Сведения по теплотехнике. Курс лекций по теплотехнике Теплоэнергетика и теплотехника лекции

17.03.2024

March 8th, 2015 , 07:44 pm

До сего момента я касался темы теплотехники применительно к самостоятельному строительству только мимоходом, в контексте других тем. Об этом написаны кучи статей и книг, в том числе и в интернете, с морем формул и схем что, по-видимому, и отпугивает читателей. В результате у индивидуальных застройщиков в этой области самые нажористые заблуждения.
Итак, начнём сначала, с физики: любое твёрдое тело характеризуется двумя интересующими нас теплотехническими характеристиками: теплоёмкостью и теплопроводностью. Теплопроводность способность материала передавать тепловую энергию от более нагретой зоны в менее нагретую. Применительно к ограждающим конструкциям дома, для сохранения тепла, желательна как можно более низкая теплопроводность. Отдельный вопрос о толщине. Увеличение толщины ведёт к пропорциональному увеличению стоимости конструкции, но никак не к пропорциональному улучшению теплоизоляции. Существует некий оптимум толщины для каждого материала и каждой климатической зоны.

Теплоёмкость — способность материала поглощать (аккумулировать) и отдавать тепло при изменении температуры. Здесь всё не так однозначно, большая или малая теплоёмкость может быть и плюсом и минусом в зависимости от конкретных условий.

Резюмируем: материал с низкой теплопроводностью — теплоизолятор, материал с высокой теплоёмкостью — теплоаккумулятор.

Приведём пример: сравним деревянный и кирпичный дом с точки зрения теплотехники. Дерево имеет малую теплопроводность (т. е. является теплоизолятором) и малую теплоёмкость. Кирпич также является теплоизолятором, но имеет большую теплоёмкость, т. е. выступает ещё и как теплоаккумулятор. Деревянный дом хорошо держит тепло, но быстро выстывает, кирпичный держит тепло хорошо и долго. Если дом используется постоянно, то кирпичный комфортнее — дольше держит тепло, сглаживает колебания температуры при периодической топке печи. Если-же дом используется как дача — приехали в пятницу вечером в нетопленый дом и давай топить, то здесь большая теплоёмкость кирпичных стен сыграет в минус. Деревянный дом в этом случае имеет преимущество в скорости нагрева.

Отдельно стоит рассмотреть многослойные конструкции стен. Пример: бетонное здание нужно утеплить пенополистиролом или минераловатными плитами. Бетон сам по себе хороший теплоаккумулятор, но никудышный теплоизолятор. Если теплоизолирующий материал расположить снаружи, бетон будет играть роль теплоаккумулятора что выгодно для дома постоянного проживания. Если расположить теплоизолирующий материал внутри то бетонные стены не будут играть никакой роли в теплодинамике помещения — оно будет быстро нагреваться и быстро остывать.

Ещё пример: чтобы деревянный дом дольше держал тепло его можно оштукатурить изнутри.

Для многослойных конструкций существует немаловажная проблема пароизоляции и связанная с ней «точка росы». Грубо говоря, внутри строительных конструкций может конденсироваться влага. Не углубляясь в дебри, дело здесь в том что воздух внутри отапливаемых жилых помещений всегда более влажный чем снаружи. Поэтому пароизоляция должна располагаться по принципу ближе кнутри — плотнее, кнаружи — проницаемее.

Вкратце всё, точные определения, единицы измерения, формулы, значения параметров конкретных материалов и т.п есть в интернете.

Теплотехника -это наука изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты. Тепловая энергия получается при сжигании органических вешеств, называемых топливом.

Основы теплотехники составляют.

1. Термодинамика - наука, изучающая превращение энергии тепла в другие вилы энергии (например: тепловая энергия в механическую, химическую и т. д.)

2. Теплопередача - изучает теплообмен между двумя теплоносителями через поверхность нагрева.

Рабочим телом называется теплоноситель, с помощью которого происходит превращение тепловой энергии в механическую, т. е. совершают работу (например, пар в паровом насосе).

В котельной теплоносителем (рабочим телом) является горячая вода и водяной пар с температурой до 150°С или водяной пар с температурой до 250°С. Для отопления жилых и общественных зданий используется горячая вода, это связано, с санитарно-гигиеническими условиями, возможностью легкого изменения ее температуры в зависимости от температуры наружного воздуха. Вода обладает значительной плотностью по сравнению с паром, что позволяет передавать на большие расстояния значительное количество тепла при небольшом объеме теплоносителя. В систему отопления зданий вода подается с температурой не выше 95°С во избежание пригорания пыли на приборах отопления иожогов от систем отопления. Пар используется для отопления промышленных зданий и в производственно-технологических системах.

Котельная- комплекс, связанных тепловых энергоустановок предназначенных для выработки теплоты.

Котельная установка =котельный агрегат+ вспомогательное оборудование.

Котельный агрегат=котел(паровой или водогрейный)+ экономайзер.

Вспомогательное оборудование - дымосос,вентилятор, питательный насос, топливное хозяйство (мазутное хозяйство или газовое) ХВП и КИПиА.

Котельные делятся на:

1. Отопительные, вырабатывающие тепло для отопления, вентиляции
и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, а также для
промышленных и коммунальных предприятий.

2. Отопительно-производственные, вырабатывающие тепло для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, а также для технологических целей.

3. Производственные, вырабатывающие тепло только для технологических целей.

Технологический процесс производства пара : топливо при помощи горелочных устройств поступает в топку котла где сгорает. Воздух необходимый для горения топлива подается в топку дутьевым вентилятором, образовавшиеся дымовые газы отдав часть своего тепла поверхностям нагрева, расположенным в топку (радиоционным) поступают на конвективные поверхности нагрева, охлаждаются и дымососом удаляются в атмосферу газозаборником в дымовую трубу.

Поверхности нагрева в котле- стенки труб. Внутри труб движется вода, снаружи трубы омываются дымовые газами. Через стенки труб происходит теплообмен, газы отдают тепло воде. В верхнем барабане вода кипит и получается насыщенный пар между котлом и дымососом установлен водяной экономайзер (теплообменник, для использования тепла в дымовых газах. Поверхности нагрева называют еще хвостовыми. Вода для питания котлов специально готовится ХВП и подается в верхний барабан питательным насосом. Котельная работающая на жидком топливе специальное мазутное хозяйство.

Параметры рабочего тела

Теплоноситель, получая илиотдавая тепловую энергию, изменяет свое состояние.

Например: Вода в паровом котле нагревается, превращается в пар. который имеет определенную температуру и давление. Пар поступает в пароводяной подогреватель, сам охлаждается, превращается в конденсант Температура нагреваемой воды увеличивается, температура пара и конденсата понижается.

Основными параметрами рабочего тела являются температура, давление, удельный объем, плотность.

1.Температура - это степень нагретости тела, определяет направление самопроизвольной передачи тепла от более нагретого к менее нагретому телу (мера средней кинетической энергии молекул вещества).

Передача тепла будет иметь место до того момента пока температуры не станут равными, т. е. наступит температурное равновесие. Температура измеряется в градусах.

Используются две шкалы: международная-Кельвина и практическая Цельсия t °С.

За ноль в этой шкале принята температура плавления льда,за сто градусов –температура кипения воды при атм. давлении (760 мм рт. ст.).

За начало отсчета в термодинамической шкале температур Кельвина применят абсолютный нуль (низшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул). Обозначается Т.

1 Кельвин по величине равен 1° шкалы Цельсия

Температура таяния льда равна 273К. Температура кипения воды равна 373К

Т=t + 273; t = T-273

Температура кипения зависит от давления.

Например, При Р а, c = 1,7 кгс/см 2 . Вода кипит при t = 115°С.

2. Давление - эта сила, действующая перпендикулярно на единицу площади поверхности тела.

Давление силы, равной 1Н, равномерно распределенное на поверхности 1м 2 принято за единицу давления и равно 1Па (Н/м 2) в системе СИ.

В технике применяются более крупные единицы измерения

1кПа=10 3 Па 1МПа=10 б Па 1ГПа=10 9 Па

Вне системные единицы измерения давления кгс/м 2 ; кгс/см 2 .

1 кгс/м 2 = 1 мм.в ст =9,8 Па

1 кгс/см 2 = 9,8 . 10 4 Па ~ 10 5 Па = 10 4 кгс/м 2

Давление не редко измеряют в физических и технических атмосферах. Физическая атмосфера - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С

1атм = 1,01325 . 10 5 Па = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод. ст = 1,0330 мм в. ст. = 1,033 кгс/ см 2 .

Техническая атмосфера (ат)

1ат = 735 мм рт. ст. = 10 м. в. ст. = 10.000 мм в. ст. = =0,1 МПа= 1 кгс/см 2

1 мм в. ст. - сила, равная гидростатическому давлению водяного столба высотой в 1 мм на плоское основание 1мм в. ст = 9,8 Па.

1 мм. рт. ст - сила, равная гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание. 1 мм рт. ст. = 13,6 мм. в. ст.

В технических характеристиках насосов вместо давления употребляется термин напор.

Единицей измерения напора является м. вод. ст.

Например: Напор создаваемый насосом равен 50 м вод. ст. это значит, он может поднять воду на высоту 50 м.

Давление в закрытых сосудах и трубопроводах различают: избыточное, разрежение (вакуум), абсолютное, атмосферное

Атмосферное давление - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С и нормальном атмосферном Р =760 мм. рт. ст.

Избыточное давление - давление выше атмосферного (в замкнутом объеме).В котельных под избыточным давлением находятся вода, пар в котлах и трубопроводах. Р ИЗб. измеряется приборами манометрами.

Разрежение - давление в замкнутых объемах меньше атмосферного (вакуум). Топки и дымоходы котлов находятся под разрежением.Разрежение измеряется приборами тягомерами.

Абсолютное давление - избыточное давление или разрежение с учетом атмосферного давления.

Рабс = Р атм +Ризб

Рабс = Р атм -Рразр

Например: Р И3б в барабане котла ДКВр = 13 кгс/см 2 ; Р гбс = 13 + 1 = = 14 кгс/см 2 .

Р вак в деаэраторе = 0,3 кгс/см 2 ; Рабс = 1 - 0,3 = 0,7 кгс/см 2

В технике принято:

Р атм= 1 кгс/см 2 или 1 атмосфера

Для котлов имеются такие виды Р как:

1). Расчетное Р –максимально избыточное давление на котором производится расчет прочность элементов котла.

2). Рабочее – максимально избыточное Р в котле при котором обеспечивается длительная работа котла при нормальных условиях эксплуатации.

3). Разрешенное Р- максимально допустимое Р в котле после технологического осведительствования.

4). Пробное Р- избыточное Р которым производят гидравлические испытания элементов котла на прочность и плотность (техн. освидетельствование)

3. Плотность - отношение массы вещества к его объему.

Где V- объем занимаемый массой(м 3)

m- масса вещества (кг)

Теплота.

Теплота -энергия, которая может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому при соприкосновении или излучением.Перенос теплоты от твердого тела (стенки) к обтекающей его жидкости или газу называется теплопередачей.

В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Джоуль(Дж). Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).

1 ккал. = 1000 кал. 1 Мкал= 10 6 кал 1 Гкал. = 10 9 кал

Теплота -энергия, которая может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому при соприкосновении или излучением.

В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Дж. Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).

1 ккал. = 1000 кал. 1 Мкал= 10 6 кал 1 Гкал. = 10 9 кал

1 килокалория-это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1°С при нормальном атмосферном давлении.

1 кал. - количество теплоты для нагрева 1 г Н 2 О на 1°С при

Р = 760 мм. рт.ст.

1 кал. =4,19Дж

1 к.к ал. = 4,19 кДж кВт . ч = 860 ккал

ведущий инженер кафедры ТГП физического факультета

физико-технического института.

Раздел I. Техническая термодинамика.

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1. Введение1.2. Термодинамическая система.1.3. Параметры состояния.1.4. Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Тема 2. Первый закон термодинамики.

2.1. Теплота и работа.2.2. Внутренняя энергия.2.3. Первый закон термодинамики.2.4. Теплоемкость газа.2.5. Универсальное уравнение состояния идеального газа.2.6. Смесь идеальных газов.

Тема 3. Второй закон термодинамики.

3.1. Основные положения второго закона термодинамики.3.2. Энтропия.3.3. Цикл и теоремы Карно.

Тема 4. Термодинамические процессы.

4.1. Метод исследования т/д процессов.4.2. Изопроцессы идеального газа.4.3. Политропный процесс.

Тема 5. Термодинамика потока.

5.1. Первый закон термодинамики для потока.5.2. Критическое давление и скорость. Сопло Лаваля.5.3.Дросселирование.

Тема 6. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух.

6.1. Свойства реальных газов.6.2. Уравнения состояния реального газа.6.3. Понятия о водяном паре.6.4. Характеристика влажного воздуха.

Тема 7. Термодинамические циклы.

7.1. Циклы паротурбинных установок (ПТУ).7.2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).7.3. Циклы газотурбинных установок (ГТУ).Тестовый контроль по разделу

Раздел II. Основы теории теплообмена.

Тема 8. Основные понятия и определения. Тема 9.Теплопроводность.

9.1. Температурное поле. Уравнение теплопроводности.9.2. Стационарная теплопроводность через плоскую стенку.9.3. Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.9.4. Стационарная теплопроводность через шаровую стенку.

Тема 10. Конвективный теплообмен.

10.1. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен. 10.2.Закон Ньютона-Рихмана.10.3. Краткие сведения из теории подобия.10.4. Критериальные уравнения конвективного теплообмена.10.5. Расчетные формулы конвективного теплообмена.

Тема 11. Тепловое излучение.

11.1. Общие сведения о тепловом излучении.11.2. Основные законы теплового излучения

Тема 12.Теплопередача.

12.1. Теплопередача через плоскую стенку.12.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку.12.3. Типы теплообменных аппаратов.12.4. Расчет теплообменных аппаратов. Тестовый контроль по разделу

Раздел III. Теплоэнергетические установки.

Тема 13. Энергетическое топливо.

13.1. Состав топлива.13.2. Характеристика топлива.13.3. Моторные топлива для поршневых ДВС.

Тема 14. Котельные установки.

14.1. Котельный агрегат и его элементы.14.2. Вспомогательное оборудование котельной установки.14.3. Тепловой баланс котельного агрегата.

Тема 15. Топочные устройства.

15.1. Топочные устройства. 15.2. Сжигание топлива.15.3. Теплотехнические показатели работы топок.

Тема 16.Горение топлива.

16.1. Физический процесс горения топлива.16.2. Определение теоретического и действительного расхода воздуха на горение топлива.16.3. Количество продуктов сгорания топлива.

Тема 17. Компрессорные установки.

17.1. Объемный компрессор.17.2. Лопаточный компрессор.

Тема 18. Вопросы экологии при использовании теплоты.

18.1. Токсичные газы продуктов сгорания.18.2. Воздействия токсичных газов.18.3. Последствия "парникового" эффекта.Литература

Раздел I. Техническая термодинамика

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1 Введение

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое итехнологическое . При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств). Количество производимых и потребляемых энергоресурсов огромно. По данным Минтопэнерго РФ и фирмы "Shell" динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Вид энергоресурсов
Вид энергоресурсов
Нефть, Мт, в мире

Газ, Гм 3 , в мире

Уголь, Мт, в мире

Э/энергия,ТДж, в мире

Итого, Мтут * , в мире

* тут – тонна условного топлива. Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты. Данный курс является общетехнической дисциплиной при подготовке специалистов технической специальности.

ведущий инженер кафедры ТГП физического факультета

физико-технического института.

Раздел I. Техническая термодинамика.

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

Тема 2. Первый закон термодинамики.

Тема 3. Второй закон термодинамики.

3.1. Основные положения второго закона термодинамики.3.2. Энтропия.3.3. Цикл и теоремы Карно.

Тема 4. Термодинамические процессы.

4.1. Метод исследования т/д процессов.4.2. Изопроцессы идеального газа.4.3. Политропный процесс.

Тема 5. Термодинамика потока.

Тема 6. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух.

Тема 7. Термодинамические циклы.

Раздел II. Основы теории теплообмена.

Тема 8. Основные понятия и определения. Тема 9.Теплопроводность.

Тема 10. Конвективный теплообмен.

Тема 11. Тепловое излучение.

11.1. Общие сведения о тепловом излучении.11.2. Основные законы теплового излучения

Тема 12.Теплопередача.

Раздел III. Теплоэнергетические установки.

Тема 13. Энергетическое топливо.

13.1. Состав топлива.13.2. Характеристика топлива.13.3. Моторные топлива для поршневых ДВС.

Тема 14. Котельные установки.

Тема 15. Топочные устройства.

15.1. Топочные устройства. 15.2. Сжигание топлива.15.3. Теплотехнические показатели работы топок.

Тема 16.Горение топлива.

Тема 17. Компрессорные установки.

17.1. Объемный компрессор.17.2. Лопаточный компрессор.

Тема 18. Вопросы экологии при использовании теплоты.

Раздел I. Техническая термодинамика

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1 Введение

Таблица 1.1.

Вид энергоресурсов
Вид энергоресурсов
Нефть, Мт, в мире

Газ, Гм 3 , в мире

Уголь, Мт, в мире

Э/энергия,ТДж, в мире

Итого, Мтут * , в мире

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

ДОЦЕНТ ГОРОЖАНКИН С. А.

ПРОФЕССОР ДЕГТЯРЕВ В. И.

Т Е О Р Е Т И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы Т Е П Л О Т Е Х Н И К И

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

(ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО")

О Д О Б Р Е Н О:

Кафедрой "Автомобили и автомобильное хозяйство"

Протокол № от 27.04.2001г.

Советом механического факультета Протокол №3 от 10.03.2001г.

М А К Е Е В К А 2001 г.

строительства и архитектуры, - 2001. - 110 с.: 76 илл.

Конспект лекций предназначен для студентов, изучающих курс "Теоретические основы теплотехники"

Конспект лекций посвящен изложению теоретических основ теплотехники в краткой и доходчивой форме с учетом изучения материала студентами специальности автомобили и автомобильное хозяйство. Курс, кроме обеспечения современной энергетической подготовки инженеров-автомобилистов, имеет и свою особую методику обобщенного раскрытия материала, позволяющую сосредоточить главное внимание на выявлении более широких закономерностей и новых возможностей развития энергетики.

Изложены теоретические основы технической термодинамики, теории тепломассообмена, особое внимание уделено термодинамическим циклам тепловых машин. Приводятся общие сведения о теплоснабжении и использовании вторичных энергоресурсов, имеющих целью максимально экономное расходование энергетических ресурсов

Изучение этого курса необходимо для глубокого понимания физической сущности термодинамических процессов тепловых двигателей, ясного представления о закономерностях энергопревращений в двигателях внутреннего сгорания.

Для студентов специальности 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО".



	Введение. Уравнение состояния. Теплоемкость.
	Первый закон термодинамики
	Термодинамические процессы идеальных газов
	Второй закон термодинамики
	Водяной пар
	Влажный воздух
	Общая характеристика компрессоров
	Двигатели внешнего сгорания
	Циклы газотурбинных установок
		Циклы двигателей внутреннего сгорания
		Основы теплообмена
		Конвективный теплообмен
		Теплообмен при фазовых превращениях
		Теплообмен излучением
		Теплопередача
		Теплообменные аппараты
		Топливо и процессы горения

1. ВВЕДЕНИЕ. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ

1.1 Теплотехника, ее предмет и метод

Теплотехника - наука, изучающая теорию и средства превращения энергии природных источников в тепловую механическую и электрическую энергии, а также использования тепла для практических целей.

Теоретические основы теплотехники включают термодинамику и теорию тепломассообмена.

Основным методом теплотехники является термодинамический метод. Сущность его состоит в том, что на основе изучения энергоэнтропийных балансов в макроскопических системах устанавливают условие максимальной эффективности тепловых машин и установок. Затем определяют пути приближения к этим условиям.

1.2. Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии в макроскопических физических системах.

Техническая термодинамика - раздел термодинамики, рассматривающий закономерности превращения тепловой энергии в другие виды.

Название "термодинамика" впервые применил Сари Карно (1824 г.) в работе "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".

"Терме" - тепло, жар, огонь. "Динамикос" - сила, движение.

"Термодинамика" - движущая сила огня - дословный перевод с греческого. В основу термодинамики положены два основных закона (начала),

установленных опытным путем.

- закон характеризует количественную сторону процессов превращения энергии.

- закон характеризует, устанавливает качественную сторону (направленность) процессов в физических системах.

1.3. Термодинамическая система. Термодинамический процесс.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией между собой и с окружающей средой.

Термодинамический процесс - совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое.

1.4. Обратимые и необратимые процессы.

Равновесное состояние тела - такое, при котором во всех точках объема параметры состояния одинаковы.

Равновесный процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое через равновесные состояния тела в любой момент времени.

Неравновесный процесс - процесс, включающий неравновесные состояния. Обратимый процесс - процесс, который протекает в прямом и обратном

направлении через одни и те же равновесные состояния.

Условия обратимости:

1. Отсутствие химических реакций.

2. Отсутствие внутреннего и внешнего трения.

3. Бесконечно медленное изменение состояния рабочего тела. Необратимый процесс - процесс, который самопроизвольно протекает

только в одном направлении.

1.5. Рабочее тело. Термодинамические параметры состояния

Взаимное преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых машинах осуществляются при помощи рабочего тела.

В качестве рабочего тела обычно используют пар или газ, т.к. они обладают значительно большим коэффициентом объемного расширения по сравнению с жидкостями и твердыми телами.

Для однозначного определения состояния вещества вводятся физические характеристики состояния вещества - параметры состояния.

Параметры состояния могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества, экстенсивные - зависят. Пример - объем и температура.

Экстенсивные параметры, отнесенные к единице количества вещества, приобретают смысл интенсивных. Их называют удельными.

Термодинамические параметры состояния - интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел.

Обычно состояние однородного тела может быть однозначно определено тремя параметрами - давлением, температурой и удельным объемом.

При наличии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние определяется неоднозначно.

1.6. Давление.

Давление - сила, действующая на единицу поверхности тела по нормали к этой поверхности.

1 Па величина сравнительно небольшая. Поэтому вводят кратные величины

1 кПа = 103 Па = 103

1 МПа = 106 Па = 103 кПа 1 бар = 105 Па = 102 кПа Внесистемные единицы

1 мм Нg 133.3 Пa.

1 мм вод. ст. 9.81 Па.

Виды давления 1. Абсолютное, т.е. полное давление, отсчитываемое от абсолютного

р абс

2. Атмосферное (барометрическое) - абсолютное давление атмосферы Земли

в данной точке

рабс = В.

3. Избыточное давление - разность между абсолютным и атмосферным. Параметром состояния не является.

pизб = pабс – B.

Избыточное давление иногда называют манометрическим (т.к. измеряется манометрами).

4. Вакууметрическое давление - разность между атмосферным и абсолютным.

pвак = B - pабс .

1.7. Температура

Температура характеризует тепловое состояние тела - степень "нагретости"

Температура - осредненная величина кинетической энергии хаотического движения молекул.

Температура, при которой полностью прекращается движение молекул,

принята за начало отсчета. Температура тройной точки воды принята равной 273,

16 К (0, 010 С).

[T]=K - единица измерения абсолютной температуры. Температуру часто измеряют по шкале Цельсия.

[t]=C - единицы измерения температуры в обеих шкалах численно равны. Температура по шкале Цельсия термодинамическим параметром состояния

не является.



За рубежом иногда пользуются шкалами температур Фаренгейта, Реомюра и

1.8. Удельный объем.
Удельный объем - объем единицы массы газа.

Плотность - величина обратная удельному объему.

1 m; кг.

1.9. Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона

Идеальный газ - модель газа, в которой молекулы не имеют объема и не взаимодействуют друг с другом.

Совместное рассмотрение законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака позволило Клапейрону в 1834 г. вывести уравнение состояния идеального газа

pv=RT - уравнение для 1 кг. газа (уравнение Клапейрона) R - газовая постоянная

			H м3

			м2 кг К кг К кг К

Бойль Роберт (1627-1691). Англия. Физика, химия. Совместно с Мариоттом не работал.

Мариотт Эдм (1620-1684). Франция. Механика жидкости и газа. Оптика. Гей-Люссак Жозеф-Луи (1778-1850). Франция. Физика, химия.

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799-1864). Франция. Вывел уравнение Клапейрона-Клаузиуса для водяного пара. Первым обратил внимание на работы С.Карко, в которых был установлен II закон термодинамики.

pV=mRT - уравнение для газа массой m.

pV = RT - уравнение для 1 киломоля(уравнение Менделеева). V - объем киломоля газа

R 8315 - формула для вычисления газовой постоянной.

1.10. Особенности реальных газов. Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса

Уравнение состояния идеального газа можно применять в расчетах для реактивных газов при низких давлениях и высоких температурах. При нормальных условиях оно применимо для:

H2 , He, O2 , N2 .

Углекислый газ (СО2 ) и некоторые другие дают отклонение до 2-3%. Уравнение состояния реальных газов, учитывающие размер молекул, силы

взаимодействия между ними, образование комплексов молекул (ассоциаций) и пр. имеют сложный вид.

В практике обычно используются таблицы и номограммы, построенные на основе этих уравнений.

В общей форме в 1937-46 г. в СССР (Н.Н.Богомолов) и США (Дж.Мейер) были выведены уравнения состояния реальных газов.

Наиболее простым, качественно правильно отображающим поведение реальных газов, является уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.).

(p a )(v b) RT, v 2

где b - поправка на объем молекул газа;

Поправка на давление газа, учитывающая силы взаимодействия

Уравнение Ван-дер-Ваальса позволяет качественно анализировать поведение газов вблизи границ фазовых переходов.

1.11. Смеси идеальных газов. Законы Дальтона и Амага

Парциальное давление - давление отдельного компонента смеси газов.

p см p i - закон Дальтона

Абсолютное давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.

V см V i - закон Амагá

Полный объем смеси газов равен сумме приведенных к давлению и температуре смеси объемов компонентов (парциальных объемов).

Законы Дальтона и Амагá позволяют получить уравнение состояния смеси

p смV см=m смR смT см ,

где R см см .

Кажущаяся молярная масса смеси определяется из уравнения

см i r i , где ri - объемные доли компонентов

Пример: Полагая, что в воздухе 80% N2 и 20% О2

возд = 0,8 28 + 0,2 32 = 28,8 кг/моль Газовая постоянная смеси может быть установлена из уравнения

R см g iR i	Где gi - массовые доли компонентов смеси.
Соотношение между массовыми и объемными долями определяется
выражением
		Где ri - объемные доли компонентов смеси.

Следует отметить, что всегда

gi 1; ri 1.

1.12. Теплоемкость газов и газовых смесей. Истинная, средняя и удельная теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры

Теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева тела на 1 К.

Удельная теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева единицы количества вещества на 1К.

Обычно различают следующие удельные теплоемкости: 1. Массовая - c

[c] = Дж

кг К

2. Объемная - с"

Истинная теплоемкость определяется следующим аналитическим выражением

c dq . dt

Средняя теплоемкость в интервале температур t1 - t2 определяется из соотношения

q C m t2 - t1 .

В общем случае теплоемкость является функцией температуры, причем обычно она возрастает с ростом температуры.

На рис.1.1 показана линейная зависимость удельной теплоемкости от температуры, на рис.1.2 - степенная.

Если зависимость теплоемкости от температуры имеет сложный нелинейный характер (как это показано на рис.1.3), то средняя теплоемкость в интервале температур t1 -t2 определяется из выражения:

t2 1 до t2 определяется выражением:

Эта формула применяема к массовой, объемной и мольной теплоемкостям. Нагрев газов или паров может осуществляться при различных условиях.

Среди них можно выделить: 1. Нагрев при постоянном объеме;

2. Нагрев при постоянном давлении.

В первом случае теплоемкость процесса называют изохорной, во втором - изобарной.

Изобарная и изохорная теплоемкости связаны уравнениями: Сp - Сv = R- Майера

С Р K - Пуассона

С V

К - коэффициент Пуассона.


Для одноатомных
- "" - двухатомных			(7/5) Теоретические
		трехатомных	значения
	многооатомных