Големина на текста:
1.Техническа
термодинамика
, параметри на
състоянието.
Термодинамика
има гръцки
произход и е
съставено от две
думи: ‘термо’,
означаващо
‘нагрят’ и
‘динамис’ –
сила. Този клон
от физиката
възниква за да
обясни
явленията
свързани с
преобразуването
на топлината в
механична
работа.
Изясняването на
тези явления се
наложило с
разработването
на
конструкцията
на оръдейното
тяло от метал,
който да
издържи на
високите
температури и
налягания при
изстрела, с
появата на
първите
топлинни
двигатели –
парната машина,
а по-късно и
двигателят с
вътрешно
горене, парните
и газовите
турбини.
1.Основни
понятия.
1.1.
Определения за
термодинамикат
а.
Термодинамикат
а включва
всички процеси
на
преобразуване
на енергията.
Началните
представи за
топлината са
били свързани
със специална
субстанция –
топлород.
Преминаването
на топлина от
едно тяло към
друго се е
обяснявало с
‘преливането’ на
топлород от
едно тяло към
друго. По-късно
се установява,
че природата на
топлинните
явления е
свързана с
вътрешния
строеж на
телата.
Природата на
тези явления се
определя от
трептенето на
частиците на
телата. Това
трептене е
свързано с
наличие на
кинетична и
потенциална
енергия, която е
в основата на
енергийното
обяснение за
топлината.
Термодинамикат
а, както и
молекулната
физика, изучава
явленията
свързани с
хаотичното
топлинно
движение на
молекулите на
макроскопичнит
е тела и
системи.
Независимо че
имат един и същ
обект на
изследване –
макро системите
като изградени
от атоми и
молекули, те ги
третират от
различни гледни
точки.
Термодинамикат
а не се
интересува от
молекулния
строеж и
характера на
движение на
молекулите и
разглежда телата
като
непрекъснати
среди, които
характеризира с
макроскопични
параметри. Без
да разглежда
молекулите и
атомите, без да
третира
процесите на
микро ниво,
термодинамикат
а позволява да
се правят редица
изводи относно
тяхното
протичане.
Разглеждайки
изменението на
състоянието на
веществата от
различни гледни
точки,
термодинамикат
а и
статистичната
теория взаимно
се допълват,
образувайки, по
същество, едно
цяло.
-
Термодинамикат
а използва
феноменологиче
н подход за
описване на
топлинните
процеси в
термодинамичн
ите системи.
Същността на
този подход се
заключава в
това, че
явленията се
разглеждат без
да се държи
сметка за
пораждащите ги
причини. В
случая се
игнорира
микроскопична
та природа на
явленията и се
акцентира на
външното
проявление на
процесите.
Самото
наименование
на този подход
произхожда от
гръцката дума
‘феномена’ –
явление.
Термодинамикат
а има три
основни
направления:
обща
(физическа)
термодинамика;
химическа
термодинамика
и техническа
термодинамика.
(Термодинамика
та изучава
закономерности
те на
превръщане на
енергията при
различни
физични,
химични и
други процеси и
свойствата на
работните тела,
които участват в
тях. Тя
анализира
всички видове
енергия и
възможните им
преобразувания)
Общата
термодинамика
разглежда
основните
принципни
положения и
теоретични
изводи при
преобразуване
на енергията.
Химичната
термодинамика
е специализира
в енергийния
анализ на
процесите
свързани с
химическите
преобразувания
и процеси.
Техническата
термодинамика
разглежда
приложните
аспекти на
термодинамикат
а и по
специално
основните
процеси при
топлинните
двигатели и
машини.
(Техническата
термодинамика
изучава
закономерности
те на взаимното
превръщане на
топлинната и
механичната
енергия. Заедно
с теорията на
топлообмена тя
е теоретична
основа на
топлотехниката)
1.2. Основни
термини.
Основни
термини с които
борави
термодинамикат
а са:
термодинамична
система,
термодинамичн
и параметри,
термодинамично
състояние,
термодинамичен
процес и други.
1.2.1.
Термодинамичн
а система
Обекта, с който
се работи в
термодинамикат
а се нарича
термодинамична
система - това е
съвкупност от
материални тела
(и/или полета),
които могат да
взаимодействат
помежду си и с
други тела и
системи от
окръжаващата
ги среда. Това
определение
предполага, че
съществува
граница, която
отделя
термодинамична
та система от
околните
предмети тела и
системи
(окръжаваща
среда). Тази
граница може да
бъде реална
(например
стените на съд в
който се намира
газ) или условна
(във вид на
контролна
повърхнина).
Според
свойствата на
границата си
системите биват
отворени и
затворени.
Важно свойство
на
термодинамичн
ите системи е
съществуването
на равновесни
състояния –
състояния, при
които,
температурата,
налягането и
плътността на
газа имат една и
съща стойност
навсякъде в
обема на
системата. Ако
върху
термодинамична
система,
намираща се в
равновесно
състояние, се
упражни
външно
въздействие,
което да наруши
равновесното
състояние и след
това, това
външно
въздействие се
прекрати,
системата
самоволно
преминава в
ново равновесно
състояние.
Тенденцията
към
преминаване в
равновесно
състояние е
налице винаги и
непрекъснато,
дори по време
на действието на
външното
въздействие.
Видове
термодинамичн
и системи:
- По типа на
телата в
термодинамична
та система:
хомогенна и
хетерогенна.
Хомогенна
система има,
когато няма
рязко очертана
граница между
отделните тела в
системата.
Хетерогенната
термодинамична
система се
състои от
отделни тела с
ясно очертани
контури.
- По
възможността да
обменя енергия
с околната
среда:
изолирана,
полуизолирана и
неизолирана.
Изолирана
термодинамична
система е когато
тя не обменя
енергия с
околната среда.
Полуизолиранат
а
термодинамична
система обменя
някой от
видовете
енергия с
околната среда и
не обменя друг
вид.Неизолиран
а система има
когато може да
се обменя
всякакъв вид
енергия с
околната среда.
- По
възможността да
се обменя маса с
околната среда:
отворена и
затворена
термодинамична
система.
Отворената
термодинамична
система обменя
маса с околната
среда, а
затворената – не
обменя.
-
Термодинамичн
а система, която
не обменя
топлина с
околната среда
или с други
системи се
нарича
адиабатна.
Обвивката на
тази система е
идеална
изолация.
1.2.2.
Термодинамичн
и параметри (на
състоянието)
параметрите
обуславящи
основните
физическите
свойства на
термодинамична
та система се
наричат
термодинамичн
и параметри.
Това са
макроскопични
величини, които
характеризират
поведението на
термодинамична
та система и
взаимодействиет
о й с околната
среда.
1.2.3.
Термодинамичн
о състояние
съвкупността от
термодинамичн
ите параметри
(физическите
свойства) на
термодинамична
та система при
разглежданите
условия и
зададения
момент. Биват
равновесни и
неравновесни
термодинамични
състояния.
Равновесно е
такова състояние
при което, при
неизменни
външни условия,
параметрите на
системата
остават
постоянни във
цялата област на
системата (не се
извършва
преразпределени
е на маса или
енергия между
телата в
системата).
Неравновесно
състояние има
когато се
извършва
промяна на
параметрите на
системата при
липса на
външни
въздействия.
1.2.4.
Термодинамичен
процес – всяко
изменение на
един или
няколко
параметъра на
термодинамична
та система се
нарича
термодинамичен
процес
(преминаването
на една
термодинамична
система от едно
състояние,
наречено
начално, в друго
състояние,
наречено крайно
- процесът
включва и
всички
междинни
състояния, през
които преминава
системата). Или
всяко изменение
на състоянието
на тялото или
системата под
влияние на
енергообмена с
други тела от
системата или с
други системи
се нарича
термодинамичен
процес.
Термодинамичн
ите процеси
биват -
некръгов,
кръгов,
равновесен
(квазистатичен),
неравновесен,
обратим,
необратим.
- процес, при
който крайното
състояние се
различава от
началното се
нарича
некръгов.
- процес, при
който тялото
след редица
изменения се
връща в
началното си
състояние, тоест
началното и
крайното
състояние
съвпадат, се
нарича кръгов
или цикъл
- процес, при
който всички
междинни
състояния са
равновесни
(непрекъсната
последователнос
т от равновесни
състояния), се
нарича
равновесен. При
такъв процес
термодинамичес
ките параметри
се променят
безкрайно
бавно. Това е
идеализиран
процес.
- процес, при
който не са
изпълнени
изискванията за
равновесен
процес, се
нарича
неравновесен.
При този процес
само началното
и крайното
състояние са
равновесни.
Това са
бързопротичащи
процеси, при
които са налице
дисипативни
явления.
2. Основни
термодинамичн
и параметри
2.1. Обем.
- специфичен
обем – това е
обемът заемащ
единица маса от
термодинамична
та система:
v=V/m, [m
3
/kg]
където V е
обемът на
областта заета
от
термодинамична
та система, m
масата на
веществото
съдържащо се
нея.
- обратна на
тази величина е
плътността ?:
?=m/V, [kg/m
3
]
- освен тези
величини във
физиката се
използва и
специфично
тегло ?, което е
мярка за теглото
на единица обем
от веществото:
?=G/V, [kgf/m
3
],
където G е
теглото в
килограми сила
[kgf] или в
измерителната
единица за сила
в системата SI –
[N].
За определяне
на
съдържанието
на вещество в
термодинамична
та система се
използва още
една величина –
количество
вещество.Тя се
явява мярка за
количеството на
структурните
частици
(молекули,
атоми)
вещество.
Измерителна
единица за тази
величина е
молекулната
маса М, която
има точно
определена
стойност за
всяко вещество.
1 М (мол) е
количество
вещество което
съдържа толкова
структурни
единици.
Количеството
вещество се
измерва с
величината n,
брой молове от
даденото
вещество:
n = m/M, [mol],
(4)
където m е
масата, [kg] и М
– молекулната
маса за даденото
вещество.
Молярен обем
vmе обемът на
вещество с маса
1 М:
vm
= n/V,
[m3/mol].
2.2. Налягане.
Налягането е
физическа
величина, която
представлява
специфична
сила и е равна
на отношението
на нормалната
компонента на
силата
действаща върху
дадена
повърхнина към
площта на тази
повърхнина:
=p
F
S, [N/m
2
]
където ?F е
действащата
нормална сила,
?S - площта
върху която
действа силата.
Когато се
разглежда
налягането в
малка околност
или в точка,
горната
дефиниция се
разглежда в
граничен
преход:
=p->limvs0
F
=??SFS,
Измерителната
единица в
система SI е
[N/m
2
], за която
е въведено
специално
наименование
Pa (Паскал).
2.3.
Температура.
Температурата е
физическа
величина,
явяваща се
мярка за
нагретостта на
телата.
Измерването на
температура
става
посредством
физически
параметри,
които са
пропорционални
на
температурата.
За целта се
използва
специално
вещество или
техническо
устройство,
което се нарича
термометрично
тяло. То трябва
да отговаря на
някои важни
изисквания:
- физическото
свойство, което
се използва за
измерване на
температурата
трябва да има
регулярна
зависимост от
температурата.
-
термометричнот
о тяло трябва да
поглъща малко
количество
топлина в
процеса на
измерване, за да
не влияе на
измерването.
Съществуват
различни
температурни
скали.
За начално на
голяма част от
скалите се
приема
температурата
на превръщане
на водата от
твърдо в течно
състояние.
Типове
термометри:
- Живачни
термометри – за
измерване на
температури в
диапазона –30
о
С
до 300
о
С
(температура на
замръзване на
живака - -
38.87
о
С и
температура на
кипене:
356.7
о
С);
- Спиртни
термометри – за
ниски
температури: до
–100
о
С;
- Газови
термометри;
-
Съпротивителни
термометри
(използва се
свойството
изменение на
съпротивлениет
о на някои
материали с
изменение на
температурата).
Използват се за
измерване на
температури до
600
о
С.
- Термоелементи
– използва се
свойството да се
генерира
електродвижещо
напрежение в
двойка
материали,
което е
пропорционално
на
температурната
разлика
- Лъчисти
термометри –
използват се за
измерване на
високи
температури: от
600
о
С до 4000
о
С.
- Стопяеми
призми –
специални
образци от
сплави, които се
топят при точно
определени
температури.
Температурата
за идеални
газове може да
се представи и
посредством
апарата на
молекулно-
кинетичната
теория:
=.T k 23mw22
където к е
коефициент, а m
и w са масата и
скоростта на
частиците на
веществото
(газа).
2. Първи и
втори принцип
на термодина
миката
1.Същност на
I-вия принцип
Законът за
запазване и
превръщане на
енергията е
фундаментален
природен закон,
който
утрърждава, че
енергията не
изчезва и не
възниква
отново, а само
преминава от
една форма в
друга.
Известни са
различни
формулировки
на първия закон
на термодина
миката:
Невъзможно е
възникване или
унищожаване на
енергията;
Енергията е
еднозначна
функция на
състоянието;
Перпетуум
мобиле от първи
род е
невъзможен;
Сумата от
топлината и
работата не
зависи от пътя
на процеса.
Първият закон
на термодинами
ката установява,
че топлината
може да се
превръща в
работа, а
работата в
топлина в строго
еквивалентни
количества. Това
е тъй
нареченият
принцип на
еквивалентно
стта:
Q = L
2.Основно
уравнение
(…)
3.Работа на газа.
Работа се
извършва
тогава, когато се
променят
външните
условия, при
които е
поставено едно
тяло. Нека
разгледаме газ с
обем V . На газа
се подава
определено
количество
топлина, той се
разширява и
обемът му се
променя с dV.
При това част от
повърхнината на
газа df изтласква
околната среда
на разстояние
dS. Върху df
действа
налягането р,
равномерно
разпределено по
повърхността.
Следователно
елементарната
повърхност df
извършва работа
срещу силите на
околната среда
dL' = РdS, но Р
= рdf и от тук
dL' =
pdfdS.dfdS=d? -
обем на
елементарен
цилиндър, с
който се е
увеличил
обемът на
системата. От
тук: =dL' pd?
Нека налягането
р е равномерно
разпределено по
цялата
повърхност F:
==dL Fpd? pFd
=? pdV
Работата L,
насочена против
силите на
външното
налягане р,
свързана с
увеличаване
обема на
системата, се
нарича работа
на разширение.
Ако dV>0, то и
dL>0, тоест при
разширение
работата на
тялото е
положителна
(тялото само
извършва
работа). Ако dV
< 0, то и dL<0,
тоест при
свиване
работата на
тялото е
отрицателна
(тялото не
извършва
работа, а за
свиването му се
изразходва
работа от вън).
За 1 kg газ може
да се запише:
dl = рdv
4. Вътрешна
енергия на газа
Вътрешната
енергия на газа е
енергията на
най-малките
частици на
материята
-молекули и
атоми. В
термодинамикат
а като вътрешна
енергия се
разглежда само
кинетичната и
потенциалната
енергия на
молекулите и
атомите.
4.1. Вътрешна
кинетична
енергия -
кинетичната
енергия на
постъпателното
и въртеливо
движение на
молекулите и
кинетичната
енергия на
трептеливото
движение на
атоми и
молекули.
Кинетичната
енергия на
молекулите е
еднозначна
функция на
температурата:
= ()Uk fT
4.2. Вътрешна
потенциална
енергия. Това е
енергията на
междумолекулн
ото
взаимодействие.
Силата на
взаимодействие
между
молекулите на
един газ е
функция на
разстоянието
между тях Р =
F(г). При малки
разстояния
между
молекулите на
газа
съществуват
големи сили на
отблъскване. С
увеличаване на
разстоянието
между
молекулите
силите на
отблъскване
намаляват и
преминават в
сили на
привличане.
Вътрешната
потенциална
енергия:
=Up r1r2Prdr
5.Енталпия на
газа.
Енталпията е
сума от
вътрешната
енергия на газа
и
произведението
на налягането и
обема.
=+HUpV
За един 1kg газ:
=+hupv
Енталпията има
следните
свойства:
1.Енталпията е
еднозначна
функция на
състоянието.
=?(, )H1p v
=? ( ,)H2p T
=? (,)H3v T
2. При кръгови
процеси
изменението на
енталпията е
равно на нула:
=dU0
3. Енталпията е
адитивна
величина и
нейната
адитивност
следва от
адитивността на
вътрешната
енергия и обема.
От тук следва,
че енталпията
на една система
е сума от
енталпиите на
всички
елементи, от
които се състои
тя:
=++Hsist H1H2
…+=Hn Hi
4. Абсолютната
стойност на
енталпията,
която може да се
изчисли от
уравнение
=+HUpV
се определя с
точност до една
адитивна
константа:
=+ +H dUpVH0
2.Втори
принцип
Вторият
принцип на
термодинамикат
а се въвежда, за
да се дефинират
условията при
които се
извършва
преобразуване
на енергията,
когато в
процесите
участва
топлинна
енергия. Или с
други думи
определя
посоката, в
която протичат
термодинамичн
ите процеси,
установява
възможните
граници на
превръщане на
топлината в
работа. За
протичане на
този процес са
необходими
източник на
топлина с
температура по-
висока от
температурата
на околната
среда и
специален
термичен
двигател. Не е
възможно
цялото
количество
топлина да се
превърне в
работа, а част от
него се отдава в
околната среда.
Това прави
топлинните
процеси
необратими.
Вторият
принцип на
термодинамикат
а има различни
формулировки,
изказани от едни
от най-големите
физици на 19
век. По-
разпространенит
е от тях са:
-Формулировка
на Клаузиус:
Всички
топлинни
процеси могат
да се разделят в
два класа –
положителни и
отрицателни.
Положителните
процеси
протичат
самопроизволно
, а
отрицателните
могат да
протекат само
чрез създаване
на изкуствени
условия
(използване на
допълнителни
съоръжения).
Отнесени към
топлообменните
процеси, тази
формулировка
означава, че
топлината се
пренася от тела
с по-висока към
тела с по-ниска
температура.
-Формулировка
на Карно:
Топлината може
да се превръща
в работа, само
когато е налице
температурна
разлика. От
цялото
количество
топлина се
оползотворява
само част от нея
и тази част
зависи от
температурната
разлика.
Навсякъде,
където има
разлика в
температурите,
може да
възниква
движеща сила.
Тази
формулировка
се базира на
термодинамичн
ия анализ на
идеалния цикъл
на Карно.
-Формулировка
на Томсън:
Машина, която
отнема топлина
от един
топлинен
източник и
превръща тази
топлина в
работа, без да
настъпят други
изменения в
участващите
тела е
невъзможна. Не
може да се
осъществи
термично
действаща
машина, цялото
действие на
която да се
свежда до
производство на
механична
работа и
охлаждането на
един източник
на топлина.
Формулировка
на Планк: Не е
възможно
построяването
на периодично
действаща
машина, която
да не извършва
нищо друго,
освен да
повдига един
товар и да
охлажда един
топлинен
източник.
- Формулировка
на Оствалд: Не е
възможно
построяването
на Перпетум
мобиле от втори
ред. Перпетум
мобиле от втори
род е машина,
която
противоречи на
втория принцип
на
термодинамикат
а, докато
Перпетум
мобиле от първи
род е машина,
не изпълняваща
закона за
запазване на
енергията
(първия
принцип на
термодинамикат
а).
-Формулировка
на Болцман:
Природата се
стреми от
състояния с по-
малка
вероятност към
състояния с по-
голяма
вероятност.
2.2. Ентропия.
Като мярка за
необратимото
разсейване на
енергията
Клаузиус въвел
термина
ентропия (от гр.
"ен" – в, вътре и
"тропе" –
превръщане).
Ентропията е
функция на
състоянието на
системата, тоест
на всяко
състояние може
да се съпостави
напълно
определено
значение на
ентропията.
За обратими
(равновесни)
процеси
например
изменението й
се изразява така:
?= /SQmin T,
където Qmin е
минималната
топлина,
поддържаща
системата в
обратим
изотермичен
процес, а T е
абсолютната
температура на
процеса.
Изменението на
ентропията при
различните
процеси в
системите е:
- в
самопроизволни
процеси
?> /SQminT
- в равновесни
процеси
?= /SQmin T
- в
несамопроизвол
ни процеси
?< /SQminT
За изолираните
системи, в които
= dQ0:
- в
самопроизволни
процеси ?>S0
- в равновесни
процеси ?=S0
- в
несамопроизвол
ни процеси
?<S0
Ентропията е
мярка за
случайността
или безпорядъка
в една физична
система. Тя
изразява броя на
възможните
конфигурации
или
подреждания на
съставните
елементи на
системата, при
които нейният
общ изглед, т.е.
форма и
физични
характеристики,
не се променя.
3. Закони на
идеалните
газове
Идеален газ е
идеализирана
субстанция
(работно тяло).
Различава се от
реалните газове
по това, че се
пренебрегва
сцеплението
между
молекулите и
обема на
частиците. Това
означава, че
идеалният газ се
състои от
еластични
материални
точки, не
взаимодействащ
и помежду си и
нямащи обем.
В термодинами
ката всички
газове, имащи
свойства като
тези на система
от невзаимодей
стващи си
материални
точки, се
наричат
идеални.
Реалните газове
при ниски
налягалия са
близки до
идеалните, тъй
като при тези
условия могат
да се
пренебрегнат
силите на
междумолекуляр
но
взаимодействие
и обемът на
молекулите.
Всеки реален газ
може да се
смята за идеален
когато 0·->·p и
·?->·V.
1. Закони на
идеалните
газове.
1.1. Закон на
Боил – Мариот .
Открит е през
1654 година от
Боил и
независимо от
него от Мариот
през 1676
година. Той
гласи, че
произведението
на обема и
налягането на
термодинамична
система
(количество газ)
при подържане
на постоянна
температура
остава
постоянен:
( .)==p VTconstco
nst
За дадена маса
идеален газ, при
постоянна
температура Т,
произведението
от налягането р
и обема V е
постоянна
величина.
Казано иначе,
при постоянна
температура
налягането е
обратно
пропорционално
на обема.
1.2. Закон на Гей
– Люсак.
(Закони на Гей-
Люсак (Шарл).
Законът на Гей -
Люсак е изведен
във вида:
.( +VpVo273 15t27
.)3 15
Където V и Vo
са стойности на
обема на
идеалния газ
при зададена
температура t и
при температура
t = ?0 .
Равенството се
изпълнява при
запазване на
налягането като
постоянна
величина.
Ако
температурата
се запише в
градуси по
Келвин то
законът на Гей-
Люсак ще
изглежда по
следния начин:
=V V0T0T
или записан за
единица маса
(специфичен
обем) :
=v v0T0T
където T0 е
температурната
нула по скалата
на Целзий.
1)Налягането р
на дадена маса
газ при

Това е само предварителен преглед

За да разгледате всички страници от този документ натиснете тук.

Топлотехника и термодинамика

Техническа термодинамика, параметри на състоянието. Основни понятия. Основни термодинамични параметри. Първи и втори принцип на термодинамиката...
Изпратен от:
Йоанна Йорданова
на 2012-06-04
Добавен в:
Пищови
по Топлотехника и термодинамика
Статистика:
570 сваляния
виж още
 
Домашни по темата на материала
процеси с водна пара
добавена от iskren.iskrenov 23.11.2012
1
51
Подобни материали
 

Топлопредаване чрез топлопроводност, чрез конвекция и чрез излъчване. топлинните процеси са предмет на науката термодинамика (ТД)


Поради голямото разнообразие на явления, свързани с преобразуването на енергията от един вид в друг, термодинамиката се е развила в наука за преобразуване на енергията. Обща (физична) ТД...
 

Термодинамика


Предмет на термодинамиката. Основни понятия. Практическото откритие, че механичното движение може да се превърне в топлина, е много отдавна, ето защо можем да предположим с началото на историята на човека...
 

Термодинамика


Наименованието "Термодинамика" има гръцки произход и е съставено от две думи: "термо", означаващо "нагрят" и "динамис" – сила. Този клон от физиката възниква за да обясни явленията свързани с преобразуването на топлината в механична работа...
 

Термодинамика - предмет, подход и особености


Основни понятия в термодинамиката: система, термодинамичен контакт, видове системи, състояние на системата...
 

Конвективен топлообмен


Протокол - определяне коефицента на топлопредаване при принудителна конвекция на флуид...
 

Топлотехника и термодинамика

Материал № 865112, от 04 юни 2012
Свален: 570 пъти
Прегледан: 1,092 пъти
Предмет: Топлотехника и термодинамика
Тип: Пищов
Брой страници: 17
Брой думи: 10,328
Брой символи: 66,800

Потърси помощ за своята домашна:

Имаш домашна за "Топлотехника и термодинамика"?
Намери бързо решение, с помощтта на потребители на Pomagalo.com:

Последно видяха материала