Шпаргалка по теплотехнике

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19ВОПРОС

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Если исходить из первого закона термодинамики, то можно допустить протекание любого процесса, который не противоречит закону сохранения энергии. В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, так и наоборот. При этом согласно первому закону термодинамики накладывается только одно условие: чтобы количество теплоты, отданной одним телом, равнялось количеству теплоты, принятой другим телом.

Между тем, из опыта известно, что теплота всегда самопроизвольно передается только от более нагретых тел к менее нагретым. Самопроизвольный или естественный процесс теплообмена обладает свойством направленности в сторону тел с более низкой температурой. Причём он прекращается при достижении равенства температур участвующих в теплообмене тел. Однако, возможен и обратный, не самопроизвольный (или противоестественный) процесс передачи теплоты от менее нагретых тел к более нагретым (например, в холодильных установках), но для осуществления его требуется подвод энергии извне как бы для компенсации протекания процесса.

Констатация этой особенности теплоты, проявляющейся в процессе ее передачи, является одной из сторон сущности второго закона термодинамики Еще одна особенность теплоты наиболее ярко раскрывается при рассмотрении процесса преобразования ее в работу. Опыт показывает, что работа может быть полностью превращена в теплоту (например, посредством трения) без каких-либо дополнительных условий или компенсации. Обратное же превращение теплоты в работу требует дополнительного самопроизвольного процесса или компенсации.

Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов. Так же, как и первый закон термодинамики, он был выведен на основании экспериментальных данных.

Опыт показывает, что превращение теплоты в полезную работу в тепловых двигателях может происходить только при переходе теплоты от нагретого тела к холодному, то есть при наличии разности температур между теплоотдатчиком (нагревателем) и теплоприемником (холодильником). При этом вся теплота не может быть превращена в работу.

Устройство, которое без компенсации полностью превращало бы в работу теплоту какого-либо источника, называется вечным двигателем второго рода.

Таким образом, второй закон термодинамики утверждает, что создание вечного двигателя второго рода невозможно.

 

 

 

 

 

 

 

 

20 ВОПРОС

ЦИКЛЫ КАРНО И ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропияадиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Цикл Карно в координатах T и S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой  , холодильника с температурой   и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру  , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты  . При этом объём рабочего тела увеличивается.

Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру  , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты  .

Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия:

 при  .

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

 

22 ВОПРОС

TS-ДИАГРАММА И ЕЕ СВОЙСТВА. ЭНТРОПИЯ В ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ 

Ts-диаграмма позволяет графически определять теплоту в процессе ( подведенную и отведенную) и дает наглядное представление об изменении температуры рабочего тела.(температура и энтропия)

.Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах

Рассмотрим изменение энтропии в обратимых термодинамических процессах. Для таких процессов  . Отсюда следует, что в обратимых процессах энтропия может как возрастать, так и убывать. Температура является положительной величиной. Поэтому при подводе теплоты к системе (dq>0) отношение dq/T, равное ds, будет больше нуля. Следовательно, в этом случае энтропия системы возрастает. Если же теплота отводится от системы (dq<0), то ds<0 и энтропия убывает.

Интегрируя уравнение для ds в пределах от начального состояния 1 до конечного 2, найдем, что энтропия рабочего тела изменится на величину

 

В обратимом адиабатном процессе dq=0. Поэтому из (5.13) имеем s2—s1=0 и s2=s1, то есть в обратимом адиабатном процессе энтропия постоянна (s=const).

Рассмотрим теперь, как изменяется энтропия в необратимых процессах. Пусть какой-либо произвольный цикл состоит из двух процессов: необратимого 1—а—2 и обратимого 2—b—1 (рис. 5.5). Такой цикл является необратимым.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23 ВОПРОС

ПАРЫ И ВОДЯНОЙ ПАР. PV ДИАГРАММА ВОДЯНОГО ПАРА.

Пар — газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами того же вещества. Процесс возникновения пара из жидкой (твёрдой) фазы называется «парообразованием». Обратный процесс называется конденсация..

Водяной пар — газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере

Процесс получения пара из жидкости может осуществляться испарением и кипением.Испарением называется парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре.

Кипением называется бурное парообразование по всей массе жидкости, которое происходит при сообщении жидкости через стенку сосуда определенного количества теплоты. При этом образовавшиеся у стенок сосуда и внутри жидкости пузырьки пара, увеличиваясь в объеме, поднимаются на поверхность жидкости.

Процесс парообразования начинается при достижении жидкостью температуры кипения, которая называется температурой насыщения tн и на протяжении всего процесса остается неизменной. Температура кипения, или температура насыщения, tн зависит от природы вещества и давления, причем с повышением давления tн увеличивается. Давление, соответствующее tн называется давлением насыщения рн.

Насыщенным паром называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью. Насыщенный пар по своему состоянию бывает сухим насыщенным и влажным насыщенным.

Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=tн) при данном давлении.

Влажный насыщенный пар – это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара.

Отношение массы сухого насыщенного пара mс.п. к массе влажного насыщенного параmв.п. называется степенью сухости х влажного пара, то есть

 

Очевидно, что для жидкости х=0, для сухого насыщенного пара х=1.

Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить теплоту, то его температура увеличится. Пар, температура которого при данном давлении больше, чем температура насыщения (t>tн), называется перегретым. Водяной пар является реальным рабочим телом и может находиться в трёх состояниях: влажного насыщения, сухого насыщения и в перегретом состоянии. Для технических нужд водяной пар получают в паровых котлах (парогенераторах), где специально поддерживается постоянное давление.

 

25 ВОПРОС

РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ВОДЯНОГО ПАРА В is ДИАГРАММЕ  

Is-диаграмма водяного пара

Для практических расчетов процессов водяного пара широкое применение получилаis-диаграмма, на которой теплота и энтальпия измеряются линейными отрезками.

В системе координат i—s (рис. 6.3) сначала строятся нижняя (а-К) и верхняя (К—с) пограничные кривые по табличным данным i и s. Нижняя пограничная кривая проходит через начало координат, так как при t=0 0С энтропия и энтальпия приняты равными нулю.

Затем наносят изобары, которые в области насыщенного пара, будучи одновременно и изотермами, являются прямыми линиями, так как при p=const dq=di, а   . Поэтому di=T·ds и при T=const i=T·s+const. Следовательно, на is-диаграмме угловой коэффициент изобары равен T. Поэтому чем выше давление насыщения, тем выше температураT и тем больше тангенс угла наклона изобары.

В области перегретого пара изобары и изотермы расходятся, причем изобары поднимаются кверху в виде логарифмических кривых, а изотермы стремятся к горизонтали. Это объясняется тем, что с понижением давления перегретый пар по свойствам приближается к идеальному газу, энтальпия которого зависит только то температуры, то есть линии t=const одновременно являются линиями i=const. Чем больше температура, тем выше расположена изотерма.

В области влажного пара нанесены линии одинаковой степени сухостих=const. На эту же диаграмму часто наносят еще изохоры, которые проходят круче изобар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26 ВОПРОС

ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ. ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ. Id-ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Влажный воздух и его параметры

Атмосферный воздух смесь газов, из азот, кислород, аргон, углекислый газ. содержит в себе некоторое количество водяного пара, т. е.  влажным.

. Парциальным давлением называют давление одной составляющей смеси газов.

Состояние влажного воздуха в сушильной технике можно характеризовать двумя параметрами, поскольку давление остается постоянным.

К основным параметрам влажного воздуха относят его температуру, степень насыщения, влагосодержание, теплосодержание, плотность и приведенный удельный объем.

Водяной пар в воздухе обладает такими же свойствами, как и в свободном от воздуха пространстве. Как и в чистом виде, пар в воздухе может быть перегретым (ненасыщенным) и насыщенным.

Относительная влажность — отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе

. Использование диаграммы позволяет избежать вычислений по формулам и наглядно отобразить вентиляционный процесс.

Оформление диаграммы в принципе может быть несколько различным. Типовая общая схема Id диаграммы показана ниже на рисунке. Диаграмма представляет из себя рабочее поле в косоугольной системе координат Id, на котором нанесено несколько координатных сеток и по периметру диаграммы – вспомогательные шкалы. Шкала влагосодержаний обычно располагается по нижней кромке диаграммы, при этом линии постоянных влагосодержаний представляют вертикальные прямые. Линии постоянных энтальпий представляют параллельные прямые, обычно идущие под углом 135° к вертикальным линиям влагосодержаний  Косоугольная система координат выбрана для того, чтобы увеличить рабочее поле диаграммы. Шкала температур обычно располагается по левой кромке рабочего поля диаграммы. Значения энтальпий воздуха нанесены обычно под кривой Ф= 100. Значения парциальных давлений иногда наносят по верхней кромке рабочего поля, иногда по нижней кромке под шкалой влагосодержаний, иногда по правой кромке.

 

 

 

 

 

30 Дросселирование газов и паров

Понижение давления рабочего тела при прохождении через сужения называется дросселированием. Эффект дросселирования, т.е. разность давлений до и после сужения, при  прочих равных условиях тем больше, чем меньше относительная площадь сужения.

Процесс дросселирования протекает следующим образом. При прохождении через сужение давление падает и в самом узком месте потока достигает минимального значения. Падение давления сопровождается ростом скорости, которая в этом узком

 

 

месте достигает  наибольшего значения. При дальнейшем течении происходит постепенный рост давления  до некоторого значения Р₂ за счет  частичного  перехода  кинетической энергии  струи  в  энергию давления. Однако давление не восстанавливается до начального значения Р₁ в силу того, что часть кинетической энергии струи тратиться на преодоление трения и завихрений и в давление не  переходит. Энергия, затраченная на преодоление трения и завихрений, в форме определенного количества тепла воспринимается рабочим телом, вследствие чего растут его удельный объем и энтропия. Таким образом, дросселирование является необратимым процессом, а в случае отсутствия теплообмена с внешней средой - также и адиабатным процессом. Опыт и расчеты показывают, что приближенно можно считать равенство скоростей в сечениях  1 - 1 и 2 - 2 (w₁ » w₂), т.е.  можно пренебречь изменением кинетической энергии. Тогда, рассматривая адиабатное дросселирование, из уравнения первого закона термодинамики (1.4) следует, что di = 0,  следовательно,   i = const,  т.е. энтальпия рабочего тела после дросселирования равна энтальпии до дросселирования (i₂ = i₁).