Файл: Термодинамические основы теории тепловых машин учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 115
Скачиваний: 0
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
ВОЕННАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ БРОНЕТАНКОВЫХ ВОЙСК
ИМЕНИ МАРШАЛА СОВЕТСКОГО СОЮЗА МАЛИНОВСКОГО Р. Я.
Кафедра двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
Под редакцией кандидата технических наук доцента М. И. ЛЯХОВА
Утверждено
вкачестве учебного пособия начальником академии
ИЗДАНИЕ АКАДЕМИИ
МОСКВА |
1973 |
¥ i f - 9 f $1
В настоящем пособии рассматриваются основные принципы термодинамики в применении к теории поршневых и газотурбинных двигателей. В него включены необходимые сведения о газах и газо вых смесях, методах определения термохимических характеристик топлив, горючих смесей и продуктов сгорания, основные законы термодинамики и применение их к изучению процессов и циклов теп ловых машин. Рассматриваются также основные положения о зако номерностях одномерных газовых течений и применение их к процес сам в лопаточных машинах, соплах, диффузорах и т. д.
Пособие предназначено для слушателей академии при изучении ими курса «Термодинамические основы теории тепловых машин».
В написании пособия принимали участие: кандидат технических наук доцент Н. И. Взоров (главы II, VII, § 1—3 главы VIII), канди дат технических наук И. Е. Иванов (глава I), кандидат технических наук доцент А. Г. Кокин (главы IV, V ), кандидат технических наук доцент М. И. Ляхов (введение, главы III, VI, § 4 главы VIII).
Рецензирование пособия выполнено доктором физико-математи ческих наук профессором Г. Ю. Степановым.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Коммунистическая партия Советского Союза поставила перед ■советским народом исторические задачи по дальнейшему развитию народного хозяйства, построению фундамента коммунистического общества и укреплению обороноспособности нашей страны.
Исключительно важная роль в решении этих задач принадле жит энергетике и, в частности, теплотехнике, теоретической основой
которой наряду с другими дисциплинами |
является термодинамика. |
||
Первостепенная задача современной теплотехники заключается |
|||
в совершенствовании тепловых двигателей, т. |
е. в повышении их |
||
габаритно-весовых и экономических показателей. |
|||
Инженеры-танкисты должны ясно понимать не только принци |
|||
пиально возможные пути |
совершенствования |
силовых установок, |
|
а и влияние их основных |
параметров на |
боевую эффективность |
|
■объектов бронетанковой техники.
Изучение слушателями термодинамических основ теории тепло вых машин является необходимой базой для последующего освое ния ими специально-технических дисциплин.
Авторы учебного пособия стремились к краткости изложения ма териала и увязке его с другими дисциплинами и прежде всего с теорией силовых установок. Чтобы привить слушателям навыки в решении конкретных технических задач (преимущественно из обла сти бронетанковой техники), в конце отдельных глав приведены ти- -повые примеры расчета с указанием методики их выполнения.
ВВЕДЕНИЕ
Термодинамика — наука о закономерностях превращения теп ловой энергии.
Термодинамика как наука стала развиваться в начале XIX в. в связи с изучением и теоретическим обоснованием тепловых про цессов в паровых машинах.
Поскольку энергетические превращения сопутствуют любому изменению формы движения материи, то область применения мето дов термодинамических исследований весьма обширна.
В отличие от многих областей физики и химии термодинамика непосредственно не связана с представлением о строении вещества, а рассматривает различные явления с помощью специального ма тематического аппарата и опирается на три основных закона.
Первый закон термодинамики характеризует количественную сторону процессов превращения энергии и является частным слу чаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии приме нительно к тепловым процессам. На основании этого закона запа сы и потоки различных видов энергии выражают соответствующи ми эквивалентными величинами.
Второй закон термодинамики устанавливает качественную сто рону различных процессов, т. е. определяет возможность и направ ление их осуществления. В математическом выражении второго за кона термодинамики используют функцию состояния — энтропию.
Третий закон термодинамики имеет частный характер: он утвер ждает недостижимость абсолютного нуля температуры и позволяет однозначно определить величину энтропии.
Термодинамику принято разделять на общую, техническую и хи мическую.
Вобщей термодинамике излагаются основные законы термоди намики и непосредственно вытекающие из них следствия примени тельно к исследованию любых физических явлений.
Втехнической термодинамике рассматриваются процессы вза имного превращения тепловой и механической энергии в тепловых
машинах и определяются наивыгоднейшие условия для осущест вления этих процессов. Техническая термодинамика является тео-
4
ретической базой ряда специальных дисциплин: теории двигателей внутреннего сгорания, теории паровых турбин, компрессоров и хо лодильных установок.
В химической термодинамике изучаются превращения тепловой энергии, связанные с химическими реакциями и агрегатными пре вращениями.
Существенный вклад в развитие термодинамики внесли русские ученые. Среди них следует отметить прежде всего М. В. Ломоносо ва, который не только впервые правильно определил сущность теп лоты как внутреннего движения материи, но и сформулировал ряд положений, ставших базой основных законов термодинамики.
Среди ученых, внесших вклад в развитие термодинамики, вид ное место занимают представители русской школы: Д. И. Менде леев, Г. Г. Гесс, Н. Н. Шиллер, Н. Н. Пирогов, Л. К. Попов, И. А. Вышнеградский, А. Г. Столетов, а также основоположники тепло энергетических исследований — В. И. Гриневецкий, Н. И. Мерцалов, Л. К. Рамзии, Б. М. Ошурков и др.
Среди работ зарубежных ученых следует прежде всего отметить
работы |
французов Сади Карно, Клапейрона, представителей не |
мецкой |
школы — Майера, Клаузиуса, Гельмгольца, английской |
школы — Джоуля, Томсона и др.
В Советском Союзе большие теоретические и эксперименталь ные исследования в области термодинамики проводились во Все союзном теплотехническом институте имени Ф. Э. Дзержинского, Центральном котлотурбинном институте имени И. И. Ползунова, 'Энергетическом институте имени Г. М. Кржижановского АН СССР, Московском энергетическом институте и др.
В исследовании теплофизических свойств рабочих тел большая заслуга принадлежит профессорам М. П. Вукаловичу, В. А. Кирил лину, И. И. Новикову, Д. А. Тимроту и Н. Б. Варгафтику.
Успехи в развитии термодинамики и теплопередачи сыграли исключительную роль в развитии теплотехники. Так, уже в начале этого столетия появились совершенные холодильные установки, мощные двигатели внутреннего сгорания, паровые котлы и паровые турбины.
Развитие термодинамики в немалой степени способствовало раз витию ракетостроения и установок атомной энергетики.
Для исследования тепловых процессов и теплофизических свойств веществ в настоящее время разрабатываются новые мето ды термодинамических исследований.
Г л а в а I
ПАРАМЕТРЫ И УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГАЗА
§ 1. ПОНЯТИЕ ОБ ИДЕАЛЬНОМ И РЕАЛЬНОМ ГАЗАХ
Все вещества могут находиться в любом из трех различных со стояний: твердом, жидком и газообразном Г Каждому из этих со стояний соответствуют различные расстояния, а следовательно, н силы взаимодействия между молекулами.
Втвердых телах молекулы наиболее сближены и силы взаимно го притяжения удерживают молекулы в средних положениях, око ло которых они совершают колебательные движения.
Втелах, перешедших в жидкое состояние, расстояния между молекулами увеличиваются, а силы притяжения уменьшаются. Дви жение молекул становится поступательным, но ограниченным ввиду еще малых расстояний между ними.
При переходе в газообразное состояние объем вещества значи тельно увеличивается вследствие существенного увеличения рас стояний между молекулами. Силы межмолекулярного притяжения в этом случае настолько уменьшаются, что перестают оказывать решающее воздействие на движение молекул. Это движение стано вится хаотическим, что обусловлено частыми столкновениями мо лекул друг с другом и отталкиванием их по закону удара абсолют но упругих шаров.
Хаотическое движение молекул называют тепловым движением, так как оно составляет сущность тепловой энергии и характер его зависит от теплового состояния вещества.
Следствием хаотического движения громадного количества мо лекул, при котором ни одно направление не оказывается преиму щественным, являются два наиболее характерных свойства газа: газ равномерно заполняет весь предоставленный ему объем и ока-
1 Ионизированный газ, именуемый плазмой, иногда называют четвертым со стоянием вещества.
6
зывает равномерное давление на стенки сосуда, в котором он за ключен.
Частота ударов молекул о стенки сосуда настолько велика, что эти удары, сливаясь в непрерывно действующее усилие, восприни маются стенками как общее давление всего газа. О частоте этих ударов можно судить по числу молекул в единице объема и коли честву столкновений каждой из них. В одном кубическом сантимет ре воздуха (например, при температуре 273 К и давлении 101325 Н/м2) содержится 2,7 -1019 молекул, имеющих среднюю по ступательную скорость 450 м/с. Молекула воздуха диаметром 3" ІО-8 см испытывает в 1 с около 7,5- 10s столкновений с другими молекулами.
Для одного и того же газа силы притяжения между молекула ми будут уменьшаться по мере увеличения температуры и умень шения давления. Как то, так и другое вызывает увеличение объема газа, с чем связано увеличение расстояния между молекулами и ослабление сил их взаимного притяжения. Одновременно уменьша ется и относительный объем самих молекул в общем объеме, зани маемом газом.
При достаточном удалении состояния газа от состояния жидко сти силами притяжения и объемом самих молекул можно по их малости пренебречь. В этом случае газ по своим свойствам будет соответствовать газу, который называется идеальным *.
Таким образом, идеальный газ — это предельное состояние ре ального газа при р 0. Молекулы этого газа рассматриваются как материальные точки, не имеющие объема, взаимодействие ко торых ограничено соударениями.
Существующие в природе газы отличаются от идеальных и тем больше, чем выше их давление. Согласно молекулярно-кинетиче ской теории «неидеальность» газа обусловлена наличием у молекул собственного объема и существованием имеющего весьма сложный характер межмолекулярного взаимодействия.
Известные газовые законы, строго говоря, справедливы только для идеальных газов. Однако в большинстве случаев реальные газы с практически достаточной точностью можно рассматривать как идеальные.'
§ 2. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ГАЗА
Каждому состоянию газа присущи вполне определенные значе ния величин, характеризующих это состояние. Изменение значения хотя бы одной из них означает изменение состояния газа. К числу этих величин, называемых параметрами состояния газа, относятся давление р, температура Т и объем V.
1 В газовой динамике такой газ называют термодинамически совершенным в отличие от идеального, не имеющего трения.
7
Температура
Температура характеризует степень нагретости газа и служит мерой средней кинетической энергии поступательного движения его молекул.
Температура измеряется термометрами, принцип действия кото рых основан на изменении некоторых физических свойств тел от температуры. Например, в газовых и жидкостных термометрах используется явление расширения тел при их нагревании.
Каждый прибор, используемый для измерения температуры, гра дуируется в соответствии с твердо установленной температурной шкалой '.
Широкое распространение получила международная стоградус ная температурная шкала (шкала Цельсия). В этой шкале интер вал температур от точки плавления льда (0°С) до точки кипения воды (100°С) при нормальном атмосферном давлении разбит на сто частей.
В термодинамических расчетах применяется так называемая шкала абсолютных температур или шкала Кельвина. В этой шкале за единицу измерения температуры принят кельвин (К) — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. За на чало отсчета по этой шкале принят абсолютный нуль — условная температура, при которой полностью прекращается поступательное движение молекул. Абсолютный нуль находится ниже температуры плавления льда на 273° (точнее на 273,16°). Температуру, отсчиты ваемую по термодинамической шкале, называют абсолютной и обозначают Т.
Температурная шкала Кельвина и шкала Цельсия связаны со
отношением |
|
|
Т = t°C + 273. |
(1) |
|
Давление |
газа |
|
Давление определяется средней |
по времени |
силой, с которой |
молекулы газа действуют на единицу поверхности стенки сосуда, где они заключены.
В системе СИ единицей измерения давления р является ньютон на квадратный метр (Н/м2). Эту единицу принято называть паска лем (Па).
Абсолютное давление окружающего воздуха измеряется баро метрами.
Давление газов в сосудах измеряют манометрами и вакууммет рами, показывающими разность между давлением газа в сосуде и
1 В настоящее время применяются температурные шкалы Цельсия, Кельви на, Фаренгейта, Реомюра, Ренкина. В системе СИ применяется исключительно шкала Кельвина.
8