смеси, как о рабочем теле. Способы задания газовых смесей. Средняя молекулярная масса, плотность и объем газовой смеси. Относительный объемный состав газовой смеси.

При изучении темы«газовые смеси» нужно освоить методику расчета параметров смеси, состоящей из отдельных идеальных газов. Обратите внимание на отличие расчетных формул при задании состава смеси массовыми g_i и объемными r_i долями. Умение рассчитывать удельную газовую постоянную и теплоемкость смеси позволит при исследовании термодинамических процессов рассматривать смесь как самостоятельный идеальный газ.

Вопросы для самоконтроля:

1. Понятие о газовой смеси как рабочем теле. Закон Дальтона.

2. Способы задания газовых смесей.

3. Состав газовой смеси, заданный массовыми до­лями.

4. Состав газовой смеси, заданный объемными долями.

5. Приведенный (парциальный) объем компонента смеси.

6. Состав смеси, заданный числом молей (мольными долями).

7. Средняя молекулярная (кажущаяся)масса газовой смеси.

8. Плотность и объем газовой смеси.

9. Относительный объемный состав газовой смеси.

10. Определение газовой постоянной смеси

ТЕМА 1.4. Теплоемкость газов и их смесей.

Понятие о количестве теплоты и теплоемкости. Массовая, объемная и киломольная теплоемкость газов. Теплоемкость газа при постоянном объеме и при посто­янном давлении. Истинная и средняя теплоемкости. Теплоемкость газовой смеси. Определение количества теплоты, необходимой для нагревания газа.

При рассмотрении теплоемкости следует освоить методику расчета средней теплоемкости и уяснить зависимость теплоемкости газа от вида термодинамического процесса, что находит отражение в уравнении Майера c_p-c_v=R. Обратите внимание на понятие показатель адиабаты k, который вводится соотношением k = c_p/ c_v и его численное значение определяется структурой молекулы газа.

Вопросы для самоконтроля:

1. Определение внутренней энергии тела.

2. Теплота и работа – формы передачи энергии.

3. Теплоемкость газа при постоянном объеме.

4. Теплоемкость газа при постоянном давлении.

5. Уравнение Майера. Зависимость между удельными теплоемкостями с_p и с_v.

6. Истинная и средняя теплоемкости.

7. Теплоемкость газовой смеси.

8. Определение количества теплоты, необходимой для нагревания газа при постоянном объеме.

9. Определение количества теплоты, необходимой для нагревания газа при постоянном давлении.

ТЕМА 1.5. Термодинамические процессы.

Термодинамическая система и процессы, протекающие в ней. Внутренняя энергия и работа термодинамической системы. Первый закон (начало) термодинамики. Энтальпия. Определение теплоты, работы и внутренней энергии. Изохорный про­цесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Адиабатный процесс. Политропный процесс. Определение параметров состояния в термодинамических про­цессах.

Первый закон термодинамики – это термодинамическое выражение всеобщего закона сохранения, суть которого заключается в сохранении общего энергетического баланса при взаимопревращении энергии из одного вида в другой.

Для записи аналитического выражения первого закона термодинамики необходимо детально рассмотреть энергетические характеристики термодинамической системы, к числу которых относятся изменение внутренней энергии, изменение энтальпии, количество теплоты, работа деформации (расширения) и располагаемая (полезная) работа. При изучении энергетических характеристик необходимо усвоить различие понятий «функция состояния», к которым относятся внутренняя энергия и энтальпия, и «функция процесса» (теплота и работа). Обратить внимание на факторы, определяющие знак каждой из энергетических характеристик, и знать выражение их через изменение параметров состояния как в дифференциальной, так и в интегральной форме.

Понятие «политропные процессы» представляет собой обобщающую модель всего многообразия термодинамических процессов в идеальных газах, протекающих при постоянном значении теплоемкости. Идентификация процессов осуществляется по показателю политропы n, который определяет связь между параметрами состояния в виде уравнения политропных процессов Pvⁿ = const.

Здесь следует обратить внимание на необычное обстоятельство, выражающееся в возможности изменения численного значения теплоемкости газа в различных политропных процессах во всем диапазоне действительных чисел от - ¥ до ¥. В частности это приводит к тому, что при условиях, когда показатель политропы принимает значение в интервале 1 < n < k, теплоемкость любого газа будет иметь отрицательное значение.

Нужно научится анализировать политропные процессы по показателю политропы. Принимая конкретные значения n можно получить академически известные частные случаи газовых процессов: изобарический (n=0), изотермический (n=1), адиабатный (n= k), и изохорический (n=¥).

При изучении этого раздела необходимо приобрести навыки графического представления и анализа политропных процессов с использованием обобщенной P-v диаграммы, содержащей классические частные случаи газовых процессов

Вопросы для самоконтроля:

1. Основные термодинамические процессы. Алгоритм изучения термодинамических процессов.

2. Изохорный процесс. Уравнение, графическое изображение изохорного процесса.

3. Распределение энергии в изохорном процессе.

4. Изобарный процесс. Уравнение, графическое изображение изобарного процесса.

5. Зависимость между изменяющимися параметрами газа в изобарном процессе. (Закон Гей-Люссака).

6. Графическое изображение и аналитическое определение работы в изобарном процессе.

7. Распределение энергии в изобарном процессе.

8. Изотермный процесс. Уравнение, графическое изображение изотермного процесса.

9. Графическое изображение и аналитическое определение работы в изотермном процессе.

10. Работа и распределение энергии в изотермном процессе.

11. Определение и осуществление адиабатного процесса.

12. Уравнение адиабатного процесса.

13. Зависимость давления от температуры в адиабатном процессе.

14. Зависимость между объёмом газа и температурой в адиабатном процессе.

15. Зависимость между объёмом газа и давлением в адиабатном процессе.

16. Работа и распределение энергии в адиабатном процессе.

17. Графическое изображение адиабатного процесса. Взаимное расположение адиабаты и изотермы.

18. Преобразование энергии, работа газа в адиабатном процессе.

19. Определение и графическое изображение политропных процессов.

20. Зависимость между параметрами состояния в политропном процессе.

21. Работа газа, коэффициент распределения энергии в политропном процессе.

ТЕМА 1.6. Термодинамика газового потока.

Уравнение неразрывности. Уравнение сохранения энергии. Уравнение Бернулли. Параметры заторможенного потока. Понятие критической точки и критических параметров газа. Температура, давление заторможенного потока. Течение газа в соплах и диффузорах. Скорость истечения газа из сопла. Уравнение расхода газа. Определение секундного расхода газов и параметров заторможенного потока.

Изучение материала необходимо начинать с понятия установившегосятечения газа, записать уравнения неразрывности струи и первогозакона термодинамики для газового потока. Понять сущность критическогосостояния при истечении, связанного с переходом от дозвукового ксверхзвуковому течению, уметь определять вид сопла,рассчитывать скорость истечения и расход газа.

Вопросы для самоконтроля:

1. Уравнение Первого закона термодинамики для газового потока.

2. Истечение газа из сосуда. Скорость истечения и секундный расход.

3. Воздействие на параметры потока геометрии канала.

4. Сопло. Диффузор.

ТЕМА 1.7. Термодинамические циклы.

Прямые и обратные циклы. Коэффициент полезного действия цикла. Цикл Карно и его термический коэффициент полезного действия. Второй закон (начало) тер­модинамики. Понятие энтропии. Возрастание энтропии в реальных процессах. Цикл Отто. Особенности цикла Отто. Исследование цикла Отто. Определение па­раметров цикла Отто. Цикл Дизеля. Особенности цикла Дизеля. Исследование цикла Дизеля. Определение параметров цикла Дизеля. Цикл Брайтона. Особенно­сти цикла Брайтона. Исследование цикла Брайтона.

При знакомстве с циклическими процессами нужно усвоить понятие тепловой машины, как устройства для взаимопревращения теплоты и работы. Обратить внимание на принципиальное различие между прямыми и обратными циклами с точки зрения знака цикловой работы. Уяснить смысл термического коэффициента полезного действия (к.п.д.).

Второй закон термодинамики являясь одним из фундаментальных законов природы дополняет действие первого закона с точки зрения указания направления самопроизвольного протекания процессов. Это закон асимметрии природы, утверждающий, что все процессы развиваются в направлении установления равновесия.

В рамках технической термодинамики обратимых процессов сущность второго закона может быть сведена к двум основным положениям: - от холодного тела к горячему теплота не может переходить самопроизвольно, без затрат механической энергии; - для превращения теплоты в работу в тепловом двигателе обязательно наличие двух тепловых резервуаров, иными словами нельзя практически построить тепловую машину с к.п.д., равным единице (нельзя полностью превратить в работу всю подводимую теплоту).

Нужно детально разобраться в формулах вычислений изменения энтропии в политропных процессах через изменения параметров состояния газа. Научиться графическому анализу термодинамических процессов на T-s диаграмме, которую часто называют тепловой диаграммой по причине того, что величина площади под линией процесса на ней соответствует количеству подводимой или отводимой теплоты в зависимости от знака ds.

Изучая цикл Карно необходимо усвоить, что этот цикл составлен из последовательности дух изотермических и двух адиабатных процессов. Термический к.п.д. этого цикла зависит только от температур тепловых резервуаров h_t = 1-T_х / T_н. Здесь очень важно обратить внимание на то обстоятельство, что к.п.д. цикла Карно имеет максимально возможное значение для любых циклов в данном интервале температур.

При изучении циклов газотурбинной установки и двигателей внутреннего сгорания нужно усвоить основные упрощающие допущения термодинамического анализа: рабочее тело - идеальный газ с постоянной теплоемкостью, все процессы равновесные и обратимые, процесс сгорания топлива представляется как подвод теплоты от внешних источников. Следует научиться анализировать различные циклы, пользуясь рабочей (P-v), тепловой (T-s) и индикаторной (P-V) диаграммами. Нужно усвоить методику определения термического к.п.д. и цикловой работы каждого из рассматриваемых циклов и возможные способы их повышения.

При анализе циклов ДВС обратите внимание на отличие циклов Отто и Дизеля, связанное с различными условиями подвода теплоты при сгорании топлива. Уясните, что в циклах ДВС повышение степени сжатия является эффективным средством увеличения мощности и экономичности двигателя. Разберитесь с ролью температуры самовоспламенения топлива на ограничения величины степени сжатия.

Вопросы для самоконтроля:

1. На какие группы делятся поршневые двигатели внутреннего сго­рания?

2. Дать определения основным характеристикам циклов.

3. Дать описание индикаторной диаграммы двигателя с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме.

4. Дать описание идеального термодинамического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, изобразить pv – диаграмму цикла, вывести формулу для термического к. п. д. и дать его анализ.

5. Приведите принципиальную схему газотурбинного двигателя с подводом тепла при постоянном давлении. Изобразите цикл в P-V и T-S диаграммах.

6. Какие существуют методы повышения термического КПД газотурбинной установки?

7. По каким признакам можно классифицировать реактивные двигатели?