Файл: В.В. Назаревич Параметры и функции состояния рабочего тела. Приборы для измерения параметров состояния.pdf

17

определяют по весу груза, поршня и площади поршня.

Рис. 16. Схема поршневого манометра

3.4.2.3. Электрические манометры

Электрические манометры или электрические индикаторы давления широко применяют для измерения быстроменяющихся, высоких и сверхвысоких давлений. Принцип работы электрических манометров основан на использовании таких физических явлений, как изменение сопротивления проводников при воздействии внешнего давления, возникновение электрических разрядов при деформации некоторых кристаллов в определённом направлении, изменение электрической ёмкости и т.д.

Пьезоэлектрические манометры. Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая вырезается перпендикулярно электрической оси кристаллов кварца.

где P – давление, действующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S ; – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н.

18

Устройство датчика пьезоэлектрического манометра показано на рис. 18. В корпусе датчика расположены две кварцевые пластины 1, прижатые сторонами с одинаковой полярностью к пластине 2. Вторые стороны кварцевых пластин прилегают к металлическим опорам 3, зажатым мембраной 4 и гайкой 5. Датчик соединяется с измеряемой сре-

дой каналом 6. При измерении дав-

средой, в которой измеряется давление.

Для измерения сопротивления датчика обычно применяют мосты или потенциометры.

Все перечисленные приборы для измерения температуры и давления являются устройствами для прямого или косвенного сравнения измеряемых величин с соответствующими единицами измерений.

19

С точки зрения назначения и точности измерения различают приборы: образцовые, лабораторные, технические.

Образцовые предназначены для воспроизведения и хранения единиц измерения, для проверки и градуировки лабораторных и технических приборов.

Лабораторные предназначены для лабораторных работ, нуждающихся в учёте класса точности измерений.

Технические используют для практических целей при определённой, установленной характером производства, точности измерения.

Для каждого типа прибора устанавливается допустимая погрешность – разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины. Величина допустимой погрешности от максимального значения шкалы прибора, выраженная в процентах, считается классом точности прибора. Наиболее распространённые приборы имеют классы точности: 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Технические приборы выпускают 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 классов точности.

4.ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ

4.1.Кроме разобранных основных трёх параметров P , T и υ, из которых два определяют непосредственным измерением, существует вторая, более сложная, категория параметров, дополняющих основные. Это так называемые функции состояния. Особенность функций состояния заключается в том, что их нельзя замерить, они определяются только расчётным путём. К функциям состояния относятся внутренняя

энергия, энтропия, энтальпия, эксергия.

Изменение функций состояния зависит только от начальных и конечных значений основных параметров. В силу чего их называют функциями состояния.

4.2.Внутренняя энергия U , согласно МКТ, − это сумма кинетической энергии поступательного и колебательного движений молекул, которая зависит от температуры вещества; потенциальной энергии – энергии взаимосвязи между молекулами и атомами, последняя зависит от удельного объёма.

Следовательно, всякое изменение внутренней энергии тела (если отсутствуют химические превращения) заключается в изменении энергетических составляющих теплового движения его молекул и удельно-

20

го объёма. Таким образом U , отражая состояние рабочего тела, является однозначной и непрерывной функцией параметров состояния тела

∆ U = U2 – U1 = f2(P2υ2T2) – f1(P1υ1T1).

На практике чаще пользуются формулой

∆U =Cy∆t ,

где Cy – удельная, средняя изохорная теплоёмкость рабочего тела.

Втермодинамике обычно находят лишь изменение внутренней энергии в заданном процессе, которое целиком определяется начальным и конечным состоянием рабочего тела и совершенно не зависит от его промежуточных состояний.

ВСИ изменение внутренней энергии ∆U измеряют в джоулях (Дж), а удельная внутренняя энергия ∆U , отнесённая к 1 кг рабочего тела, – в Дж/кг.

21

При любом бесконечно малом изменении состояния системы изменение энтальпии равно

di = dg +VdP ,

где dg – это количество тепла, полученное системой; VdP – работа

внешних сил над системой.

Из выражения видно, что в изобарном процессе при P = const и VdP =0 кол-во тепла, участвующего в процессе, равно разности эталь-

пий в конце и в начале процесса:

∆g p =i2 −i1. ∆i =C p∆t ,

где C p – удельная средняя изобарная теплоёмкость рабочего тела.

Последнее положение весьма удобно при проведении термодинамических анализов. На практике обычно требуется знать только изменение энтальпий в процессе, которое полностью определяется начальным и конечным состоянием рабочего тела и не зависит от промежуточных состояний.

4.4.Энтропия – это отношение теплоты, участвующей в процессе,

кабсолютной температуре рабочего тела.

Теплота q 1 кг любой термодинамической системы с температу-

рой рабочего тела T , с энергетической точкой зрения возможности получения полезной работы, состоит из двух частей: превратимой, которая при данной температуре окружающей среды способна перейти в

работу l, и непревратимой, равной q TT0 , которая остаётся в системе, q =l +q TT0 .

Непревратимая часть тепла системы q TT0 , равная произведению тепла на отношение абсолютных температур тел, участвующих в про-

цессе, содержит отношение, называемое энтропией: S = Tq .

Можно рассматривать энтропию как тепло, уходящее в окружающую среду в процессе преобразования тепла в работу. В адиабатной системе dS =0 .

Чем ниже температура T рабочего тела, тем больше энтропия и тем меньшая часть тепла системы может быть превращена в работу. Поскольку в реальных необратимых процессах в результате теплообме-

22

на температура рабочего тела падает, энтропия растёт, следовательно, энтропия системы является показателем необратимости процесса и снижения её работоспособности. В современной науке известны процессы, протекающие с уменьшением энтропии. Изменение энтропии в процессе можно определить через начальные и конечные параметры тела:

Кроме изложенного, энтропию можно рассматривать как среднюю, изохорную массовую теплоёмкость в интервале температур от абсолютного нуля до данной.

Поскольку рост энтропии указывает на наличие потерь полезной работы, следовательно, энтропийный метод анализа позволяет оценить достоинства, выявить недостатки тепловой машины по преобразованию тепла в работу и наметить пути совершенствования процессов преобразования.

4.5 Эксергия e – это максимальная работа, которую может совершить рабочее тело в данных условиях, пока его параметры не выровняются с параметрами окружающей среды. Это превратимая в работу часть общего тепла системы, участвующего в процессе:

e =lmax = q −T0( S1 −S0 ) =( i1 −i0 ) −T0( S1 −S0 ),

где i0 , S0 – энтальпия и энтропия рабочего тела в состоянии равновесия с окружающей средой; T0 – абсолютная температура окружающей среды; i1, S1 – энтропия и энтальпия рабочего тела на момент начала процесса; q – тепло системы.

Выражение T0( S1 −S0 ) характеризует потери полезной работы в

результате необратимости процесса. Это та часть из общего количества тепла, участвующего в процессе, которая в данных условиях не может превратиться в работу. Оставаясь в системе, это тепло при соответствующих условиях может быть преобразовано в работу. Иногда эти потери полезной работы называют анергией. Из определения эксергии видно, что если энтропия системы увеличивается, то её максимальная полезная работа уменьшается.