Теплотехника. Основы технической термодинамики презентация

Предмет изучения, методы и основное содержание дисциплины.
Основные понятия термодинамики: термодинамическая система, рабочее тело, идеальный газ.

Что изучает теплотехника?

Предмет изучения
Определение наиболее эффективных способов преобразования теплоты в работу и обратно
Свойства макроскопических
газообразных систем в равновесном состоянии
и процессы изменения состояния
систем на основе
эквивалентности
превращения энергии
Теоретические основы работы тепловых двигателей, компрессоров, холодильных и теплонасосных установок
Цель изучения
Термодинамика

Предмет изучения
определение температурных полей в телах,
расчет интенсивности теплопередачи в элементах энергоустановок (теплообменниках)
способы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах и в пространстве при отсутствии среды
Теоретические основы работы теплопередающих устройств
Цель изучения
Теория теплопередачи

«Начала» термодинамики»
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.
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 термодинамическом цикле невозможно превратить всю теплоту в работу

Содержание дисциплины «Техническая термодинамика»

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Теплотехника: Учебник для втузов. Под общ. ред. А.М. Архарова, В.Н., Афанасьева.– М., Изд-во. ГТУ 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.

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

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).

Уравнение состояния идеального газа
для 1 кг:
где R - индивидуальная
газовая постоянная - работа единицы массы (1 кг) идеального газа в изобарном
процессе при изменении температуры на 1 К.
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:
Принято считать:
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
n=0
n=±∞
n=1
n=k
1

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

Энтальпия (работоспособность)
H = U + pV, Дж
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
Первое начало термодинамики для открытых систем:

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:
Важно изменение энтропии, а не её абсолютное значение!
Энтропия – параметр состояния, дифференциал которого равен элементарному количеству теплоты, отнесенному к абсолютной температуре.

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.

Теплоёмкость
- свойство рабочего тела, характеризующее количество теплоты, получаемое или отдаваемое телом, отнесенное к изменению температуры при бесконечно малом изменении его термодинамического состояния.

Виды удельной теплоемкости

Виды удельной теплоемкости
массовая
объёмная
мольная
(z – количество молей)
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

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

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

Работа политропного процесса
Работа расширения
Располагаемая работа