Шпаргалка по теплотехнике

1Предмет термодинамики и се задачи. Тепловая энергия и ее роль в современной энергетике. Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов два направления использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в ДВС. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).  

2 Термодинамическая система.  
Термодинамика базируется на I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии; 
II закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц. 
Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что вне системы окружающей средой. Т/д система это совокупность макроскопических тел, обменивающиеся энергией друг с другом и окружающей средой

Изолированная система - т/д система не взаимодействующая с окружающей средой. 
Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) 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

Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами

Параметры Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – уд. объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р).  

 

 

 

 

 

3 термодинамический процесс.

термодинамический процесс) — изменение макроскопического состояния термодинамической системы.

Система, в которой идёт тепловой процесс, называется рабочим телом.

Основные т/д параметры состояния Р, υ, Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаня между собой определенным математическим уравнением, который называется уравнением состояния:

f (Р, υ, Т) = 0 . (1.7)

Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, υ и Т и все другие физические свойства одинаковы. 
Т/д процессы бывают равновесные и неравновесные Равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений.

Неравновесные процессы, — физические процессы, включающие неравновесные состояния. Примеры: процесс установления равновесия (термодинамического или статистического) в системе, находившейся ранее в неравновесном состоянии; переход системы из равновесного состояния в неравновесное или из одного неравновесного состояния в другое под влиянием внешних возмущений 
Если при любом т/д процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т.д. 
Интенсивные параметры – это параметры не зависящие от массы системы (давление, температура). 
Аддитивные (экстенсивные) параметры – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (Объем, энергия, энтропия и т.д.).

 

5 ВОПРОС

Смеси идеальных газов.

Газовая смесь – это механическая смесь отдельных газов, не вступающих между собой ни в какие химические реакции. Газовая смесь может быть задана массовыми, объёмными и мольными долями:

Причём, имеют место быть условия:

Где k – количество газов, составляющих газовую смесь.

Соотношения, связывающие вышеприведённые уравнения:

Газовая постоянная смеси газов:

Средняя молекулярная масса смеси газов:

Парциальное давление газа:

4 ВОПРОС

ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ       

Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.      

1. Изохорический процесс. Закон Шарля. V = const.       

Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V. Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля:       

При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const.        

2. Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.       

Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р. Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака:       

При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.      

Уравнение изобары:

.

 

       3. Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const.        

Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.      

Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта:      

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.      

Уравнение изотермы:

 

       4. Адиабатический процесс (изоэнтропийный):       

Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.      

5. Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов.      

6. Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится NA=6,02·1023молекул (число Авогадро).      

В соответствии с законами Бойля – Мариотта (1.4.5) и Гей-Люссака (1.4.3) можно сделать заключение, что для данной массы газа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 ВОПРОС

РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Реальные газы 
Модель идеального газа, используемая в молекулярно-кинетической теории газов, позволяющая описывать поведение разрежённых реальных газов при достаточно высоких температурах и низких давлениях. При выводе уравнения состояния идеального газа размерами молекул и их взаимодействием друг с другом пренебрегают. Повышение давления приводит к уменьшению среднего расстояния между молекулами, поэтому необходимо учитывать объём молекул и взаимодействие между ними. При высоких давлениях и низких температурах указанная модель идеального газа непригодна. 
При рассмотрении реальных газов – газов, свойства которых зависят от взаимодействия молекул, надо учитывать силы межмолекулярного взаимодействия. Они проявляются на расстояниях ≤10-9 м. и быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами. Такие силы называются короткодействующими. 

Уравнение состояния газа устанавливает зависимость между основными параметрами состояния газов р, v и Т. Зависимость между этими параметрами, характеризующими состояние газов, устанавливается из закона Бойля - Мариотта и Гей-Люссака.

Предположим, что идеальный газ массой 1 кг с. начальными параметрами р1, v1 и Т1 переходит в новое состояние, характеризуемое параметрами р1, v1и Т1. Этот переход происходит сначала при постоянном давлении p1 до некоторого промежуточного объема v’ а затем при постоянной температуре Т2 до конечного объема v2.

Изменение состояния газа при постоянном давлении, согласно закону Гей-Люссака,

v1/v' = T1/T2,

откуда

v' = v1T2/T1.

Изменение состояния газа при постоянной температуре, согласно закону Бойля - Мариотта

v'/v2 = p2/p1,

откуда  v' = p2v2/p1.

Приравнивая уравнения, получим v1T2/T1 = p2v2/p1.

Умножив обе части уравнения на р1/Т2, получим

p1v1T2/(T1T2) = p1p2v2/(p1T2),

или p1v1/T1 = p2v2/T2 = pv/T = const

.Постоянную величину const называют удельной газовой постоянной и обозначают буквой R, тогда уравнение примет вид

pv/T = R или pv = RT.

Это уравнение называют уравнением состояния идеального газа или уравнением Клапейрона. Его называют также характеристическим уравнением для 1 кг массы газа. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 ВОПРОС

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ КАК ПАРАМЕТР СОСТОЯНИЯ

Под внутренней энергией газа понимается вся энергия, заключенная в теле или системе тел. Эту энергию можно представить в виде суммы от-дельных видов энергий: кинетической энергии молекул, включающей энергию поступательного и вращательного движения молекул, а также колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии, электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии или энергии положения молекул в каком-либо внешнем поле сил; энергии электромагнитного излучения.

Термодинамика не исследует внутреннее движение частиц и силы взаимодействия между ними, поэтому в рамках этой науки невозможно получить математическое выражение для вычисления внутренней энергии термодинамической системы. Это выражение находят из специальных опытов или из статистической теории.

Наиболее просто получить выражение для вычисления внутренней энергии идеального газа. Так как молекулы идеального газа не взаимодействуют между собой, то его внутренняя энергия U равна

где N – число молекул в газе, а средняя энергия  , приходящаяся на одну молекулу, согласно теореме распределения, равна

где i – число степеней свободы молекулы. Подставляя последнее выражение в (4.2.1), получим

Умножив и разделив правую часть формулы на число Авогадро   , получим

Учитывая, что   , соотношение можно представить в виде:

 

Как видно из формулы (4.2.4), внутренняя энергия идеального газа зависит от его температуры T, количества молей   и от сложности строения молекулы, характеризуемой ее числом степеней свободы i.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8ВОПРОС

ТЕПЛОЕМКОСТЬ. СРЕДНЯЯ И ИСТИНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Известно, что подвод теплоты к рабочему телу или отвод теплоты от него в каком-либо процессе приводит к изменению его температуры. Отношение количества тепло¬ты, подведенной (или отведенной) в данном процессе, к изменению температуры называется теплоемкостью тела (системы тел):

 C=dQ/dT

Cx=(dQ/dT)x

.Средняя и истинная теплоёмкости

Учитывая, что теплоемкость непостоянна, а зависит от температуры и других термических параметров, различают истинную и среднюю теплоемкости. Истинная теплоемкость выражается уравнением (2.2) при определенных параметрах термодинамического процесса, то есть в данном состоянии рабочего тела. В частности, если хотят подчеркнуть зависимость теплоёмкости рабочего тела от температуры, то записывают её как  , а удельную – как  . Обычно под истинной теплоёмкостью понимают отношение элементарного количества теплоты, которое сообщается термодинамической системе в каком-либо процессе к бесконечно малому приращению температуры этой системы, вызванному сообщенной теплотой. Будем считать  истинной теплоёмкостью термодинамической системы при температуре системы равной  , а   - истинной удельной теплоёмкостью рабочего тела при его температуре равной  . Тогда среднюю удельную теплоёмкость рабочего тела при изменении его температуры от   до   можно определить как

 

Обычно в таблицах приводятся средние значения теплоемкости   для различных интервалов температур, начинающихся с  . Поэтому во всех случаях, когда термодинамический процесс проходит в интервале температур от   до  , в котором  , количество удельной теплоты   процесса определяется с использованием табличных значений средних теплоемкостей   следующим образом:

Значения средних теплоемкостей   и  , находят по таблицам.

 

 

 

 

 

9 ВОПРОС

ВИДЫ ТЕПЛОЕМКОСТИ. СВЯЗЬ МЕЖДУ НИМИ