Рекомендуемая литература Основная Луканин В

Рекомендуемая литература • • • Основная: Луканин В. Н. . и др. Теплотехника. Учебник для вузов. - М. : Высшая школа, 1999, - 671 с. Арнольд Л. В. , Михайловский Г. А. , Селиверстов В. М. Техническая термодинамика и теплопередача. М. : Высшая школа, 1979, - 446 с. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче. Под редакцией Б. Н. Юдаева. М. : » Высшая школа» , 1997 г. - 373 с Теплотехнический эксперимент. Справочник под ред. Юренева В. Н. . - М. : Энергия, 1986, 879 с.

Теплофизика состоит из подразделов, среди которых нас больше всего интересуют следующие: • термометрия, изучающая вопросы измерения температуры; • дилатометрия, изучающая законы расширения твердых тел, жидкостей и газов; • калориметрия, позволяющая определять удельные теплоемкости; • термокинетика, изучающая распространение тепла. И применяемые в других областях знаний термохимию, термофизиологию, термоэлектронику и т. д.

Термодинамика - это раздел физики • в котором изучаются связи между теплом и другими формами энергии, в частности связи между тепловыми и механическими явлениями. • Она не рассматривает вопросов, связанных с микрофизическим механизмом изучаемых явлений, а потому относится к так называемым феноменологическим наукам, в которых не вводится никаких предположений о молекулярном строении изучаемых тел • Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы. Сформулированные в термодинамических понятиях, они называются законами или началами термодинамики. • Благодаря высокой достоверности и независимости этих законов от свойств конкретных тел термодинамика успешно решает разнообразные задачи технического характера.

• В настоящее время различают 1) Статистическую термодинамику , которая , в свою очередь, изучает тепловые вопросы с точки зрения микроскопических размеров, т. е. определяет, какова средняя величина микроскопических составляющих очень большого числа элементарных частиц, этот метод исходит из определенной молекулярной структуры тел и использует теорию вероятностей и математическую статистику для определения свойств совокупности микрочастиц. 2) классическую термодинамику , которая исследует общие закономерности, имеющие место в явлениях обычного масштаба, не требует привлечения модельных представлений о структуре вещества и является феноменологической (т. е. рассматриваются «феномены» явления в целом, даже используя метод дедукции). Она состоит из трех областей, которые различаются по своим приложениям и изучают: • термоупругие свойства индивидуальных веществ и смесей; • теплоты реакций и химических равновесий (термохимия); • превращение тепла в механическую работу и обратно, (что нас особенно интересует).

• При термодинамическом изучении какого-либо явления в качестве объекта исследования выделяется группа тел, единичное тело или даже отдельные его части эта совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией между собой и с окружающей средой называется - Термодинамическая система

• Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. • Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. • Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). • Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осуществляются через контрольные поверхности. • При механическом взаимодействии самой системы или над системой совершается работа.

В зависимости от условий взаимодействия с другими системами различают • Открытую систему, это система, в которой имеется обмен как веществом с другими системами, так и теплом. • Закрытую систему , в которой отсутствует обмен веществом с другими системами, но есть обмен теплом. • Адиабатную , в которой отсутствует обмен теплотой с другими системами, но может происходить обмен веществом. • Изолированную систему, в которой отсутствует обмен веществом и теплом.

"Термодинамические параметры" • данной системы - это параметры, которые позволяют определить ее состояние, их также называют параметрами состояния. • Различают два типа параметров: • не зависящие от массы рассматриваемого вещества (например, давление и температура), которые называются интенсивными параметрами, • и зависящие от массы вещества (например, объем), называемые экстенсивными.

К термодинамическим параметрам относятся физические величины, характеризующие макроскопическое состояние тел: • термодинамическое давление, • термодинамическая (абсолютная) температура • и удельный объем.

Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. • Название единицы: Паскаль, обозначение: Па. Названа в честь французского философа и математика Блеза Паскаля (1623 -1662), который знаменит, в частности, научными трудами "Трактат о весе воздуха" и "Трактат о пустоте". • Поскольку единица силы - ньютон, а единица площади - квадратный метр, легко получить, что • 1 Па=1 Н/м 2. • Так как Паскаль - очень маленькая единица, а широко используемые давления во много тысяч раз превосходят Паскаль, часто используют единицу бар согласно соотношению • 1 бар = 105 Па.

• В любое уравнение подставляется только абсолютное давление р, Па • Атмосферное давление измеряют барометром и оно называется барометрическим рбар. Это давление измеряется чаще всего ртутными барометрами. Поэтому необходимо учитывать объемное расширение ртути и приводить давление к 0 о. С pбар О=pбарt(1 - 0, 000172 t) • Если давление среды в резервуаре больше рбар, то называется избыточное (или манометрическое) давление. Сумма барометрического и манометрического давлений равна абсолютному давлению р в этом случае. p = pбар. О +pман, • Если давление в резервуаре меньше рбар, образуется разрежение, т. е. вакуум, измеряющийся величиной рвак. То абсолютное давление равно p = pбар 0 — pвак

• Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела • Абсолютная температура рабочего тела является мерой интенсивности теплового движения молекул. • Абсолютная температура всегда положительна, а нулевое значение ее соответствует состоянию полного покоя молекул. • При тепловом равновесии двух тел, когда теплообмен между ними отсутствует, температура их одинакова. • Шкала, в которой температура отсчитывается от этого состояния, называется термодинамической шкалой Кельвина. Измеренная по шкале Кельвина температура обозначается Т К. • В технике же принята международная стоградусная шкала — шкала Цельсия, в которой отсчет ведется от состояния тающего льда при нормальном давлении (соответствующего абсолютной температуре Т=273, 15 К). Измеренная по шкале Цельсия температура обозначается t°С.

Удельный объем вещества • представляет собой объем, занимаемый единицей массы вещества. Удельный объем связан с массой тела m и его объемом V следующим соотношением: • = V/m. • Единицей измерения удельного объема вещества является м 3/кг. • Плотность рабочего тела =m/V, а ее единицей измерения является кг/м 3.

«Нормальные условия» • Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные физические условия» : р = 760 мм. рт. ст. = 101, 325 к. Па; Т = 273, 15 К (t=0 C). • В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия» , например, «технические» (р = 735, 6 мм рт. ст. = 98 к. Па, t=15 °С) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (р = 101, 325 к. Па, t = 20 °С) и т. д. • В дальнейшем, если это не оговорено особо, при решении задач будут использоваться только нормальные физические условия.

• Если все термодинамические параметры постоянны и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным. В свою очередь • Равновесным термодинамическим состоянием называется состояние тела, которое не изменяется во времени без внешнего энергетического воздействия. Параметры равновесного состояния во всей массе тела одинаковы и равны соответствующим параметрам внешней среды. В состоянии термодинамического равновесия исчезают всякие макроскопические изменения (диффузия, теплообмен, химические реакции), хотя тепловое (микроскопическое) движение молекул не прекращается.

• Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то она является неравновесной. • В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. • Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. • В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.

Уравнение состояния • Это уравнение, которое в общем виде может быть представлено как f(p, , Т)=0 и которое связывает термодинамические параметры системы в равновесном состоянии • В пространственной системе координат, на осях которой откладываются величины р, и Т, уравнению состояния соответствует термодинамическая поверхность, индивидуальна для рассматриваемого вещества.

• Уравнению состояния можно придать другую форму: p = f(v, T), v=f(р, T), T = f(v, р) • Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых. • Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. • Однако оно не может быть получено в рамках термодинамики и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической физики. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств вещества.

Рассмотрим термодинамическую систему состоящую из газов • Вначале введем понятие идеального газа. • Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. • Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. • Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и задач аэрогазодинамики. • Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью.

Будем считать, что • при низких давлениях и сравнительно высоких температурах, когда расстояния между молекулами реального газа значительны, а силы молекулярного взаимодействия малы, свойства реальных газов близки к свойствам так идеального газа.

В конце концов объединяя выражения получим, что рv/T=const выше можно записать

Уравнение Клайперонна p =RT • где R- газовая постоянная , характерна для каждого газа , к. Дж/кг·К. • газ, в точности подчиняющийся уравнению Клапейронна, — называется идеальным • Уравнение Клайперонна можно придать универсальную форму, если отнести газовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа , масса которого в килограммах численно равна молекулярной массе . p = RT p /Т= R

Закон Авогадро • Одинаковые объемы различных идеальных газов при одинаковых р и Т содержат одинаковое количество молекул. N=6, 02· 1023 • Поскольку 1 кмоль любого вещества содержит одно и то же количество молекул, то произведение молекулярной массы любого идеального газа на его удельный объем есть величина постоянная для определенных р и Т, т. е. = const = 22, 4136 куб. м, где — молекулярная масса, кг/кмоль.

Универсальная газовая постоянная • Таким образом, величина R не зависит ни от вида идеального газа, ни от его состояния. Эта величина носит название универсальной газовой постоянной, она была введена Д. И. Менделеевым. • Для вычисления R используется стандартное состояние — так называемые нормальные физические, условия: ро=101325 Н/м 2 и T 0=273, 15 К; при этом, универсальная газовая постоянная оказывается равной • R= 101 325· 22, 4136/273, 15=8314, 2 Дж/кмоль= 8, 3142 к. Дж/(кмоль • К).

• Зная универсальную газовую постоянную R можно подсчитать газовую постоянную любого газа R= 8, 3142/ к. Дж/(К); • Уравнение состояния идеального газа для 1 кмоля газа имеет вид и называется уравнением Менделеева – Клайперона р =8, 3142·Т; • Для произвольной массы идеального газа m уравнение состояния имеет вид p. V=m. RT Где V объем идеального газа в м 3

Уравнение Ван-дер-Вальса • • В реальных газах в отличие от идеальных существенны силы межмолекулярных взаимодействий (силы притяжения, когда молекулы находятся на значительном расстоянии, и силы отталкивания при достаточном сближении их друг с другом) и нельзя пренебречь собственным объемом молекул. Наличие межмолекулярных сил отталкивания приводит к тому, что молекулы могут сближаться между собой только до некоторого минимального расстояния. Поэтому можно считать, что свободный для движения молекул объем будет равен — b, где b — тот наименьший объем, до которого можно сжать газ. В соответствии с этим длина свободного пробега молекул уменьшается и число ударов о стенку в единицу времени, а следовательно, и давление увеличивается по сравнению с идеальным газом в отношении /( — b), т. е.

• Силы притяжения действуют и том же направлении, что и внешнее давление, и приводят к возникновению молекулярного (или внутреннего) давления. • Сила молекулярного притяжения каких-либо двух малых частей газа пропорциональна произведению числа молекул в каждой из этих частей, т. е. квадрату плотности, поэтому молекулярное давление обратно пропорционально квадрату удельного объема газа: рмол = а/ 2 • где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа. • Получаем окончательный вид уравнения Ван-дер-Вальса

Свойства уравнения Ван-дер-Вальса • • • При больших удельных объемах и сравнительно невысоких давлениях реального газа уравнение Ван-дер-Ваальса практически вырождается в уравнение состояния идеального газа Клапейрона, ибо величина a/v 2 (по сравнению с р) и b (по сравнению с v) становятся пренебрежимо малыми. Уравнение Ван-дер-Ваальса с качественной стороны достаточно хорошо описывает свойства реального газа, но результаты численных расчетов не всегда согласуются с экспериментальными данными. В ряде случаев эти отклонения объясняются склонностью молекул реального газа к ассоциации в отдельные группы, состоящие из двух, трех и более молекул. Ассоциация происходит вследствие несимметричности внешнего электрического поля молекул. Образовавшиеся комплексы ведут себя как самостоятельные нестабильные частицы. При столкновениях они распадаются, затем вновь объединяются уже с другими молекулами и т. д. По мере повышения температуры концентрация комплексов с большим числом молекул быстро уменьшается, а доля одиночных молекул растет. Большую склонность к ассоциации проявляют полярные молекулы водяного пара.

ГАЗОВЫЕ СМЕСИ

• Состав газовой смеси определяется количеством каждого из газов, входящих в смесь, и может быть задана массовыми или объемными долями • Массовая доля (m) определяется отношением массы отдельного газа, входящего в смесь, к массе всей смеси

• Объемной долей (r) газа называют отношение объема каждого компонента, входящего в смесь, к объему всей газовой смеси при условии, что объем каждого компонента отнесен к давлению и температуре смеси (приведенный объем)

Формулы для расчета газовых смесей

Удельная теплоемкость газа • Это количество теплоты q, расходуемое при нагревании или охлаждении на 1 о. C или 1 о. К. • 1 кг газа(вещества) – обозначается с, называется массовая • 1 м 3 газа – обозначается - c`, называется объемная • 1 кмоль газа – обозначается - c, называется мольная

• Теплоемкость отнесенная к 1 кг газа, имеет единицу измерения к. Дж/кг·К • Истинной теплоемкостью называется отношение элементарного количества теплоты, сообщаемой термодинамической системе в каком-либо процессе, к бесконечно малой разности температур, т. е. c=f(t) или dq=cdt • Это соотношение показывает, что теплота q затрачена на осуществление процесса нагрева газа от температуры t 1 до температуры t 2. • теплоемкость идеального газа зависит от температуры, а реального и от давления,

• В практических расчетах при определении количества теплоты применяют так называемые средние теплоемкости. • Средней теплоемкостью данного процесса в интервале температур от t 1 до t 2 называют отношение количества теплоты к разности температур: с=q/(t 2 –t 1) • Теплоемкость зависит от характера процесса. Особое значение имеет теплоемкость газа при постоянном давлении (в изобарном процессе) ср и постоянном объеме (в изохорном процессе) cv.