Основы технической термодинамики презентация

Структура дисциплины

Что изучает теплотехника?

Что изучает термодинамика?
THERME + DYNAMIS =
ТЕПЛОТА + СИЛА
«Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения… Паровые машины, ныне столь распространенные, являются очевидным тому доказательством»
С.Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» 1824 г.

Определение наиболее эффективных способов преобразования теплоты в работу и обратно.
Свойства макроскопических
систем в равновесном состоянии
и процессы изменения состояния
систем (в том числе процессы , в которых рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние) на основе
эквивалентности
превращения энергии без
обращения к их
микроскопической структуре
Теоретические основы работы тепловых двигателей, компрессоров, холодильных и теплонасосных установок.
Цели изучения
«Техническая термодинамика»
Предмет изучения, методы и основное содержание дисциплины.
Предмет изучения, цели дисциплины
Предмет изучения

способы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах и в пространстве при отсутствии среды
определение температурного поля в телах, расчет интенсивности теплопередачи в элементах энергоустановок (теплообменниках)
Раздел «Теплопередача»
Предмет изучения, цели дисциплины
Предмет изучения
Цель изучения

Методы термодинамики
Феноменологический:
«Начала» термодинамики»,
теорема Нернста (1906 г.)
Статистический:
Молекулярно-кинетические представления о строении вещества (молекулярно-кинетическая теория газов, уравнение состояния идеального газа)

«Начала» термодинамики»
Для закрытой системы:
если масса системы неизменна, то «теплота (Q), полученная системой извне, используется на изменение ее внутренней энергии (ΔU) и совершение работы расширения (L) над внешними силами (окружающей средой»
.
.
в тепловых машинах невозможно превращение всей теплоты в работу.
Первое начало: невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии (общий закон сохранения энергии)
Второе начало: невозможен циклический процесс, имеющий единственным своим результатом превращение теплоты в работу.

Закон сохранения энергии по М. Ломоносову
Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, то столько же присовокупляется к другому: там, где убудет несколько материи, то умножится в другом месте
Сей всеобщий естественный закон простирается в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
М. В. Ломоносов
«Рассуждения о жидкости и твердости тел»,
1760 г.

Предмет изучения дисциплины «Техническая термодинамика»
Влажный воздух

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Теплотехника: Учебник для втузов. Под общ. ред. А.М. Архарова,
В.Н. Афанасьева.– М., Изд-во. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 712с.
2.Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике.- М.:
Машиностроение, 1969.- 344 с.
3.Теплотехника. // Под ред. В.Н. Луканина - М.: Высшая школа, 2000.- 671с.
4.Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.: Высшая школа, 1980.- 469 с.
5.Теплотехника // Под ред. А.П.Баскакова, М.: Энергоатомиздат, 1991.- 224с.

Основное содержание раздела «Термодинамика»
Равновесные состояния и параметры состояния идеального газа
Процессы идеальных газов в закрытых и открытых системах
Первое начало термодинамики
Термодинамические циклы прямые и обратные
Второе начало термодинамики
Термодинамические основы работы тепловых двигателей, холодильных установок, «тепловых насосов»
Основы работы компрессоров
Процессы с водяным паром и паротурбинные установки
Парокомпрессионные холодильные установки

Основные понятия термодинамики
Термодинамическая система
(открытая, закрытая, адиабатная) и окружающая среда
Источники теплоты: «горячий» и «холодный»
Рабочее тело Идеальный газ
Термические параметры состояния Равновесное состояние
Уравнение равновесного состояния идеального газа
Газовая постоянная Универсальная газовая постоянная
Теплоемкость газов
Внутренняя энергия Теплота Работа
Первое Начало термодинамики
Энтальпия Энтропия
Термодинамические процессы и циклы
Второе Начало термодинамики
Показатели эффективности и работоспособности
термодинамических циклов

Термодинамическая система и источники теплоты
Источник теплоты – элемент окружающей среды, взаимодействующий с термодинамической системой и обладающий бесконечно большой теплоемкостью и температурой, отличающейся от температуры системы,
Открытые, закрытые, адиабатные системы

Рабочее тело – идеальный газ
Энергетическое состояние термодинамической системы (идеального газа) характеризуется определенными измеряемыми величинами, называемыми параметрами состояния.
Идеальный газ – газ, у которого силами взаимодействия между молекулами можно пренебречь
Параметры состояния термодинамического состояния (параметры состояния) – макроскопические физические величины, количественно характеризующие рабочее тело (систему) и не зависящие от размеров системы

Абсолютное давление (p), Па.
Давление:
абсолютное, р
барометрическое (атмосферное)
В=101325 Па ≈ 0,1 МПа
1 мм.рт.ст. = 133,3 Па
избыточное(манометрическое),
избыточное (вакууметрическое)
p=ρ g h
Единицы измерения: Н/м2 (Паскаль), м
Параметры термодинамического состояния
манометрическое
(избыточное)
вакууметрическое
p=B+рман
p=B-рвак

Параметры термодинамического состояния
Абсолютная температура, T
Абсолютная температура:
представляет собой меру средней кинетической энергии молекул
характеризует степень нагретости тел, является среднестатистическим результатом хаотичного движения свободных частиц.
Удельный объем (υ),
Единицы измерения:
К,( Кельвин); 1 К = 1 оС
Единицы измерения:
м3/кг
характеризует плотность рабочего тела ρ =1/υ).
Удельный объем:

Уравнение состояния идеального газа
для 1 моля (кмоля):
где Rμ -
универсальная газовая постоянная - работа, совершаемая 1 молем
идеального газа при изменении температуры на 1К в изобарном процессе;
Если термодинамические параметры одинаковы во всех точках и при этом неизменны во времени, то такое состояние называется равновесным
является постоянным числом для любого идеального газа,
имеет единицы измерения Дж/(кмоль⋅К) и число: 8314 Дж/(кмоль⋅К).
где R - индивидуальная газовая постоянная- работа единицы массы (1 кг) идеального газа в изобарном процессе при изменении температуры на 1 К.
для 1 кг:
Является постоянным числом только для конкретного газа, имеет единицы измерения Дж/(кг⋅К)

Термодинамические процессы и циклы
Термодинамический процесс:
всякое изменение хотя бы одного из параметров состояния.
Прямые и обратные процессы:
Если в процессе имеет место увеличение объема (расширение), то это процесс прямой;
Если объем уменьшается (сжатие), то это процесс обратный
Термодинамический цикл:
совокупность термодинамических процессов, в которых рабочее тело, пройдя ряд состояний, возвращается в исходное состояние.
Прямые и обратные циклы
Если направление процессов по часовой стрелке, то цикл прямой;
Если направление процессов против часовой стрелки , цикл обратный.

Термодинамические процессы
Политропный процесс
изохорный
изобарный
изотермический
адиабатический
Термодинамические процессы

Первое «Начало» термодинамики»
Если масса системы неизменна, то «теплота (Q), полученная системой извне, используется на изменение ее внутренней энергии (ΔU) и совершение работы расширения (L) над внешними силами (окружающей средой»
.
.
Первое начало: невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии (общий закон сохранения энергии)
Для закрытой системы
, Дж
, Дж/кг

Термодинамические процессы

Внутренняя энергия
Изменение внутренней энергии не зависит от вида протекающего процесса.
«Теплота состоит во внутреннем движении собственной материи.; во вращательном движении частиц , из которых состоят все тела»
М.Ломоносов «Размышления о причине теплоты и холода», 1744 г.
Суммарная кинетическая энергия молекул;
определяется абсолютной температурой и физической природой тела
Полная: U Дж
Удельная : u, Дж/кг

Теплота и работа
«Теплота состоит во внутреннем движении собственной материи.; во вращательном движении частиц , из которых состоят все тела»
Теплота - процесс передачи внутренней энергии обусловленный наличием неоднородного температурного поля.
Работа - процесс передачи внутренней энергии, обусловленный изменением объема газообразного рабочего тела.
Теплота и работа – есть способы взаимодействия системы с окружающей средой.
.
И теплота и работа зависят от вида термодинамического процесса

Работа расширения
Для изобарного процесса
Для произвольного процесса
Работа расширения используется для неизменной массы системы
(в закрытых термодинамических системах)
Для изохорного процесса
Для произвольного процесса

Работа располагаемая используется при перемещении массы (газового потока) и определяется как разность работы расширения и работы вытеснения:
Работа вытеснения (перемещения) используется при перемещении массы (газового потока) из области с давлением р1 в область с давлением р2 :
Работа вытеснения и располагаемая работа

Энтальпия (работоспособность)
Энтальпия - параметр состояния, характеризующий работоспособность системы и выражаемый в виде суммы внутренней энергии и работы перемещения газа объемом V из вакуума в пространство с давлением р :
Дж/кг
Изменение энтальпии не зависит от вида термодинамического процесса и определяется только абсолютной температурой и физической природой тела

Работа
Работа расширения, используется для неизменной массы системы (в закрытых термодинамических системах) и определяется в общем случае как
Работа вытеснения (перемещения), используется при перемещении массы (газовых потоков )из области с давлением р1 в область с давлением р2 :
; или
Работа располагаемая, определяется как разность работы расширения и работы вытеснения:
или
.

Энтропия
Энтропия – есть мера неупорядоченности системы:
S = k lnW
Важно изменение энтропии, а не её абсолютное значение!
Энтропия – параметр состояния, дифференциал которого равен элементарному количеству теплоты, отнесенному абсолютной температуре.

Первое начало термодинамики для открытых систем
где
При составлении уравнения баланса энергии для стационарного течения несжимаемого газового потока (открытой термодинамической системы) без совершения технической работы необходимо дополнительно учитывать кинетическую энергию массы движущегося рабочего тела и работу, затрачиваемую на перемещение газа (работу вытеснения).
работа вытеснения (перемещения)
или
(1)

Первое начало термодинамики для открытых систем
с
Сравнивая (1)
или
Тогда, если
или
Учитывая, что
то из (1):
(2)
Учитывая, что
или с учетом (2)

Изображение процессов в Т-S координатах
изобарный
изохорный
изотермический
адиабатический

Теплоемкость идеальных газов
Очевидно:
При подводе теплоты к рабочему телу увеличивается внутренней энергии и изменяются параметры состояния (температура).
Одинаковое количество теплоты, подведенное к телам разной природы, вызывает неодинаковое изменение температуры.
Количество теплоты необходимое для одинакового изменения температуры разных тел зависит от физической природы тела и количества вещества. Чем больше вещества в системе, тем больше требуется теплоты.
- свойство рабочего тела, характеризующее количество теплоты, получаемое или отдаваемое телом, отнесенное к изменению температуры при бесконечно малом изменении его термодинамического состояния.

Виды удельной теплоемкости
массовая
объёмная
мольная
(z – количество молей)
Взаимосвязь между массовой и объемной:
Взаимосвязь между массовой и мольной:

Виды теплоемкости в зависимости от вида термодинамического процесса

Важные соотношения
k- показатель адиабаты
k =5/3 = 1,67 - 1- атомный газ;
k = 7/5 = 1,4 - 2-х атомный;
k= 9/5 = 1,29 - 3-х и более атомный газ.
Для 1 кг:
Для 1 моля:
Уравнения Майера

Применение понятия теплоемкости для определения:
Теплоты политропного процесса
Изменения внутренней энергии
Изменения энтальпии
Изменения энтропии

Зависимость теплоёмкости от температуры
Истинная
С
Средняя
t
t2
t1

Смеси идеальных газов (газовые смеси)
Состав смеси обычно задается
объемными,
массовыми
мольными долями.

Термодинамические параметры смеси, заданной объемными долями
Плотность
Молярная кажущаяся
масса
Газовая постоянная
Парциальные давления

Термодинамические параметры смеси, заданной массовыми долями
Плотность
Молярная кажущаяся масса
Газовая постоянная
Парциальные давления

Политропные термодинамические процессы

Вывод уравнения политропного процесса
1-е начало термодинамики в дифференциальном виде
Разделим 2-е на 1-е, сохраняя равенство:
(2)
(1)
Обозначим:
тогда

Вывод уравнения политропного процесса
Интегрируя:
Разделяя переменные:
или:
Потенциируя:
или:

Удельная теплоемкость политропного процесса
(2)
(1)
Ранее было обозначено:
Тогда с учетом:

Уравнение политропного процесса
Показатель политропы
Теплоемкость процесса
Соотношения между параметрами состояния
Политропные процессы в идеальных газах

Уравнение адиабатического процесса

Уравнение процесса
Теплоемкость процесса
Показатель адиабаты)
Соотношения между параметрами состояния
Адиабатические процессы в идеальных газах

Термодинамические процессы

Изменение энтальпии
Энергетические параметры состояния
для неизотермического политропного процесса
Изменение внутренней энергии
Изменение энтропии

Функция состояния - работа расширения политропного процесса
Численное значение работы расширения политропного процесса эквивалентно площади под процессом в р,v-системе координат

Функция состояния – располагаемая работа политропного процесса
Численное значение располагаемой работы политропного процесса эквивалентно площади под процессом в р,v-системе координат

Численное значение теплоты политропного процесса эквивалентно площади под процессом в T,Δs-системе координат
Функция состояния - теплота неизотермического политропного процесса

Численное значение теплоты изотермического процесса эквивалентно площади под процессом в T,Δs - системе координат
Теплота и работа изотермического процесса
Численное значение работы расширения изотермического процесса эквивалентно площади под процессом в р,v-системе координат

Все о политропных процессах