Теоретические основы теплотехники
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Агрус
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 104
Дополнительно
Доступ онлайн
В корзину
Изложены основы технической термодинамики, теории
теплопроводности и применения теплотехники в сельском хозяйстве,
составляющие необходимый и достаточный объем материала для
знакомства с дисциплиной «Теплотехника» и последующего
самостоятельного углубления знаний в различных областях прикладной
теплотехники.
Для студентов, обучающихся по специальности 23.03.03. -
«Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
и 35.03.06. - «Агроинженерия».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 23.00.00: ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА
- 35.00.00: СЕЛЬСКОЕ, ЛЕСНОЕ И РЫБНОЕ ХОЗЯЙСТВО
- ВО - Бакалавриат
- 23.03.03: Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов
- 35.03.06: Агроинженерия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ А. А. Яновский ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ Учебное пособие Ставрополь 2017
УДК 621.1.016(075) ББК 31.31я73 Я646 Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры общей и теоретической физики Северо-Кавказского федерального университета А. Я. Симоновский; канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой математики Ставропольского государственного аграрного университета Д. Б. Литвин Яновский, Александр Александрович Я646 Теоретические основы теплотехники : учебное пособие / А. А. Яновский ; Ставропольский гос. аграрный ун-т. – Ставрополь, 2017. – 104 с. Изложены основы технической термодинамики, теории теплопроводности и применения теплотехники в сельском хозяйстве, составляющие необходимый и достаточный объем материала для знакомства с дисциплиной «Теплотехника» и последующего самостоятельного углубления знаний в различных областях прикладной теплотехники. Для студентов, обучающихся по специальности 23.03.03. – «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и 35.03.06. – «Агроинженерия». УДК 621.1.016(075) ББК 31.31я73 Рекомендовано к изданию по решению методической комиссии электроэнергетического факультета СтГАУ (протокол № 13 от 04.12.2017) © Яновский А. А., 2017 © ФГБОУ ВО Ставропольский государственный аграрный университет, 2017
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ. 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА. 1.1. Основные понятия и определения термодинамики. Классическая термодинамика, представляющая собой раздел физики, является наукой о взаимном превращении механической работы и теплоты. В ее основе лежат фундаментальные законы природы. Разработка и совершенствование тепловых машин и установок, эффективное использование энергии и материальных ресурсов без использования методов термодинамики невозможно в современном мире. Совокупность инженерных разработок и приложений термодинамики образуют ее раздел, называемый технической термодинамикой. Рассмотрим основные понятия и определения, которые используют в технической термодинамике и в термодинамике вообще. Объектом исследования в термодинамике является термодинамическая система, представляющая собой совокупность материальных тел, находящихся во взаимодействии с окружающей средой. Например, для газа, находящегося в цилиндре с поршнем, окружающей средой является поршень, цилиндр и воздушное пространство вокруг них. Если в термодинамической системе нет поверхности раздела, то ее называют гомогенной (лед, вода, пар), в случае если термодинамическая система состоит из двух тел и, соответственно, присутствует поверхность раздела, ее называют гетерогенной (лед и вода, вода и пар и т.д.). Термодинамическая система может быть изолированной, полуизолированной и неизолированной. Изолированная термодинамическая система не обменивается теплотой и работой с окружающей средой, в полуизолированной возможен обмен либо теплотой, либо работой, неизолированная обменивается с окружающей средой и теплотой и работой. 3
Любое превращение теплоты в работу и наоборот, возможно только посредством рабочего тела. Рабочим телом называют тело, при помощи которого в тепловых машинах и установках получают работу или теплоту. Например, в холодильных установках рабочим телом является фреон, в паросиловых установках – пар и т.д. В большинстве случаев в технической термодинамике рабочим телом является газ. Это связано с тем, что тела совершают работу только при расширении. При подведении тепла наибольшей способностью к расширению обладают тела, которые находятся в газообразном состоянии. Любое равновесное состояние термодинамической системы характеризуется давлением, удельным объемом, температурой. Это основные параметры термодинамической системы. Давление – результат ударов молекул газа о стенки сосуда; определяется силой, действующей по нормали на единицу поверхности: , n F p S = (1.1) где Fn – нормальная составляющая силы, Н; S – площадь поверхности, на которую действует нормальная составляющая силы, м2. За единицу давления принят «паскаль»: 1 Па= Н/м2. В практике используют обозначения «килопаскаль» (кПа), «мегапаскаль» (МПа). В технике используют и внесистемные единицы измерения давления: техническая атмосфера 1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 9,81 · 104 Па = 0,981 бар. Термодинамическим параметром состояния может быть только абсолютное (полное) давление. Давление в замкнутом пространстве называется абсолютным, оно отсчитывается от абсолютного нуля давления или абсолютного вакуума. Оно может быть больше или меньше атмосферного давления: рабс= рбар + ризб (1.2) рабс= рбар – рвак, 4
где рабс – абсолютное давление; рбар – барометрическое (атмосферное) давление; ризб – избыточное давление; рвак – вакуумметрическое давление. Избыточное давление измеряется манометрами, разрежение (или «вакуум – недостача давления в системе до атмосферного давления») – вакуумметрами. Таким образом, манометры и вакуумметры показывают не абсолютное (полное) давление, а разность между абсолютным и атмосферным давлением. Удельный объем – объем единицы массы рабочего тела (м3/кг): , V v m = (1.3) где V – объем произвольного количества вещества, м3; m – масса этого вещества, кг. Величина, обратная удельному объему, – плотность (кг/м3): 1 m V v ρ = = , (1.4) Температура характеризует степень нагрева тела. Она пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул: 2 2 , 3 2 Б mw T k = (1.5) где m – масса молекулы; w – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул; kБ – постоянная Больцмана, 23 1,38 10 Дж / K Бk − = ⋅ . В термодинамике в качестве параметра состояния газа используется термодинамическая (абсолютная) температура (T). Она измеряется в градусах Кельвина (К), пропорциональна средней кинетической энергии движения молекул и отсчитывается от абсолютного нуля. С приближением температуры к абсолютному нулю интенсивность теплового движения молекул стремится к нулю. Кроме термодинамической (абсолютной) шкалы Кельвина применяется и Международная практическая стоградусная шкала (t), в которой единица 5
измерения температуры – градус Цельсия (°С). За ноль градусов (0°С) в этой шкале принята температура тающего льда, а за 100°С – температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Величина градуса Цельсия равна градусу Кельвина. Связь между этими шкалами определяется соотношением: o K 273,15 C. T t = + (1.6) Под термодинамическим процессом понимается совокупность состояний, которые последовательно проходит термодинамическая система при взаимодействии с окружающей средой. Состояние термодинамической системы может быть равновесным, в этом случае все параметры состояния системы (давление, удельный объем и температура) одинаковы во всех точках занимаемого ей объема. В неравновесном состоянии это условие не выполнено. Один из постулатов термодинамики гласит, что всякая изолированная термодинамическая система с течением времени приходит в состояние термодинамического равновесия и не может самопроизвольно выйти из него. Температура, при которой вода может одновременно находится в виде жидкой, твердой и газообразной фазы в равновесном состоянии называется тройной точкой. Эта температура равна Т = 273,16 К, в градусах Цельсия t = 0,01 °С. 1.2. Теплоемкость газа и ее виды. Истинная теплоемкость рабочего тела определяется отношением количества подведенной (отведенной) к единице количества (кг, моль или м3) рабочего тела теплоты при бесконечно малом изменении его состояния к связанному с этим изменению температуры рабочего тела: 0 lim T Q dQ С T dT Δ → Δ = = Δ , [Дж/К] (1.7) 6
Теплоемкость зависит от внешних условий и характера процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты. Вообще говоря, теплоемкость идеальных газов зависит от температуры газа и увеличивается при ее повышении. На практике же, при расчетах эту зависимость считают линейной. По единице (кг, моль или м3) количества рабочего тела различают массовую с, молярную сμ и объемную cꞋ удельные теплоемкости: 3 [Дж/кг К], [Дж/моль К], [Дж/м К]. C c m C c N C c V μ = ⋅ = ⋅ ′ = ⋅ (1.8) Если решение задачи требует вычислений в широком температурном диапазоне, то используется средняя теплоемкость: 2 1 2 1 0 0 2 1 , t t m c t c t с t t − = − (1.9) где 1 2 1 2 0 0 , t t c t c t средние значения теплоемкостей, приводимые в таблицах в температурном интервале от 0 °С до t1 и 0 °С до t2. В интервале температур от –50°С до +150 °С зависимостью теплоемкости от температуры пренебрегают, используя значение теплоемкости вещества рабочего тела для температуры 0 °С. Широкое применение в термодинамике имеют теплоемкости при постоянном давлении ср и при постоянном объеме cv (изобарная и изохорная теплоемкости). В термодинамике важное значение имеет соотношение теплоемкостей ср и cv, которое обозначается буквой k и называется показателем адиабаты: . p v c k c = (1.10) 7
Для одноатомного газа показатель адиабаты k=1,67, для двухатомного k=1,40, для трех- и многоатомного k=1,29. Количество теплоты q, Дж, подводимой или отводимой в термодинамическом процессе, можно вычислить по следующим формулам: 2 1 2 1 2 1 ( ), ( ), ( ). m q mc t t q Vc t t q Nc t t μ = − ′ = − = − Связь между теплоемкостями определяется уравнением Майера: , p v с c R − = (1.11) где R=8,341 [Дж/моль·К] – универсальная газовая постоянная. R представляет собой работу, которую выполняет 1 молем идеального газа при изобарическом расширении при его нагревании на 1 К. 1.3. Уравнение состояния. Уравнение, которое устанавливает связь между давлением, температурой и удельным объемом среды постоянного состава, называется термическим уравнением состояния. Таким образом, уравнение состояние имеет две независимые переменные, которыми могут выступать любые два параметра из трех: p, v, T. Например, если принять за независимые переменные v и Т, то уравнение состояния можно записать как функцию p=f(v, T). Так как функция двух независимых переменных представляет собой некоторую поверхность в трехмерной системе координат, то ее «чтение» и интерпретация представляется затруднительной. На практике рассматривают изменение двух параметров, а третий остается постоянным. Это позволяет строить графики в двухмерной системе координат, анализировать которые гораздо проще. Графики в таких системах координат называют диаграммами состояния вещества. Наиболее часто применяют диаграммы с координатами 8
pv, pT, vT, Ts, is. Параметры s – энтропия, i – энтальпия, о них речь пойдет позже. Для каждого из веществ характер функциональной связи индивидуален и уравнение состояния имеет определенный вид. Проблема построения уравнения состояния в настоящее время окончательно не решена даже для реальных газов, не говоря уже о жидких и твердых телах. Теория уравнения состояния разработана только для идеальных газов, т.е. для газов имеющих малую плотность, между частицами, которого нет дальнодействующих сил притяжения или отталкивания, а время взаимодействия между частицами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. Потенциальная энергия взаимодействия между частицами идеального газа считается пренебрежимо малой по сравнению с их кинетической энергией. Уравнение состояния идеального газа впервые было получено Клапейроном в 1834 г. Это удалось сделать путем объединения уравнений описывающих законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака (о законах идеальных газов речь пойдет ниже). Уравнение состояния идеальных газов имеет вид , u pv R T = (1.12) Здесь Ru – удельная газовая постоянная, отнесенная к массе газа, равной 1кг [Дж/кг·К]. Уравнение (1.12) записано для 1 кг газа. Для произвольной массы m уравнение принимает вид , u pV mR T = (1.13) V – объем газа, м3. Уравнение (1.12), описывающее поведение идеальных газов, может быть применено для реальных газов с малой плотностью в условиях высоких температур. Умножим обе части уравнения (1.12) на молярную массу / m N μ = , [кг/моль], N – число молей вещества, получим: , pV RT μ = (1.14) 9
где Vμ - объем, занимаемый одним молем газа, V v μ μ = ; R – универсальная газовая постоянная, которая одинакова для всех газов. Уравнение (1.14) было выведено Д.И. Менделеевым в 1874 г. и называется уравнением Клапейрона Менделеева. В СИ единицей количества вещества принят моль, равный количеству вещества системы, в которой содержится столько же структурных элементов (атомов, ионов, молекул, электронов или других частиц) сколько атомов находится в 0,012 кг изотопа углерода 12С. Молярным объемом [м3/моль] вещества называется величина, определяемая как отношение объема, занимаемого N молями вещества, к числу этих молей: / , V V N μ = (1.15) где V - объем газа в м3. Авогадро в 1811 г. доказал, что в равных объемах различных газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул. Число молекул газа определяется числом Авогадро 23 6,022 10 A N = ⋅ моль-1. Из закона Авогадро следует, что при одинаковых температурах и давлениях плотности газов изменяются пропорционально их молярным массам: 1 2 1 2 / / . ρ ρ μ μ = (1.16) Отсюда можно сделать вывод, что 1 1 2 2 . const ρ μ ρ μ ρμ = = = Следовательно, при одинаковых температурах и давлениях один моль различных газов занимает одинаковый объем. При нормальных условиях один моль идеального газа равен 22,41 л. 10
Доступ онлайн
В корзину