Основные параметры состояния рабочего тела Технической термодинамикой называется наука, изучающая свойства тепловой энергии и законы взаимного превращения тепловой и механической энергии. Она является основой теории двигателей внутреннего сгорания. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) осуществляется с помощью рабочего тела. Рабочим телом в ДВС являются газообразные продукты сгорания топлива. Свойства рабочего тела зависят от его состояния. Состояние рабочего тела определяется рядом параметров, основными из которых являются удельный объем, давление и температура. Объем вещества (V) - характеризуются величину пространства, занимаемое веществом. Газы при повышение температура, увеличивают свой объем. Удельный объем представляет собой объем единицы массы вещества. Удельный объем определяется по формуле: (3. 1) где V - объем тела [м 3], m - масса вещества [кг], а удельный объем [м 3/кг]. Величину, обратную удельному объему, называют плотностью. или измеряется [кг/м 3]. Плотность есть масса единицы объема.
Давления (P) – это отношение силы (F), действующей перпендикулярно единицы площади S. Давления измеряется паскалям [Па]. (3. 2) где F – силы, S – площадь поверхности, на которую действуют сила. Различают абсолютное и избыточное давления. Под абсолютным давлением понимают действительное давление рабочего тела внутри сосуда, а под избыточным — разность между абсолютным и барометрическим давлением. Абсолютное давление может быть больше или меньше атмосферного (барометрического). Если абсолютное давление больше атмосферного, то (3. 3) где Ризб избыточное давление, которое измеряется манометром; Рбар барометрические (атмосферное) давление, которое измеряется барометром. Если абсолютное давление меньше атмосферного, то (3. 4) где Рразр разность давления атмосферного и абсолютного, обычно измеряемая вакуумметром, называется разрежением. Температура (Т) – характеризуют энергию, с которой движутся молекулы вещества с увеличением t, увеличится энергия и увеличится степень движения молекул. В твердых телах подвижность молекул вещества огромна, поэтому соударений молекул друг с другом увеличится с увеличением t.
Соотношение между температурой в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С) по обеим шкалам следующее: Т = 273, 15 + t. Понятие об идеальном газе. Основные законы идеальных газов При изучении свойств рабочего тела в технической термодинамике вводят поня тие идеального газа. Идеальным газом называется такой газ, у которого отсут ствуют силы сцепления между молекулами, а молекулы представляют собой материальные точки, объем которых бесконечно мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. Реальный газ отличается от идеального тем, что у него мо лекулы имеют конечный объем и между ними действуют силы сцепления. Газо образные продукты сгорания топлива, являясь рабочим телом в ДВС по своим свойствам близки к идеальным газам, поэтому в тепловых расчетах допустимо считать газообразные продукты сгорания идеальными газами. Закон Бойля — Мариотта. При постоянной температуре удельные объемы идеального газа обратно пропорциональны давлениям, т. е. при ; , (3. 5) где , удельные объемы газа в начальном и конечном состояниях; Р 1, Р 2 абсолютные давления газа в начальном и конечном состояниях. Из равенства (3. 5) следует (3. 6)
Закон Гей-Люссака. При постоянном абсолютном давлении удельные объемы идеального газа прямо пропорциональны абсолютным температурам, т. е. при : , (3. 7) где , удельные объемы газа в начальном и конечном состояниях; Т 1, Т 2 абсолютные температуры газа в начальном и конечном состояниях. Из уравнения (3. 7) получим. (3. 8) Закон Авогадро. Все идеальные газы при одинаковых температурах и давлениях содержат в равных объемах одно и то же число молекул. N A = 6, 02∙ 1023 моль-1. Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная Уравнение состояния газа устанавливает зависимость между основными параметрами состояния газов P, V и T. Зависимость между этими параметрами, характеризующими состояние газов, устанавливается из закона Бойля — Мариотта и Гей Люссака. . (3. 9) Постоянную величину const называют удельной газовой постоянной и обозначают буквой R, тогда уравнение примет вид или PV = RT (3. 10) 5
Уравнение (3. 10) называют уравнением состояния идеального газа или уравнением Клапейрона. Уравнение (3. 10) называют также характеристическим уравнением для 1 кг. массы газа. Удельная газовая постоянная имеет различные значения для отдельных газов, величины которых берут из таблиц или вычисляют. Размерность удельной газовой постоянной определяется из уравнения (3. 7) [R] = [PV/T] = Па · м 3/(кг ∙ К) = Дж/(кг·К). Уравнение состояния для произвольного количества идеального газа получается из (3. 10) умножением обеих частей его на массу газа M с учетом, что , где V объем газа, м 3, т. е. . (3. 11) Уравнение состояния для 1 кмоля газа получается из (3. 10) умножением обеих частей его на молекулярную массу , т. е. . (3. 12) Из (3. 12) получаем. (3. 13) Величина R для всех идеальных газов одинакова и ее называют универсальной газовой постоянной. Значение универсальной газовой постоянной при нормальных условиях, т. е. РО= 101325 Па; Т=То=273 К и = 22, 4 м 3/кмоль, можно определить из уравнения (3. 13): R 0 = R = 22, 4. 101325/273 = 8, 3143 к. Дж/(кмоль · К).
Понятие о газовой смеси. Закон Дальтона и состав газовой смеси Газообразные продукты сгорания топлива в ДВС неоднородны по своему составу и представляют собой газовую смесь, т. е. смесь химически не связанных между собой газов. Каждый газ, входящий в смесь, ведет себя так, как будто он один занимает весь объем, т. е. свободно распространяется по всему объему сосуда, имея температуру, одинаковую с температурой всей смеси, и оказывает на стенки сосуда свое собственное давление, называемое парциальным. Газовые смеси подчиняются тем же законам и уравнениям, что и однородные идеальные газы. Основной закон для газовых смесей закон Дальтона, состоящий в том, что при отсутствии химических реакций давление газовой смеси равно сумме парци альных давлений отдельных газов, составляющих смесь, т. е. . (3. 14) где p давление газовой смеси; pi парциальные давления газов, составляющих смесь. Состав газовой смеси обычно задается массовыми mi или объемными Vi долями. Массовой долей газа называют отношение массы каждого отдельного газа, входящего в смесь, к массе всей смеси, т. е. , (3. 15) где Мi массы отдельных газов, составляющих смесь, кг; M масса смеси, кг. Масса смеси равна сумме масс газов, составляющих смесь, т. е. . (3. 16)
Разделив обе части уравнения (3. 16) на M и учтя, что отношения Mi / M есть массовые доли газов, получим. (3. 17) т. е. сумма массовых долей газов, входящих в смесь, равна единице. Объемной долей газов называют отношение парциального (приведенного) объема каждого отдельного газа, входящего в смесь, к объему всей смеси, т. е. . (3. 18) где Vi парциальные (приведенные) объемы газов, составляющие смесь, м 3 (парциальным или приведенным объемом отдельного газа называется такой объем, который имел бы этот газ до смешения при температуре и давлении смеси); V объем смеси, м 3. Объем смеси равен сумме парциальных объемов газов, составляющих смесь, т. е. . (3. 19) Разделив обе части уравнения (3. 19) на V, получим (3. 20) т. е. сумма объемных долей газов, составляющих смесь, равна единице. Массовые доли в объемные переводят по формуле . (3. 21) Объемные доли переводят в массовые по формуле , (3. 22) где молекулярная масса отдельных газов, составляющих смесь; средняя молекулярная масса смеси.
Первый закон термодинамики Понятие о термодинамическом процессе Обратимые и необратимые процессы Под термодинамическим процессом понимают последовательное изменение состояния рабочего тела. Изменение состояния рабочего тела происходит под влиянием механического (сжатие или расширение рабочего тела) или терми ческого (нагрев или охлаждение рабочего тела) воздействия окружающей среды. Различают равновесные и неравновесные процессы. Под равновесным понима ют процесс, который протекает с бесконечно малой скоростью так, что в каждый момент времени в рабочем теле успевает установиться равновесное состояние. Основное условие равновесного процесса механическое и термическое равно весие, т. е. одинаковость давления и температуры по всей массе рабочего тела, а также отсутствие трения. Равновесный процесс есть процесс идеальный. Равновесные процессы называют обратимыми, так как они могут протекать сна чала в прямом, а затем в обратном направлении через одну и ту же последова тельность равновесных состояний. При этом вся система тел, принимающих уча стие в процессах, возвращается в исходное состояние. Под неравновесным процессом понимают все действительные процессы (реаль ные), в которых рабочее тело проходит через не равновесное состояние. Неравновесные процессы называют необратимыми, так как они протекают с конечными скоростями, и, следовательно, давления и температуры по всей массе рабочего тела не могут быть одинаковыми в каждый момент времени.
В технической термодинамике изучают главным образом обратимые процессы, которые подчиняются уравнению состояния иде ального газа. При изучении необратимых процессов (действительных) можно пользоваться результатами ис следований обратимых процессов, вводя опытные коэффициенты, учитывающие отклонения необратимых процессов от обратимых. Графическое изображение процесса в p-v - координатах Рис: 1. Процесс расширения газа в p-v диаграмме Работа расширения или сжатия газа Обратимые (равновесные) процессы изображают графи чески в прямоугольной системе p-v - координат. Рассмо трим процесс изменения параметров рабочего тела в ци линдре со свободно перемещающимся поршнем (рис. 1). Допустим, что в цилиндре находится 1 кг газа с начальны ми параметрами p 1, V 1, T 1. Это состояние газа в p-v – ко ординатах изображается точкой 1. Давление газа на пор шень в начальном состоянии уравновешивается внешней силой, приложенной к штоку поршня, и давлением атмо сферы. При уменьшении внешней силы поршень под дей ствием давления газов начнет перемещаться в цилиндре вправо, увеличивая объем газа до V 2 и уменьшая давле ние и температуру соответственно до p 2 и T 2. Состояние газа в конце процесса в p-v - координатах изобразится точкой 2. Взяв ряд промежуточных состояний газа между точками 1 и 2 и соединив их, получим кривую 12, которая отражает процесс расширения (сжатия) газа.
Чтобы определить работу расшир ения или сжатия газа, разобьем процесс рас ширения, изображенный кривой 1 2 (рис. 1), на бесконечно малые участки, в пре делах которых давление принимают постоянным. Тогда величина элементарной работы dl при бесконечно малом перемещении поршня dh равна произведению силы на путь, т. е. (4. 1) где p давление газа на единицу площади поршня; F – площадь поршня. Так как , где d. V приращение объема в элементарном процессе, то. (4. 2) Интегрируя уравнение (4. 2) в пределах от начального V 1 до конечного V 2 удель ных объемов газа, получим значение полной работы расширения или сжатия 1 кг газа, т. е. . (4. 3) Работа расширения или сжатия газа массой M. (4. 4) В p-v координатах (см. рис. 1) элементарная работа характеризуется площадью заштрихованного прямоугольника, а полная бота расширения или сжатия площадью, расположенной под кривой процесса и ограниченной двумя ордината ми и осью абсцисс. Работа расширения газа считается положительной, а работа при сжатии – отрицательной.
Внутренняя энергия газа. Энтальпия газа Под внутренней энергией газа понимают сумму внутренней кинетической энергии и внутренней потенциальной энергии. Внутренняя энергия газа зависит от его состояния. При изменении состояния газа изменяется и его внутренняя энер гия. Но так как состояние газа определяется удельным объемом, давлением и температурой, то величина внутренней энергии есть функция этих параметров. Следовательно, внутренняя энергия параметр состояния газа. В идеальном газе, как известно, отсутствуют силы сцепления между молекула ми, следовательно, отсутствует и потенциальная энергия, поэтому изменение внутренней энергии идеального газа зависит только от изменения внутренней ки нетической энергии, определяемой температурой газа. Из сказанного следует, что изменение внутренней энергии не зависит от характера промежуточных процес сов, а зависит от параметров начального и конечного состояний газов. Изменение внутренней энергии идеального газа зависит от начальной и конечной температур газа, т. е. . (4. 5) Газ, находящийся в любом состоянии, обладает определенным запасом внутрен ней и потенциальной энергий. Потенциальная энергия пропорциональна величи не давления и величине удельного объема и равна p. V. Произведение p. V числен но равно работе, которую следует совершить, чтобы ввести газ с удельным объе мом V в среду с давлением p. Величину суммы внутренней энергии u и потенци альной энергии p. V называют энтальпией, которую обозначают буквой i и выражают уравнением (для 1 кг массы в Дж/кг) i = u + p (4) или для М кг газа (Дж) I = U + p. V (4. 7)
Как видно из уравнения (4. 7), энтальпия определяется тремя параметрами состоя ния: U, p и V, поэтому величина I тоже параметр состояния. Следовательно, изменение энтальпии не зависит от характера процесса, а зависит от параметра начального и ко нечного состояний газов. Первый закон термодинамики одна из формулировок универсального закона сохранения и превращения энергии, открытого в 1748 г. М. В. Ломоносовым. Этот закон устанавливает, что взаимный переход теплоты в работу и работы в тепло ту совершается в равнозначных количествах, т. е. Q=A (4. 8) где Q количество теплоты, Дж; A количество работы, Дж. Согласно закону сохранения и превращения энергии, (4. 9) где энергии, . внутренней кинетической энергии, внутренней потенциальной изменение внутренней энергии, Дж/кг, dq = du + dl (4. 10) Уравнение (4. 10) представляет собой аналитическое выражение первого закона термодинамики и показывает, что подведенная к газу теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение внешней механической работы. Проинтегрировав (4. 10), получим. q = ∆u + l (4. 11)
Скачать презентацию Основные параметры состояния рабочего тела Технической термодинамикой называется
Технич_терм.ppt