Файл: Тепловая и механическая энергия. Энергия это количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться друг в друга..doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.03.2024
Просмотров: 16
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Тепловая и механическая энергия.
Энергия – это количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться друг в друга. Условно энергия подразделяется по видам: химическая, механическая, электрическая, тепловая, ядерная и т.д.
Техническая термодинамика изучает физические процессы преобразования тепловой энергии в механическую.
Теплота является универсальной формой энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц –молекул, атомов, электронов. Универсальность в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.п.) трансформируется в конечном счете либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту)
В качестве рабочего тела используются газы и пары, так как они при нагревании или охлаждении значительно изменяют свой объем или давление (в сравнении с жидкостями) и обладают значительным коэффициентом объемного расширения.
Рабочими телами называют вещества, используемые для превращения теплоты в работу.
Рабочее тело – вещество, посредством которого осуществляются процессы теплоэнергетических установок. В паровых машинах и турбинах рабочее тело – водяной пар. В двигателях внутреннего сгорания - это продукты сгорания жидких или газообразных топлив.
Теплота и работа это две формы передачи энергии от одного тела (системы) к другому
Передача энергии в форме тепла обусловлена энергетическим взаимодействием молекул при отсутствии видимого движения тел
Количество теплоты, полученное телом считается положительным, а отданное – отрицательным.
В отличие от тепла передача энергии в форме работы связана с видимым перемещением тела, в частности, с изменением его объема
Величину работы, совершаемой телом, считают положительной, а полученной - отрицательной (сжатие).
При сжатии рабочего тела работа производится со стороны внешней среды. При расширении газ преодолевает усилие, приложенное к штоку поршня, и совершает работу
Если взять цилиндр с поршнем и к рабочему телу в цилиндре подвести тепло, то объем увеличится и будет совершена работа на перемещение поршня и температура тела увеличится. +примеры
Пар из котла поступает в паровую турбину. Из сопел пар поступает на лопатки турбины, отдает им свою энергию и они приходят в движение, так возникает механическая энергия вращения рабочего колеса и вала турбины и электрогенератора, в котором механическая энергии превращается в электрическую.
Термодинамическая система и внешняя среда.
Выделенное для термодинамического исследования рабочее тело или группа тел называют термодинамической системой
Простым примером термодинамической системы может служить . газ расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем. Воздух снаружи цилиндра – окружающая среда.
Тела не входящие в систему называют окружающей (внешней) средой. Все что находится вне системы, называют внешней или окружающей средой. Внешняя среда - окружающая рабочее тело среда, которая воздействием внешних сил заставляет, например газ сжиматься
Параметры, характеризующие состояние тел (давление, температура, удельный объем), называют термодинамическими.
Параметры состояния определяют конкретные физические условия, в которых находится термодинамическая система (р t υ).
Обмен энергией между термодинамической системой и окружающей средой может происходить в двух формах – в форме теплоты и в форме механической работы
Теплота и работа являются важнейшими понятиями в технической термодинамике. Теплота и работа не являются самостоятельными видами энергии, они представляют собой две различные формы обмена энергией между термодинамической системой и окружающей внешней средой
Идеальный и реальный газ.
В термодинамике принято подразделять газы на реальные и идеальные.
Идеальный газ — это газ, молекулы которого не обладают силами взаимодействия, а сами молекулы представляют собой материальные точки с бесконечно малыми объемами. В природе идеальных газов не существует. В термодинамику их вводят условно для получения простых расчетных формул (теоретическая модель газа)., определяющих свойства рабочих тел. Понятие об идеальном газе облегчает термодинамические исследования и обеспечивает допустимую практическую точность результатов расчета с реальными газами
Реальные газы, наиболее часто встречающиеся в практике (кислород, азот, атмосферный воздух, водород и др.), при выполнении теплотехнических расчетов вполне допустимо считать идеальными. Это значительно упрощает решение задач. Можно считать, что идеальный газ есть предельное состояние реального газа, когда давление газа стремится к нулю, а объем - к бесконечности.
Исключение составляет водяной пар. Когда он является составной частью газовых смесей, например: в продуктах сгорания топлива или в атмосферном воздухе, его можно отождествлять с идеальным газом. Когда же водяной пар является рабочим телом в паровых двигателях, отопительных устройствах или теплоносителем в теплообменных аппаратах, его состояние близко к состоянию жидкости и к нему уже не применимы законы идеального газа.
Для идеальных газов справедлив ряд соотношений между их давлением, объемом и температурой, выражаемых законами газового состояния.
Реальные газы — это газы, молекулы которых обладают силами взаимодействия и имеют конечные, хотя и весьма малые, геометрические размеры. (стр 170) В технике широко применяют пары различных веществ: воды, аммиака, фреона и др. Получение точного уравнения состояния реального газа – проблема, которая полностью не решена до сих пор. Поэтому в большинстве случаев задача сводится к созданию полуэмпирических уравнений состояния.
Основные термодинамические параметры состояния рабочего тела:
Параметры, характеризующие состояние тел (давление, температура, удельный объем), называют термодинамическими параметрами.
Давление. Этот параметр (давление) представляет собой силу, действующую на единицу площади поверхности, направленную по нормали к ней, и обозначается р. Давление газа — средняя сила ударов молекул газа, совершающих хаотическое непрерывное перемещение, на внутреннюю поверхность стенок сосуда, в котором он заключен.
За единицу измерения давления принято такое давление, которое создается силой 1 ньтон (Н) на поверхность в 1 м2, т.е. 1 Н/м2 = 1 Па (Паскаль). Так как это давление очень мало. Для измерения больших давлений пользуются приставками кило = 10 3 1 кПа = 10 3 Па
Мега - 106 1 МПа= 10 6 Па
Для удобства использования в практических расчетах применяют 1 бар = 105Па = 0.1 МПа
В теплотехнических установках еще многие приборы отградуированы в атмосферах, 1 ат = 1 кгс/см2 = 98066.5 Н/м2 ≈ 98 кПа = 0.98 бар = 10 м вод. ст.
Часто давление измеряют высотой столба жидкости, уравновешивающего давление газа.
В термодинамике пользуются абсолютным давлением рабс.
В технике различают абсолютное давление рабс, атмосферное (барометрическое) рб и избыточное (манометрическое) рнзб,= рм, которое может быть больше или меньше атмосферного
Абсолютным давлением рабс называется полное, действительное давление рабочего тела внутри сосуда.
Давление воздуха, окружающего Землю, называется атмосферным давлением. Оно измеряется барометром и поэтому называется барометрическим. Его приближенно можно принимать равным 0.1 МПа
Давление газа в сосуде можно измерить с помощью U-образной трубки с жидкостью, открытый конец которой сообщается атмосферой. Если давление в сосуде выше атмосферного (рис. |8.1,
а), то оно будет уравновешено столбом жидкости высотой h. |Следовательно,
рабс = рб + ρgh (8.1)
где рабе — абсолютное (полное) давление газа в сосуде;
рб — атмосферное (барометрическое) давление;
g — ускорение свободного падения в данной местности;
ρ — плотность жидкости;
h — высота столба жидкости.
Произведение gρh представляет собой избыточное давление, т. е.
Рабс = Рб + Ризб ризб = ρgh
Ризб = рабс - рб- (8.2) (стр171)
Избыточным давлением называется разность между абсолютным и атмосферным давлениями.
Прибор, измеряющий избыточное давление, называется манометром, поэтому избыточное давление называют еще манометрическим.
рабс =рб - ризб -
Вакуумом или разрежением называется разность между атмосферным и абсолютным давлениями.
Вакуум (разрежение) измеряется прибором называемым вакуумметром. Разрежение бывает в газоходах котла, в вакуумных сушилках и измеряется приборами - тягомерами
Температура. Этот параметр характеризует степень нагретости тела. Он определяется средней кинетической энергией движения молекул газа, т. е. характеризует меру интенсивности движения молекул
Для измерения температуры используют две температурные шкалы: термодинамическую и международную практическую.
За нуль абсолютной температуры 0 К (термодинамической шкалы или шкалы Кельвина) принята температура (температура тройной точки -одновременно твердое, жидкое, газообразное) вещества, в котором отсутствует хаотическое тепловое движение молекул и атомов. По этой шкале (Кельвина -1848г) температура всегда положительна (Т> 0).
Нуль температуры по международной практической шкале (шкале Цельсия – 1742г) соответствует температуре плавления льда при рб = = 101,325 Па (760 мм рт. ст.); температура кипения воды — 100 0С.
Соотношение между значениями температуры, измеренной по этим шкалам, определяется выражением
Т= t + 273,15, (8.4)
Где t — температура по шкале Цельсия, 0С.
Округленно Т= t + 273
Цена деления шкалы Цельсия совпадает с ценой деления шкалы Кельвина 1 К = 1 0С, т.е . величина градуса в обеих шкалах одинакова, следовательно,
∆Т = ∆t
Согласно молекулярно-кинетической теории тепла под абсолютным нулем понимают такое предельное состояние вещества, при котором отсутствует движение молекул.
По шкале Фаренгейта применяется в США, Канаде, Австралии, Англии принята температура плавления льда и кипения воды при нормальных условиях 32 0F и 212 0F. (За нуль приняты температура плавления смеси равных частей льда и нашатыря)
t 0С = (t 0F – 32) / 1.8
t 0F = 1.8 t 0С + 32
Удельный объем. Если в объеме V, м3, занимаемом газом, содержится масса М, кг, этого газа, то его удельный объем, м3/кг,
υ = V / М (8.5)
где υ – удельный объем, м3/кг
V – полный объем, занимаемый рабочим телом, м3
М – масса рабочего тела, кг
Таким образом, удельный объем — это объем, занимаемый единицей массы вещества.
Величина, обратная удельному объему, является плотностью газа ρ, кг/м3, которая представляет собой массу газа, заключенного в единице объема (см. подразд. 1.1):
ρ = М / V (8.6)
где ρ – плотность, кг/ м3
V – полный объем, занимаемый рабочим телом, м3
М – масса рабочего тела, кг
Перемножив υ ρ = 1 Отсюда
υ = 1/ ρ
ρ = 1/ υ
Таким образом, удельный объем и плотность являются величинами взаимно обратными. По известному значению одной величины находится другая величина.
Для сравнения удельных объемов и плотностей различных газов их берут при одном и том же давлении и температуре. Эти параметры носят название нормальные физические условия, давление равно 760 мм рт. ст. или 101325 Н/м2, а температура 0 С
При нормальных физических условиях удельный объем или плотность равны. υ0 = 22.4/μ
ρ0 = μ /22.4
Из уравнения состояния газа
ρ = р /R Т
υ = R Т / р
Молекулярно- кинетическая теория газов. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.
Из курса физики известны основные законы идеального газа.
Предположим, что 1 кг газа переходит из состояния, характеризующегося параметрами р1, υ1 , Т1 в состояние с параметрами р2, υ2 , Т2.
Для идеальных газов справедлив ряд соотношений между их давлением, объемом и температурой, выражаемых законами газового состояния.
Используя эти законы Бойля-Мариотта Гей-Люссака, Шарля можно получить уравнение состояния идеального газа.
