Самостоятельная Теоретические основы преобразования энергии в тепловых двигателях
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-30Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Самостоятельная работа №1
«Теоретические основы преобразования энергии в тепловых двигателях»
Преподаватель:
Баранник Б.Г.
Выполнил:
Студентка Краснова Т.А.
Эс-471(1).
Апатиты, 2010
Основные параметры термодинамической системы.
Исторически термодинамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу, что диктовалось необходимостью дать теоретические основы работы тепловых машин.
Термодинамическая система — тело (совокупность тел), способное (способные) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и веществом.
Термодинамическая система имеет границы, отделяющие ее от окружающей среды. Границы термодинамической системы могут быть как реальными (газ в резервуаре, граница раздела фаз), так и чисто условными в виде контрольной поверхности.
Термодинамическая система может энергетически взаимодействовать с окружающей средой и с другими системами, а также обмениваться с ними веществом. В зависимости от условий взаимодействия с другими системами различают изолированную, замкнутую, открытую и адиабатно изолированную термодинамические системы.
Термодинамическая система, которая не может обмениваться энергией и веществом с другими системами, называется изолированной. В такой системе отдельные части (подсистемы) могут взаимодействовать между собой. Термодинамическая система называется закрытой, если она не может обмениваться веществом с другими системами. Термодинамические системы, которые могут обмениваться веществом с другими системами, называются открытыми.
Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), называется теплоизолированной или адиабатно изолированной.
С окружающей средой термодинамическая система может энергетически взаимодействовать посредством передачи теплоты и производства работы.
По роли отдельных тел, входящих в термодинамическую систему, их делят на рабочие тела (РТ), источники теплоты (ИТ) и объекты работы (ОР).
Рабочими телами являются, как правило, газообразные вещества - газы и пары, которые способны значительно изменять свой объём при изменении внешних условий.
В тех состояниях, когда можно пренебречь влиянием сил взаимодействия между молекулами и объёмом самих молекул (сильно нагретый газ при небольших давлениях), газ называют идеальным. В противном случае газ называется реальным.
Рабочее тело в тепловой машине получает или отдаёт теплоту, взаимодействуя с более нагретыми или более холодными внешними телами. Такие тела носят название источников теплоты.
Тело, которое отдаёт теплоту рабочему телу и не изменяет свою температуру, называется верхним источником теплоты (ВИТ) или теплоотдатчиком. Тело, которое получает теплоту от рабочего тела и не изменяет свою температуру, называется нижним источником теплоты (НИТ) или теплоприёмником.
1. Основные термодинамические процессы.
2. Совокупность физических свойств системы в рассматриваемых условиях называют термодинамическим состоянием системы.
3. Различают равновесное (стационарное) и неравновесное (нестационарное) состояния термодинамической системы.
4. Макроскопические величины (т. е. величины, которые характеризуют тело в целом), характеризующие физические свойства тела в данный момент, называются термодинамическими параметрами состояния. Последние разделяются на интенсивные (не зависящие от массы тела) и на экстенсивные (пропорциональные массе тела).
5. К основным параметрам состояния, поддающимся непосредственному измерению простыми техническими средствами, относятся абсолютное давление
6. К параметрам состояния относятся также внутренняя энергия
7. Равновесным состоянием термодинамической системы называется такое состояние, которое характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием.
8. Изолированная термодинамическая система независимо от своего начального состояния с течением времени всегда приходит в состояние равновесия. Необходимо отметить, что никогда самопроизвольно выйти из него система не может {основной постулат термодинамики — нулевое начало).
9. Состояние термодинамической системы, при котором значения параметров во всех частях ее остаются неизменными во времени благодаря внешнему воздействию потоков вещества, энергии, импульса, заряда и т. п., называется стационарным. Если значения параметров изменяются во времени, то состояние термодинамической системы называется нестационарным.
10. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров, называется термодинамическим процессом. Если одна система совершает работу над другой системой с помощью механических и электрических сил, то взаимодействие называется механическим. Взаимодействие, которое приводит к изменению энергии и совершается в форме передачи теплоты посредством теплопроводности или тепловой радиации, называется тепловым. Взаимодействие, приводящее к изменению энергии и совершаемое в форме передачи массы, называется массообменным.
11. Различают равновесные и неравновесные процессы.
12. Равновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний. В таком процессе физические параметры изменяются бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесном состоянии. Кроме того, все части системы имеют одинаковые температуру и давление.
13. Неравновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой последовательность состояний, среди которых не все являются равновесными. В неравновесном процессе различные части системы имеют разные температуры, давления, плотности, концентрации.
14. Если термодинамическая система выведена из состояния равновесия и предоставлена сама себе, то через некоторый промежуток времени она снова придет в состояние равновесия. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а время перехода в состояние равновесия — временем релаксации.
15. 1.4.Термические и калорические параметры состояния
16. К термическим параметрам состояния относятся давление
17. К калорическим параметрам состояния относятся следующие основные термодинамические величины: энтропия
.
18.
19. 1.4.1.Термические параметры состояния
20. Давление — физическая величина, численно равная отношению нормальной составляющей силы к площади, на которую действует эта сила.
21. Единицей давления в СИ является паскаль — давление, вызываемое силой в 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2 (1Па=1 Н/м2).
22. Часто приходится измерять давление высотой столба какой-либо жидкости (воды, ртути и др.).
23. В табл. 1.1 приведены соотношения между ранее применявшимися единицами измерения давления и единицами давления в СИ.
24.
25. Таблица 1.1
| Единица | Па | бар | кгс/см2 | мм рт. ст. | мм вод. ст. |
| 1 Па | 1 | 10-5 | 1,02×10-5 | 7,5024×10-3 | |
| 1 бар | 105 | 1 | 1,02 | 7,5024×102 | 1,02×104 |
| 1 кгс/см2 | 9,8067×104 | 0,98067 | 1 | 735 | 104 |
| 1 мм рт. ст. | 133 | 1,33×10-3 | 1,36×10-3 | 1 | 13,6 |
| 1 мм вод. ст. | 9,8067 | 9,8067×105 | 10-4 | 7,35×102 | 1 |
26.
27. Различают атмосферное, или барометрическое, давление
28. Давление, создаваемое атмосферным воздухом, называется барометрическим, или атмосферным.
29. Абсолютным давлением
30. Избыточным, или манометрическим, давлением называется давление сверх атмосферного, то есть избыточное давление — это разность между абсолютным и барометрическим давлениями:
31.
32. Необходимо отметить, что избыточное давление не определяет состояния вещества и не является параметром состояния, поскольку зависит также от состояния окружающей среды.
33. Разрежением, или вакуумом, называется разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением той среды, где измеряется давление. Если абсолютное давление газа или пара в сосуде ниже барометрического, то есть
34.
35. называется разрежением, или вакуумом.
36. Вакуум показывает, насколько давление газа (пара) меньше давления окружающей среды. Давление атмосферного воздуха измеряется барометрами, избыточное давление — манометрами, а давление разрежения — вакуумметрами.
37. В термодинамических уравнениях всегда используют значения абсолютного давления ввиду того, что оно является параметром, характеризующим состояние термодинамической системы.
38. Атмосферное давление — величина переменная, поэтому в технике применяется нормальное атмосферное давление,
39. Температура тела есть мера его на-гретости. Температура определяет направление передачи теплоты. Если два тела А и В имеют соответственно температуру Т1 и Т2 и Т1>
Т2, то теплота переходит от тела А к телу В. При этом температура тела А уменьшается, а тела В - увеличивается.
40. С точки зрения молекулярно-кинетической теории температура есть мера интенсивности теплового движения молекул.
41. В термодинамике рассматривают температуру как среднестатистическую величину, которая характеризует систему, состоящую из очень большого числа молекул (частиц), находящихся в хаотическом (тепловом) движении. Поэтому к единичным молекулам понятие температуры не применимо. При температуре абсолютного нуля тепловое движение молекул отсутствует. Эта предельная минимальная температура называется абсолютным нулем и является началом для отсчета температур. Понятно, что не может быть
42. Температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, называется абсолютной, а шкала температур называется шкалой Кельвина.
43. Практически измерять кинетическую энергию молекул газа непосредственно невозможно. Поэтому для измерения температуры используют различные косвенные методы. Температура измеряется при помощи различных термодинамических устройств - термометров).
44. Использование термометров основано на том факте, что два соприкасающихся тела с разными температурами через некоторое время приходят к состоянию теплового равновесия и принимают одинаковую температуру.
45. Численный отсчет температуры производится по шкале температур. За основную единицу измерения температуры принимают градус, имеющий разную величину в различных температурных шкалах. Шкала температур устанавливается путем деления разности показаний термометра в двух произвольно выбранных постоянных температурных точках, называемых реперными или опорными, на некоторое число равных частей — градусов.
46. Ввиду того, что выбор постоянных температурных точек и цены деления шкалы является произвольным, имеется ряд различных шкал температуры.
47. В настоящее время применяются различные температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, Ранкина.
48. По шкале Цельсия (
49. В 1724 г. Фаренгейт предложил термометр, в качестве реперных точек которого приняты: +212 °F — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении; +32 °F - температура таяния льда. Разность температур кипения воды и таяния льда по шкале Фаренгейта равна 212°— 32° = 180 °F, а по шкале Цельсия —100 °C. Следовательно, 1 °F соответствует 5/9 °C, а 1 °C— 1,8°F.
50. Шкала Реомюра (
51. Шкала Ранкина (
0=273,15 К) соответствует 491,67°Ra, а температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении
0=373,15 К) соответствует 671,67 °Ra.
52. Решением Международного комитета мер и весов приняты две шкалы: термодинамическая температурная шкала, которая принята основной, и Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), выбранная таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической. В основу построения термодинамической шкалы положен тот факт, что в циклах Карно, располагающихся между двумя адиабатами, разность температур изотерм считается постоянной, если в механическую работу превращаются одинаковые количества теплоты. Наиболее универсальной шкалой температур является абсолютная термодинамическая шкала температур — шкала Кельвина.
53. В шкале Кельвина используется единственная экспериментальная реперная точка — тройная точка химически чистой воды (в термодинамическом равновесии находятся три агрегатных состояния; лед, жидкая вода и пар). Этому состоянию соответствует температура 273,15 К (0,01 °С). Второй постоянной точкой является абсолютный нуль температур (0 К). Кельвин — единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале, равная 1/273,15 части интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки воды.
54. Практическим осуществлением термодинамической шкалы температур является Международная практическая температурная шкала. В этой шкале используется одиннадцать реперных точек. В табл. 1.2 приведены значения основных реперных точек.
55. Таблица 1.2
| Равновесное | МПШТ-68 | |
| состояние | T 68 | t 68 |
| Точка кипения кислорода | 90,188 К | -182,962 0C |
| Тройная точка воды | 273,16 К | +0,01 0C |
| Точка кипения воды | 373,15 К | +100,0 0C |
| Точка плавления цинка | 692,73 К | +419,58 0C |
| Точка плавления серебра | 1235,08 К | +961,93 0C |
| Точка плавления золота | 1337,58 К | +1064,43 0C |
| Температуры кипения м плавления даны при давлении 101325 Па | ||
56.
57. Удельный объем вещества — это объем, занимаемый единицей массы данного вещества.
58. Плотность вещества r — величина, обратная удельному объему и определяющая количество вещества, заключенное в единице объема.
59. Единица плотности в СИ — кг/м3, в системе СГС — г/см3. Плотность и удельный объем зависят от температуры и давления, то есть от термодинамического состояния вещества. Обычно в справочниках приводятся их значения при нормальных физических условиях. За нормальные физические условия принимают давление, равное 101,325 кПа (760 мм рт. ст.), и температуру, равную О °С.
60. Количество вещества. Единицей количества вещества в СИ является моль. Кроме моля применяют кратные и дольные части от моля (кмоль, Ммоль и др.). Количество вещества — это физическая величина, определяемая числом структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов). Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.
61. Молярной массой вещества называют отношение массы вещества к его количеству:
62.
63. где m — молярная масса. Если
—
в молях, m
— выразиться в кг/моль.
64.
65. 1
.4.2.Калорические параметры состояния
66. К калорическим параметрам состояния относятся, как уже отмечалось, внутренняя энергия
67. Внутренняя энергия. Любая термодинамическая система в каждом состоянии обладает запасом полной энергии
68.
69. Если тело не движется, а влиянием внешнего поля сил можно пренебречь, то полная энергия будет представлять собой только внутреннюю энергию.
70. Любая термодинамическая система (рабочее тело) обладает запасом внутренней энергии, которая состоит из энергии хаотического (теплового) движения и взаимодействия молекул. Поскольку внутренняя энергия рабочего тела зависит от его массы, обычно интересуются значением внутренней энергии, отнесенной к 1 кг массы тела, — удельной внутренней энергией
71.
72. В общем случае удельная кинетическая энергия теплового движения состоит из удельной кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движений молекул, зависящей только от температуры рабочего тела, и удельной потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой, которая, в свою очередь, зависит от среднего расстояния между молекулами, т. е. от занимаемого рабочим телом объёма. Следовательно, в общем случае удельная внутренняя энергия рабочего тела зависит от его температуры
73.
74. Таким образом, важнейшим свойством удельной внутренней энергии рабочего тела является то, что она представляет собой однозначную функцию состояния тела, определяемого любой парой его основных параметров (
,
,
), и сама может служить параметром состояния. Из этого свойства следует, что изменение удельной внутренней энергии не зависит от характера процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями рабочего тела. Следовательно, бесконечно малое приращение удельной внутренней энергии является полным дифференциалом
75. В идеальном газе силы взаимодействия между молекулами отсутствуют и удельная потенциальная энергия его равна нулю. Поэтому удельная внутренняя энергия идеального газа состоит только из удельной кинетической энергии движения молекул
76.
77. В замкнутом (круговом) процессе, в котором начальное и конечное состояния совпадают, изменение удельной внутренней энергии равно нулю.
78. Определять абсолютное значение удельной внутренней энергии в большинстве технических расчетов не требуется, так как обычно необходимо знать только ее изменение. Поэтому условно приписывают некоторому состоянию рабочего тела нулевое значение удельной внутренней энергии, а все расчеты ведут относительно этого значения.
79. Энтальпия. Рассмотрим полную энергию газа, находящегося под давлением
80.
| Рис 1-1. К определению энтальпии газа |
81. Таким образом, если газ находится в среде с давлением
82.
83. Следовательно, удельная энтальпия, будучи зависимой от параметров состояния
84.
.
85. Как однозначная функция состояния удельная энтальпия может быть представлена в виде функции любой пары основных параметров состояния.
86. Удельная энтальпия идеального газа, как и его удельная внутренняя энергия, является функцией только температуры. Действительно:
87.
88. Удельная энтальпия, как и удельная внутренняя энергия, выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг).
89. Энтропия. Кроме рассмотренных параметров, в термодинамике широко используется еще один калорический параметр состояния — энтропия
, введенный Клаузиусом в 1865 г. при анализе круговых процессов.
90. Энтропия — параметр состояния, дифференциал которого равен отношению бесконечно малого количества теплоты
в элементарном обратимом процессе к абсолютной температуре 
, постоянной на бесконечно малом участке процесса, т. е.
91.
92. Если количество теплоты отнести к 1 кг вещества (
), то получим удельную энтропию
93.
94. которая выражается в джоулях на килограмм-кельвин [Дж/(кг • К)].
95.
96. 1.5.Законы идеальных газов
97. 1.5.1.Закон Бойля-Мариота
98. Бойль в 1662 году и Мариот в 1676 году обнаружили, что при
.
99. 1.5.2.Закон Гей-Люссака
100. Гей-Люссак в 1802 году опытным путём установил, что при
101. 1.5.3.Закон Авогадро
102. В 1811 году Авогадро выдвинул гипотезу: одинаковые объёмы различных газов при одинаковых физических условиях содержат одинаковые количества молекул. Эта гипотеза, став после её доказательства законом, приводит к одному важному следствию, согласно которому при одинаковых физических условиях для любых газов произведение молекулярной массы газа на его удельный объём есть величина постоянная, т. е.
.
103. Напомним, что молекулярной массой называется количество вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе. Например, молекулярная масса углерода равна 12 граммам, а кислорода - 32 граммам.
104. Произведение
представляет собой объём одного моля газа, который при нормальных физических условиях равен 22,4 м3.
105. Отметим, что нормальным физическим условиям соответствуют 760 мм рт. ст. и 0 0С, а нормальным техническим условиям - 735 мм рт. ст. и 10 0С.
106.
107. 1.6.Уравнение состояния
108. Сопоставление законов Бойля-Мариота и Гей-Люссака приводят к обобщённому закону Бойля-Гей-Люссака:
109.
,
110. где
- характеристическая постоянная идеального газа (при нормальных физических условиях 
, где 
- плотность при нормальных физических условиях).
111. Это уравнение, полученное Клайпероном в 1834 году, называется уравнением состояния идеальных газов или уравнением Клайперона.
112.
113. 1.7.Работа изменения объёма газа
114. Выше отмечалось, что любое изменение состояния рабочего тела, которое происходит в результате его энергетического взаимодействия с окружающей средой, представляет собой термодинамический процесс. В общем случае энергообмен в термодинамическом процессе может осуществляться посредством работы L либо теплоты Q. Работа и теплота являются энергетическими характеристиками термодинамического процесса.
115. Механическая работа против внешних сил, связанная с изменением объема, определяется выражением
116.
,
117. а удельная работа, т. е. работа, отнесенная к 1 кг вещества,— выражением
118.
,
119. где
— абсолютное давление (потенциал механического взаимодействия), — удельный объем (координата механического взаимодействия).
120. Для конечного процесса, при котором объем изменяется от
до 
, общее выражение удельной термодинамической работы следует записать так:
121.
122. В общем случае давление
— величина переменная, зависящая от 
. Для определения интеграла должна быть известна зависимость между и в данном процессе, т. е. надо знать уравнение процесса 
. Графически эта зависимость может быть изображена в 
-координатах кривой 1-2 (рис. 1.2).
123. Очевидно, численно удельная работа будет зависеть от характера кривой процесса и изображается в-координатах площадью, ограниченной кривой процесса, двумя ординатами и осью абсцисс.
124. При вычислении интеграла обнаруживается, что если объём рабочего тела уменьшается, то величина интеграла отрицательна, и наоборот. Поэтому если рабочему телу сообщается потенциальная энергия путём его сжатия, то работа изменения объёма есть величина отрицательная. Если же рабочее тело совершает работу расширяясь, то работа изменения объёма - положительна.
85. Как однозначная функция состояния удельная энтальпия может быть представлена в виде функции любой пары основных параметров состояния.
86. Удельная энтальпия идеального газа, как и его удельная внутренняя энергия, является функцией только температуры. Действительно:
87.
88. Удельная энтальпия, как и удельная внутренняя энергия, выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг).
89. Энтропия. Кроме рассмотренных параметров, в термодинамике широко используется еще один калорический параметр состояния — энтропия
90. Энтропия — параметр состояния, дифференциал которого равен отношению бесконечно малого количества теплоты
91.
92. Если количество теплоты отнести к 1 кг вещества (
93.
94. которая выражается в джоулях на килограмм-кельвин [Дж/(кг • К)].
95.
96. 1.5.Законы идеальных газов
97. 1.5.1.Закон Бойля-Мариота
98. Бойль в 1662 году и Мариот в 1676 году обнаружили, что при
99. 1.5.2.Закон Гей-Люссака
100. Гей-Люссак в 1802 году опытным путём установил, что при
101. 1.5.3.Закон Авогадро
102. В 1811 году Авогадро выдвинул гипотезу: одинаковые объёмы различных газов при одинаковых физических условиях содержат одинаковые количества молекул. Эта гипотеза, став после её доказательства законом, приводит к одному важному следствию, согласно которому при одинаковых физических условиях для любых газов произведение молекулярной массы газа на его удельный объём есть величина постоянная, т. е.
103. Напомним, что молекулярной массой называется количество вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе. Например, молекулярная масса углерода равна 12 граммам, а кислорода - 32 граммам.
104. Произведение
105. Отметим, что нормальным физическим условиям соответствуют 760 мм рт. ст. и 0 0С, а нормальным техническим условиям - 735 мм рт. ст. и 10 0С.
106.
107. 1.6.Уравнение состояния
108. Сопоставление законов Бойля-Мариота и Гей-Люссака приводят к обобщённому закону Бойля-Гей-Люссака:
109.
110. где
111. Это уравнение, полученное Клайпероном в 1834 году, называется уравнением состояния идеальных газов или уравнением Клайперона.
112.
113. 1.7.Работа изменения объёма газа
114. Выше отмечалось, что любое изменение состояния рабочего тела, которое происходит в результате его энергетического взаимодействия с окружающей средой, представляет собой термодинамический процесс. В общем случае энергообмен в термодинамическом процессе может осуществляться посредством работы L либо теплоты Q. Работа и теплота являются энергетическими характеристиками термодинамического процесса.
115. Механическая работа против внешних сил, связанная с изменением объема, определяется выражением
116.
117. а удельная работа, т. е. работа, отнесенная к 1 кг вещества,— выражением
118.
119. где
120. Для конечного процесса, при котором объем изменяется от
121.
| Рис. 1-2. К вычислению работы в термодинамическом процессе |
122. В общем случае давление
123. Очевидно, численно удельная работа будет зависеть от характера кривой процесса и изображается в
124. При вычислении интеграла обнаруживается, что если объём рабочего тела уменьшается, то величина интеграла отрицательна, и наоборот. Поэтому если рабочему телу сообщается потенциальная энергия путём его сжатия, то работа изменения объёма есть величина отрицательная. Если же рабочее тело совершает работу расширяясь, то работа изменения объёма - положительна.
