Файл: Введение. Дисциплина Теплотехника. Урок 1 Ткачева Е. С.ppt

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Теплотехника

Техническая термодинамика

Теория теплообмена

Тепловые процессы и аппараты

Страны	Энерго-потребление, млн. т н.э.	Распределение, %
		Нефть	Газ	Уголь	АЭС	ГЭС
США	2361	39,9	25,2	23,4	8,1	2,4
Китай	1863	19,7	3,3	70,4	0,7	5,9
Россия	692	18,2	57,1	13,7	5,2	5,8
Япония	518	44,2	15,7	24,2	12,2	3,7
Индия	404	31,8	9,0	51,4	1,0	6,8
Канада	322	31,8	26,3	10,8	10,4	25,9
Германия	311	36,2	24,0	27,7	10,2	2,0
Франция	255	35,8	14,8	4,7	39,1	1,0
Республика Корея	234	46,0	14,2	25,5	13,8	0,5
Бразилия	217	44,5	9,1	6,3	1,3	38,8
Великобритания	216	36,2	38,1	18,2	6,5	0,6
Иран	183	42,1	55,1	0,6	-	2,2

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Базируется на двух основных законах (началах) термодинамики:
I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии;
II закон термодинамики – устанавливает условия , необходимые для превращения тепловой энергии в механическую в системах, состоящих из большого количества частиц.
Объектом исследования является термодинамическая система.
Изолированная система - система не взаимодействующая с окружающей средой.
Адиабатная (теплоизолированная) система –имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой с окружающей средой.
Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.
Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению (лед, вода, газы).
Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

Параметры состояния

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.
υ = V / m , [м3/кг] ,
Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.
ρ = m / V , [кг/м3], υ = 1 / ρ ; ρ = 1 / υ ; υ.ρ = 1 .
Давление – с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.
Р = F / S ; [Па] = [Н/м2]
Внесистемные единицы давления: 1 кгс/м2 = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст. 1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см2 = 98,1 кПа. 1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст. 1 ат. = 0,968 атм. 1 мм.рт.ст. = 133,32 Па. 1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 105 Па.

Первый закон термодинамики

Q = (U2 – U1) + L ,
где Q - количества теплоты подведенная (отведенная) к системе; L - работа, совершенная системой (над системой); (U2 – U1) - изменение внутренней энергии в данном процессе.

Если: Q > 0 – теплота подводится к системе; Q < 0 – теплота отводится от системы; L > 0 –работа совершается системой; L < 0 – работа совершается над системой.

Для единицы массы

q = Q /m = (u2 – u1) + l .

I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии;

Теплоемкость газа

С = dQ / dT , [Дж /К]
Различают следующие удельные теплоемкости:
массовую – с = С / m , [Дж/кг] ;
молярную – сμ = С / ν , [Дж/моль] , (где ν – количество вещества моль);
объемную – сv = С / V = с·ρ , [Дж/м3] , (где - ρ = m / V - плотность вещества).
Различают теплоемкости Ср при постоянном давлении (изобарный) и при постоянном объеме Сv(изохорный).
Между изобарными и изохорными теплоемкостями существует следующая зависимость- уравнение Майера:
ср - сv = R сpμ- сvμ = Rμ .
Средняя теплоемкость в интервале температур от t1 до t2 : Cm = Δq/ΔT
q = cm(t2 – t1)

Универсальное уравнение состояния идеального газа

Для 1 кг массы газа
Р·υ = R·Т
Для произвольного количества газа массой m :
Р·V = m·R·Т
Универсальное уравнение состояния для 1 кг газа, которое называют уравнением Клапейрона-Менделеева:
Р·υ = Rμ·Т/μ ,
где: μ - молярная (молекулярная) масса газа, (кг/кмоль);Rμ = 8314,20 Дж/кмоль (8,3142 кДж/кмоль) - универсальная газовая постоянная и представляет работу 1 кмоль идеального газа в процессе при постоянном давлении и при изменении температуры на 1 градус
Зная Rμ можно найти газовую постоянную R = Rμ/μ.
Для произвольной массы газа уравнение Клапейрона-Менделеева
Р·V = m·Rμ·Т/μ

Смесь идеальных газов

Газовая смесь подчиняется закону Дальтона:
Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих смесь.
Р = Р1 + Р2 + Р3 + . . .+ Рn = ∑ Рi ,
где Р1, Р2, Р3 . . . Рn – парциальные давления.
Состав смеси задается объемными, массовыми и мольными долями, которые определяются соответственно по следующим формулам:
r1 = V1 / Vсм ; r2 = V2 / Vсм ; … rn = Vn / Vсм ,
g1 = m1 / mсм ; g2 = m2 / mсм ; … gn = mn/ mсм ,
r1′ = ν1 / νсм ; r2′ = ν2 / νсм ; … rn′ = νn / νсм ,
где V1 ; V2 ; … Vn ; Vсм –объемы компонентов и смеси; m1 ; m2 ; … mn ; mсм – массы компонентов и смеси; ν1 ; ν2 ; … νn ; νсм – количество вещества (киломолей) компонентов и смеси.

Для идеального газа по закону Дальтона:
r1 = r1 ′ ; r2 = r2 ′ ; … rn = rn′ .
Так как
V1 +V2 + … + Vn = Vсм и m1 + m2 + … + mn = mсм , то
r1 + r2 + … + rn = 1 ,
g1 + g2 + … + gn = 1.
Связь между объемными и массовыми долями следующее:
g1 = r1∙μ1/μсм ; g2 = r2∙μ2 /μсм ; … gn = rn∙μn /μсм ,
где: μ1 , μ2 , … μn , μсм – молекулярные массы компонентов и смеси.
Молекулярная масса смеси:

μсм = μ1 r1 + r2 μ2+ … + rn μn .
Газовая постоянная смеси:
Rсм = g1 R1 + g2 R2 + … + gn Rn = = Rμ (g1/μ1 + g2/μ2+ … + gn/μn ) = = 1 / (r1/R1 + r2/R2+ … + rn/Rn) .
Удельные массовые теплоемкости смеси:
ср см. = g1 ср 1 + g2 ср 2 + … + gnср n .
сv см. = g1сv 1 + g2сv 2 + … + gnсv n .
Удельные молярные (молекулярные) теплоемкости смеси:
срμ см. = r1 срμ 1 + r2 срμ 2+ … + rn срμ n.
сvμ см. = r1 сvμ 1 + r2 сvμ 2+ … + rn сvμ n.

Второй закон термодинамики

1 формулировка (Оствальда): "Вечный двигатель 2-го рода невозможен".
2-я формулировка (Клаузиуса): "Теплота не может самопроизвольно переходит от более холодного тела к более нагретому".
3-я формулировка (Карно): "Там где есть разница температур, возможно совершение работы".
Энтропия
dS = dQ / T [Дж/К]
или для удельной энтропии:
ds = dq / T [Дж/(кг·К)]
Так как энтропия не зависит от вида процесса и определяется начальными и конечными состояниями рабочего тела, то находят только ее изменение в данном процессе, которые можно найти по следующим уравнениям:
Δs = cv·ln(T2/T1) + R·ln(υ 2/υ 1) ;
Δs = cp·ln(T2/T1) - R·ln(P2/P1) ;
Δs = cv·ln(Р2/Р1) + cр·ln(υ 2/υ 1) .
Если энтропия системы возрастает (Δs > 0), то системе подводится тепло.
Если энтропия системы уменьшается (Δs < 0), то системе отводится тепло.
Если энтропия системы не изменяется (Δs = 0, s = Const), то системе не подводится и не отводится тепло (адиабатный процесс).

Цикл и теоремы Карно

Термический коэффициент полезного действия (т.к.п.д.).
ηt = Lц / Qц ,
или
ηt = (Q1 – Q2) / Q1
.
Для обратимого цикла Карно т.к.п.д. определяется по формуле:
ηt к = (Т1 – Т2) / Т1 .

Основные процессы термодинамики :изохорный, изотермический, изобарный и адиабатный
Δu = сvм|0t2·t2 - сvм|0t1·t1, или, при постоянной теплоемкости, ΔU = m·сv·(t2 - t1)
Вычисляется работа: L = P·(V2 – V1)
Определяется количество теплоты в процессе:
q = cx·(t2- t1)
Определяется изменение энтальпии :
Δi = (i2 – i1) = сpм|0t2·t2 – сpм|0t1·t1,
или при постоянной теплоемкости:
Δi = сp·(t2 – t1)
Определяется изменение энтропии:
Δs = cv·ln(T2/T1) + R·ln(υ 2/υ 1)
Δs = cp·ln(T2/T1) - R·ln(P2/P1)
Δs = cv·ln(T2/T1) + cp·ln(υ 2/υ 1)
Все процессы рассматриваются как обратимые

Термодинамические процессы

Изохорный процесс
υ = Const , υ 2 = υ 1.
Уравнение состояния:
P2 / P1 = T2 / T1
Работа l = 0 :
q = Δu = = сv·(t2 - t1);

Изобарный процесс

P = Const , P2 = P1 Уравнение состояния :
v 2 /v 1 = T2 / T1 ,
Работа процесса:
l = P·(v 2 - v 1).
q = Δu + l = ср·(t2 - t1);

Изотермический процесс
Т = Const , Т2 = Т1
Уравнение состояния:
P1 / P2 = v 2 / v 1 , Δu = 0
q = l = R·T·ln(v 2/v 1), или q = l = R·T·ln(P1/P2), где R = Rμ/ μ

Адиабатный процесс . q =0. Уравнение состояния:
P· vk = Const, где k = cp / cv – показатель адиабаты. l = -Δu = -сv·(t2 – t1) = сv·(t1 – t2),
l = R·(T1 – T2) / (k -1) l = R·T1·[1 – (v 1/ v 2) k -1) ]/(k – 1) l = R·T2·[1 – (P2/P1) (k -1)/ k)] /(k – 1).

Политропный процесс
Уравнение состояния:
P· vn = Const, где n – показатель политропы при n = ± ∞ v = Const, (изохорный), n = 0 P = Const, (изобарный), n = 1 T = Const, (изотермический), n = k P· vk= Const, (адиабатный). l = R·(T1 – T2) / (n – 1); l = R·T1·[1 – (v 1/ v 2) n-1] /(n – 1); l = R·T2·[1 – (P2/P1) (n-1)/ n] /(n – 1).
Теплота процесса:
q = cn ·(T2 – T1), где cn = cv ·(n - k)/(n – 1) – массовая теплоемкость политропного процесса.

Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух

Свойства реальных газов
Реальные газы отличаются от идеальных газов тем, что молекулы этих газов имеют объемы и связаны между собой силами взаимодействия
P·V/(R·T)=c,
где С – коэффициент сжимаемости.
P·V = R·[1 - Σv/(v + 1)·Bv / vv]
Bv – вириальные коэффициенты, выражаются через потенциальные энергию взаимодействия молекул данного газа и температуру Т. При учете первых двух коэффициентов:
P·V = R·(1 – А/V- B/ V2),
где А и В - первый и второй вириальные
коэффициенты, являющиеся функцией
только температуры.

Основы теории теплообмена

Перенос теплоты может передаваться тремя способами:
теплопроводностью;
конвекцией;
излучением (радиацией).
Температурное поле. Уравнение теплопроводности

Закон Фурье: Тепловой поток, передаваемая теплопроводностью, пропорциональна градиенту температуры и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.
Q = -λ∙F∙ ∂t/∂n,
или
q = -λ ∙ ∂t/∂n ∙no = -λ∙gradt , где: q – вектор плотности теплового потока; λ – κоэффициент теплопроводности, [Вт/(м∙К)].

Однородная плоская стенка

Температуры поверхностей стенки –tст1 и tст2. Плотность теплового потока:
q = -λ∙ ∂t/∂n = - λ∙ ∂t/∂x = - λ∙ (t cт2 – t cт1)/(xcт2 - xcт1), или q = λ∙ (tcт2 - tcт1)/(xcт2 - xcт1)∙ Δt/Δx