Термодинамическое равновесие, равновесный процесс.

Удельный объем, плотность.

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.υ = V / m , [м³/кг])

Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.ρ = m / V , [кг/м³]

Давление и температура.

Давление– с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.Р = F / S ; [Па] = [Н/м²]

Различают…избыточное…и…абсолютное давление.

Избыточное давление (Р_и)–разность..между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды.
Абсолютное давление (Р) давление отсчитываемое..от..абсолютного..нуля давления или..от

абсолютного вакуума.Это давление является..т/д..параметром..состояния.
Абсолютное давление определяется:
1). При давлении сосуда больше атмосферного:Р = Р_и + Р_о ; (1.5)2). При давлении сосуда меньше атмосферного:Р=Р_о +Р_в ;где..Р_о –атмосферное давление;
Р_в – давление вакуума.

Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения егомолекул

. Чем больше средняя скорость движения, тем вышетемпература тела.
5.Термодинамическая система: открытая, закрытая, изолированная.

Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики.

Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде).

Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.

Термодинамическое равновесие, равновесный процесс.

Если температура, давление и объем тела могут оставаться без внешнего воздействия неизменными как угодно долго, то такое состояние системы называют равновесным. Если хотя бы один из параметров состояния меняется, то изменяется состояние системы, происходит термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний.

7. Внутренняя энергия системы.

Внутренняя энергия - это энергия системы за вычетом ее полной механической энергии (которая складывается из кинетической энергии системы как целого и ее потенциальной энергии в поле внешних сил): =-
Внутренняя энергия системы складывается из:
а) кинетической энергии непрерывногохаотического движения молекул;
б) потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой;
в) внутримолекулярной энергии (энергии химических связей, ядерной энергии и т.п.).

E=Ек+Ер+U

Для идеального газа внутренняя энергия равна суммарной кинетической энергии хаотическогодвижения всех N молекул газаВнутренняя энергия системы аддитивна, т.е. складывается из внутренних энергий ее частей.Внутренняя энергия системы является функцией состояния. Поэтому приращение внутренней энергии (как и приращение всех функций состояния) всегда будет полным дифференциалом dU.При циклическом процессе, когда система приходит в исходное состояние, ее внутренняя энергия не меняется.

Теплота и теплообмен.

Теплота-количество энергии, передаваемой от одного тела к другому путем непосредственного соприкосновения и излучения.

Теплообмен- это самопроизвольнае процес теплоотдачи в пространстве с неоднородным распределеня температуры--форма передачи энергии одних тел к другим путем теплопроводности, конвекции и излучением. Он возможен, только когда тела имеют разную температуру. Количество теплоты, полученной каким-либо телом, зависит от вида процесса, посредством которого он передается.

Жидкость - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Для нее характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и принимают форму сосуда. В то же время жидкость обладает рядом только ей присущих свойств, одно из которых - текучесть.

В жидкости молекулы размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости гораздо больше плотности газов (при нормальном давлении). Свойства жидкости по всем направлениям одинаковы (изотропны) за исключением жидких кристаллов.

Твердые тела - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов. Это движение вызывает колебания атомов (или ионов), из которых состоит твердое тело. Амплитуда колебаний обычно мала по сравнению с межатомными расстояниями.Структура твердых тел многообразна, но, тем не менее, их можно разделять на кристаллы и аморфные тела.

Законы идеальных газов.

Бойля-Мариотта- При постоянной температуре и массеидеального газа произведение его давления и объёма постоянно. PV=const

Гей-Люсака- При постоянном давлении объем идеального газа изменяется прямопропорционально повышению температуры.

V= (1+αT), где V-уд. V при темп и давл, -уд.объем при t=0 и P, α-коэф теплового расширения.

Клайперона- PV=RT, уд.газовая постоянная

Клайперона Менделеева PV=MRT

Закон Авога́дро — закон, согласно которому в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температурах и давлениях, содержится одно и то же количество молекул

Понятие теплоемкости.

Тепловые машины.

Тепловые машины- непрерывно действующая система, осуществляющая прямые круговые циклы, в +которых теплота превращается в работу.

-Тепловые двиг.

-Холодильные машины.

Тепловые двиг называют непрерывно действующую систему осуществляющую прямые круговые циклы в которых теплота превращ в работу.

Кругове процессы(циклы)

Непрерывная последовательность термодинамических процессов в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Прямой термодинамический цикл-цикл, котором к рабочему телу подводится большее количество теплоты при большей температуры и отводится меньшее количество теплоты при более низкой температуры, а разность этих теплот равняется совершаемой работе.

Цикл Карно

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропияадиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Описание цикла Карно.

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

1. Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается.
2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
3. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты .
4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия:

, при .

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

КПД тепловой машины Карно.

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм. Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины будет меньше или равен КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника.

Второе начало термодинамики

он характеризуется законами природы

Для существования теплового двигателя, необходимо 2 источника-горячий и холодный(окр. Среда). Если двигатель работает только от одного источника, то он наз-ся вечным двигателем 2 рода.

Приведем некоторые формулировки второго начала термодинамики:

• Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу (формулировка Кельвина).
• Невозможен вечный двигатель второго рода (формулировка Томпсона – Планка).
• Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса).

Циклы поршневых двигателей.

Тепловые двигатели работа которых осуществляется за счет энергии топлива, сжигаемого в цилиндре самого двигателя, называется поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС)

ДВС подразделяются на:

-двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, работающие с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) для бензиновых, карбюраторных ДВС

-двигатели с самовоспламенением работающие с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

-со смешанным подводом теплоты в начале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении (цикл Тринклера).

Рабочие процессы реального двигателя нельзя исследовать термодинамическим методом. Его исследуют в основном экспериментально специальными методами, но метод термодинамики используют для анализа циклов тепловых двигателей. Их результаты используют при конструировании ДВС и для исследования работы тепловых двигателей. Для этого вводится понятие идеального теплового двигателя и представляет его рабочий процесс в форме индикаторной диаграммы.

В идеальном двигателе рабочим телом является идеальный газ, потери протекают без потерь.

Цикл Ренкина.

Цикл Ренкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара.

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.

.

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

- изобара линия 4-5-6-1. Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрачивается теплота .

- адиабата линия 1-2. Процесс расширения пара в турбине, то есть её вращение паром ( ).

- изобара линия 2-3 Конденсация отработанного пара с отводом теплоты охлаждающей водой.

- адиабата линия 3-4. Сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы .

Циклы холодильных машин.

Поскольку рабочее тело в цикле Карно возвращается в исходное состояние, можно представить себе обращенную тепловую машину. Если в прямом цикле передача тепла от нагревателя к холодильнику используется для получения работы, то в обращенном за счет совершения механической работы теплота передается от холодильника нагревателю, так что холодильник становится еще холоднее, а нагреватель – еще горячее. Таков цикл холодильной машины (используемый, например, в холодильниках и кондиционерах): работа, совершаемая электродвигателем домашнего холодильника, идет на то, чтобы внутри холодильника было холодно за счет нагревания окружающего воздуха.

49. Основные определения теории теплообмена.

Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:

- теплопроводностью;

- конвекцией;

- излучением (радиацией).

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.

Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-кондуктивным теплообменом.

Теплообмен излучением.

Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. Он составляет 90-95% суммарного теплообмена в топках паровых котлов, дуговых сталеплавильных печах, 80-90% ─ вплазменно-дуговых печах и камерах нагревательных печей. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим законам преломления, поглощения, отражения. Тепловое излучение помимо волновых свойств обладает корпускулярными свойствами: энергия излучается телом не непрерывно, а отдельными порциями – квантами и фотонами. Следовательно, излучение обладает корпускулярно-волновым дуализмом:
энергия и импульс сосредоточены в фотонах, а вероятность их нахождения в пространстве обусловлена волновой механикой. Поэтому процессыизлучения и поглощения энергии описываются законами квантовой механики, а процессы распространения энергии – законами волновой теории распространения электромагнитных колебаний.

Теплообменные аппараты.

Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов, называют теплообменными. Эти аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера протекающих в них процессов и условий проведения этих процессов.

Теплообменник - одно из немногих технических устройств, хорошо известных даже весьма далеким от техники людям. В самом деле, в каждой квартире под подоконником установлены радиаторы отопления - массивные, ощетинившиеся ребрами чугунные трубы или более современные, более изящные их аналоги. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель - горячая вода - отдает через металлическую стенку теплоту воздуху наших квартир.

Радиаторы отопления - самые распространенные и самые известные, но, пожалуй, не самые ответственные теплообменники. В конце концов, если они по какой-то причине и откажут, день-другой вполне можно перебиться: включить электрические обогреватели или, в крайнем случае, потеплее одеться. А в промышленности редкое производство может обойтись без надежно работающих теплообменников.

Есть ещё одна область техники, где теплообмен имеет решающее значение. Это транспорт. Любое транспортное средство - автомобиль, трактор, морское судно, самолёт, космический корабль - немыслимо без радиаторов и другой теплообменной аппаратуры.

Основы массообмена.

Самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем химического потенциала этого компонента (в простейшем случае — с неоднородным полем концентрации или парциального давления этого компонента). В случае термодиффузии М. вызывается также разностью температур. М. между движущейся средой и поверхностью раздела с другой средой называется массоотдачей. Массообменные процессы обычно многостадийны и включают как перенос вещества в пределах одной фазы, так и переход вещества через фазовую поверхность.

М. лежит в основе многих технологических процессов: ректификации, экстракции, абсорбции, адсорбции, сушки, изотопного обмена и других, которые широко используются для разделения веществ и для их очистки от вредных или балластных примесей.

При прохождении через аппарат потока вещества D, концентрация диффундирующего компонента в котором изменяется отy1 до y2, количество вещества G = D (y1 — y2), перешедшее за время τ через межфазную поверхность F, определяется уравнением массообмена

G = K Δc F τ,

где Δс — средняя разность рабочих и равновесных концентраций фазы, движущая сила процесса М., которая может быть выражена через разности химических потенциалов, концентраций, парциальных давлений и т. д.; К — коэффициент массопередачи, численная величина которого определяется физико-химическими свойствами контактирующих фаз, конструкцией аппарата и гидродинамическими условиями процесса. При технологических расчётах часто используется понятие объёмного коэффициента массопередачи, поскольку неизвестна истинная поверхность контакта фаз.

Топливо.

ТОПЛИВО — группа горючих веществ, применяемых для выделения энергии, изначально тепловой. Понятие более общее нежели горючее ископаемое, потому как включает в себя и древесину. В широком смысле — один из видов потенциальной энергии, энергоноситель.

ТВЕРДЫЕ ТОПЛИВА
Древесина, древесная щепа, древесные пеллеты, Горючий сланец, Сапропель, Торф, Уголь, Битуминозные пески, Порох, единения азота, Твердое ракетное топливо

ЖИДКИЕ ТОПЛИВА

Просты в транспортировке, но при этом велики потери при испарении, разливах и утечках, Нефтяные топлива, Мазут, Дизельное, топливо (Газойль, Соляровое масло), Керосин, Лигроин, Бензин, Газолин, Масла, Сланцевое масло
Отработавшее машинное масло, Растительные (Рапсовое, Арахисовое) или животные масла (жиры), Спирты , Этанол, Метанол, Пропанол, Жидкое ракетное топливо, Эфиры, (изомеры) спиртов, Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), Диметиловый эфир (ДМЭ)
жирных кислот , Этерифицированные растительные масла (Биодизель), Эмульсии , Водотопливная эмульсия, Этиловый спирт в бензинах, Масла в бензинах, Синтетические топлива, производимые на основе процесса Фишера-Тропша , Из угля (CTL)
Из биомасса (BTL)
Из природного газа (GTL)

ГАЗООБРАЗНЫЕ ТОПЛИВА

Еще более транспортабельны, при этом еще большие потери, а также при нормальных условиях ниже энергетическая плотность
Пропан, Бутан, Метан, Природный газ, Метан угольных пластов, Рудничный газ, Болотный газ, Биогаз, Лэндфилл-газ, Гидрат метана
Водород, Cжатый (компримированный) природный газ (CNG), Продукты газификации твердого топлива ,
Угля - (синтез, генераторный, коксовый) газы, возможна подземная газификация углей
Древесины
Смеси
Пропан-бутановая смесь (LPG)
Смесь водорода и природного газа (HCNG)

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ, РАСТВОРЫ
Аэрозоли , Угольная пыль, Алюминиевая, магниевая пыль, Пены , Газодизель (смесь природного газа с дизельным топливом), Смесь водорода с бензином, Суспензии , Водонитратное топливо ("жидкий порох")

НЕ ТИПИЧНЫЕ ТОПЛИВА

Ядерное топливо, Термоядерное топливо, Ракетное топливо

Основы горения топлива.

Карбюратор предназначен для приготовления топливовоздушной смеси требуемого состава в зависимости от режима работы двигателя и внешних условий и для регулирования количества смеси с целью изменения параметров двигателя.

Известно, что для полного сгорания 1 кг бензина теоретически требуется около 15 кг воздуха. Однако на практике количество воздуха, действительно приходящегося на 1 кг топлива, бывает больше или меньше. Качество топливовоздушной смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха а, который показывает отношение действительного количества воздуха GД, вводимого в смесь на 1 кг топлива, к теоретически необходимому GТ:

Если на 1 кг бензина вводится 15 кг воздуха, то

.

Такая смесь называется нормальной.

Если на 1 кг бензина вводится 20 кг воздуха, то

смесь бедная.

Если на 1 кг бензина вводится менее 15 кг воздуха, например 12, то

смесь богатая.

Удельный объем, плотность.

Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.υ = V / m , [м³/кг])

Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.ρ = m / V , [кг/м³]

Давление и температура.

Давление– с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.Р = F / S ; [Па] = [Н/м²]

Различают…избыточное…и…абсолютное давление.

Избыточное давление (Р_и)–разность..между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды.
Абсолютное давление (Р) давление отсчитываемое..от..абсолютного..нуля давления или..от

абсолютного вакуума.Это давление является..т/д..параметром..состояния.
Абсолютное давление определяется:
1). При давлении сосуда больше атмосферного:Р = Р_и + Р_о ; (1.5)2). При давлении сосуда меньше атмосферного:Р=Р_о +Р_в ;где..Р_о –атмосферное давление;
Р_в – давление вакуума.

Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения егомолекул

. Чем больше средняя скорость движения, тем вышетемпература тела.
5.Термодинамическая система: открытая, закрытая, изолированная.

Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики.

Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде).

Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.

Термодинамическое равновесие, равновесный процесс.

Если температура, давление и объем тела могут оставаться без внешнего воздействия неизменными как угодно долго, то такое состояние системы называют равновесным. Если хотя бы один из параметров состояния меняется, то изменяется состояние системы, происходит термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний.

7. Внутренняя энергия системы.

Внутренняя энергия - это энергия системы за вычетом ее полной механической энергии (которая складывается из кинетической энергии системы как целого и ее потенциальной энергии в поле внешних сил): =-
Внутренняя энергия системы складывается из:
а) кинетической энергии непрерывногохаотического движения молекул;
б) потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой;
в) внутримолекулярной энергии (энергии химических связей, ядерной энергии и т.п.).

E=Ек+Ер+U

Для идеального газа внутренняя энергия равна суммарной кинетической энергии хаотическогодвижения всех N молекул газаВнутренняя энергия системы аддитивна, т.е. складывается из внутренних энергий ее частей.Внутренняя энергия системы является функцией состояния. Поэтому приращение внутренней энергии (как и приращение всех функций состояния) всегда будет полным дифференциалом dU.При циклическом процессе, когда система приходит в исходное состояние, ее внутренняя энергия не меняется.

Теплота и теплообмен.

Теплота-количество энергии, передаваемой от одного тела к другому путем непосредственного соприкосновения и излучения.

Теплообмен- это самопроизвольнае процес теплоотдачи в пространстве с неоднородным распределеня температуры--форма передачи энергии одних тел к другим путем теплопроводности, конвекции и излучением. Он возможен, только когда тела имеют разную температуру. Количество теплоты, полученной каким-либо телом, зависит от вида процесса, посредством которого он передается.