Первый закон термодинамики
Введение
Теплотехника— общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принцип действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов тепловых машин, агрегатов и устройств. В развитии теплотехники и её теоретических основ большая заслуга принадлежит российским учёным. Д. И. Менделеев провёл фундаментальные работы по общей теории теплоёмкостей и установил существование для каждого вещества критической температуры. М. В. Ломоносов создал основы молекулярно-кинетической теории вещества и установил взаимосвязь между тепловой и механической энергией. Теплотехника, отрасль науки и техники, охватывающая методы получения и использования тепловой энергии.
ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА
Условие задачи: Разрежение в газоходе парового котла измеряется тягомером с наклонной трубкой. Угол наклона трубки α = 30°.Длина столба воды , отсчитанная по шкале , 160 мм . Определить абсолютное давление
Газов , если показание ртутного барометра приведенное к 0º С составляет, 740 мм.
Так как трубка тягомера находится под наклонов в 300 и показание его 160мм.то,пользуясь свойствами прямоугольных треугольников можно определить реальную высоту водяного столба.(см.рис 1)
Рисунок 1- схема решения.
Рвак лежит против угла a=300 и поэтому Рвак= 160/2=80мм вод.ст.
Далее переводим единицы из мм.вод.ст. в Па Рвак=8089,81=784,8 Па
Далее переводим в мм.рт.ст.Рвак=748,8/133,3=5,88мм.рт.ст.
Определяем абсолютное давление
Рабс=Ратм-Рвак=740-5,88=734,1мм.рт.ст.
Ответ: Абсолютное давление газов =734,1мм.рт.ст.
ОСНОВНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
Условие задачи:В воздухонагреватель парового котла вентилятором подается 130000м3/ч воздуха при температуре 30°С .Определить объем воздуха на выходе воздухонагревателя ,если нагрев его до 400°С При постоянном давлении.
Для решения данной задачи необходимо воспользоваться законом Гей-Люссака V1/ V2 =Т1/Т2 Где:
V1-объем воздуха на входе в котел =130000м3
V2 - объем воздуха на выходе из котла.
Т1- температура воздуха на входе в котел t=300С, Т=t+273=3030 К.
Т2 - температура нагрева воздуха в котле T=4000 С,T=t+273=6730 К.
Соответственно объемный расход воздуха на выходе V2=V1*T2/T1=130000*673/303=288745м3 /ч
Ответ: Объем воздуха на входе воздухонагревателя =288745м3 /ч
Условие задачи: Масса пустого баллона емкостью 50 л. Равна 80 кг. Определить массу баллона после заполнения его кислородом при температуре t=20°С. До давления 100 бар.
Для решения мне понадобилась формула
m= PV/(RT)
Следует перевести единицы измерения:
R-постоянная для кислорода =259,8
T-перевод в Кельвины=20+273,15=293,15
P-100бар=10 Мпа *10³
V=50л=0,05
m=10*10 6 *0,05 / (259,8*293,15)=0,5/76160,37=6,57
Прибавим к первоначальной массе
m =80+6,57=86,57кг.
Ответ:Масса баллона =86,57кг.
СМЕСИ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Условие задачи: Определить газовую постоянную ,плотность при нормальных условиях и объемный состав смеси, если её массовый состав следующий:
Н2=8,4%,СН4=48,7%,С2Н4=6,9%,СО=17%,СО2= 7,6%,O2=4,7%,N2=6,7%
Для начала нужно определить газовую постоянную каждого элемента из приложения А ,где:
Н2-водород=4124,3
СН4-метан=519
С2Н4-этилен =297
СО- окись углерода =296,8
СЩ2-углекислый газ=189
O2-кислород =259,8
N2-азот=296,8
Находим газовую постоянную смеси Rсм= 
где;
gi- массовые доли газов, входящих в смесь
Ri- газовые постоянные газов (приложение А)
Rсм=8,4/100*412,4+48,7/100*519+6,9/100*297+17/100*296,8+7,6/100*189+4,7/100*259,8+6,7/100*296,8=0,084*4124,3+0,487*519+0,069*297+0,17*296,8+0,076*189+0,047*259,8+0,067*296,8=346,4+252,8+20,5+50,5+15+12,2+19,9
=717,3 Дж(кгК)
Далее определяем объемные доли компонентов по формуле:
ri=gi*Ri/Rсм
rн2=gH2*RH2/Rсм=0,084*4124,3/717,3=0,48
rCH4=gCH4*RCH4/Rсм=0,487*519/717,3=0,34
rСO =gCO*RCO/Rсм=0,17*296,8/717,3=0,07
rC2H4=gC2H4*RC2H4/Rсм=0,069*297/717,3=0,03
rCO2=gCO2*RCO2/Rсм=0,076*189/717,3=0,02
rO2=gO2*RO2/Rсм=0,047*259,8/717,3=0,017
rN2=gN2*RN2/Rсм=0,067*296,8/171,3=0,028
Плотность смеси выражается из формулы pсм= 
Где;pi –плотности газов входящих в смесь
pH2=0,090кг/м3
pCH4=0,72кг/м3
pCO=1,25кг/м3
pC2H4 =1,26кг/м3
pCO2=1,977кг/м3
pO2=1,429кг/м3
pN2=1,25кг/м3
(приложение А)
pсм= pH2* rн2+ pCH4 *rCH4+ pCO *rСO + pC2H4 *rC2H4+ pCO2* rCO2+ pO2* rO2+ pN2* rN2=0,090*1,429+0,35*0,72+0,07*1,25+0,02*1,26+0,02*1,977+0,017*1,429+0,028*1,25=0,0432+0,252+0,00875+0,00252+0,03954+0,0242+0,035=0,5кг/м3
Ответ: Газовая постоянная Rсм=717,3Дж(кгК), плотность смеси pсм=0,5кг/м3, объемные доли компонентов rO2 =0,017, rN2=0,028,
rN2=0,028, rн2=0,48
ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ
Условия задачи:
Определить среднюю массовую теплоемкость при постоянном объеме для азота в пределах 200-800°С, считая зависимость теплоемкости нелинейной,
Известно, что средняя мольная теплоемкость азота при постоянном давлении может быть определена по формуле
ċµp = 28,7340+0,0023488*tср
Вычислим среднюю мольную теплоемкость азота при постоянном давлении в пределах 200-800°С
ċµp = 28,7340+0,0023488(200+800)/2 = 29,9084 кДж/(кмоль*К);
Переведем среднюю мольную теплоемкость азота при постоянном давлении в среднюю массовую теплоемкость при постоянном давлении по следующей формуле:
ċp = ċµp/µ = 29,9084/28 = 1,0681 кДж/(кг*К)
µ = 28 - молекулярная масса азота, кг/кмоль.
Теперь определим среднюю массовую теплоемкость при постоянном объеме, используя формулу перевода:
ċv = ċp - R = 1068,1 Дж/(кг*К) – 296,8 Дж/(кг*К) = 771,3 Дж/(кг*К) = 0,7713 кДж/(кг*К)
Ответ: средняя массовая теплоемкость при постоянном объеме ċv = 0,7713 кДж/(кг*К).
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Условия задачи:В сосуд содержащий 5л.воды при температуре t=20°С помещен электронагреватель мощностью 800Вт.Определить сколько времени потребуется,что бы нагреть воду до 100° С. Потерями тепла сосуда в окружающую среду пренебречь.
5 л = 5 дм3
Масса воды в сосуде будет равна:
m=V*ρ = 0,005м3 * 1000 кг/м3 = 5 кг.
Найдем количество теплоты, необходимое для нагревания воды от 20 ͦС (293 К) до 100 ͦС (373 К):
Q = Cv*m*(t2-t1) = 4200 Дж/(кг*К)*5*(373-293) = 1 680 000 Дж = 1680 кДж.
Время, затраченное на нагревание воды данным электронагревателем вычислим по следующей формуле:
T = Q/N = 1 680 000/800 = 2100 с = 2100/60 = 35 мин.
Ответ: 35 минут.