Курс лекций по дисциплине Общая энергетика для специальностей

Тема 1.3. Органическое топливо

1.3.1. Виды органического топлива

К основным видам органического энергетического топлива относятся бурые и каменные угли, полуантрацит и антрацит, торф, горючие сланцы, мазут, природный, доменный и другие газы.

К энергетическим топливам относятся вещества, которые целесообразно использовать для получения тепла в больших количествах. Из общего потребления топлива в нашей стране примерно 30% приходится на долю тепловых электрических станций. Около 50% топлива, сжигаемого электростанциями, составляют ископаемые твёрдые топлива, которые разделяются на следующие виды: торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы.

Все ископаемые твёрдые топлива, кроме сланцев, произошли в основном из растительности древних лесов и болот, покрывавших землю, с участием некоторого количества белковых и жировых веществ животного происхождения. В течение тысячелетий находясь под слоем воды или земли без доступа воздуха, исходное органическое вещество под воздействием окружающей среды постепенно подвергалось химическим преобразованиям. Более «активные» химические элементы и соединения вступали в реакцию с окружающей средой и частично покидали залежь, превращаясь в газообразные продукты.

Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.

Органическим топливом называются вещества, способные активно соединяться с кислородом и образовывать продукты сгорания, нагретые до высокой температуры за счет содержащейся в нем химически связанной энергии. Углерод является основным горючим элементом органического топлива. Второе место занимает водород, которого хотя сравнительно немного, но удельное тепловыделение его большое. Сера, являющаяся третьим горючим элементом, дает тепловыделение, но наносит вред котельному оборудованию и окружающей среде. В состав органического топлива входят также влага и негорючие минеральные примеси, из которых в ходе горения образуется зола и шлак.

По происхождению топлива можно разделить на естественные, добытые в природных условиях, и искусственные, полученные в. итоге переработки природного топлива. По сфере потребления топлива подразделяются тоже на две группы: энергетические — идущие для сжигания при выработке электроэнергии и теплоты и технологические — на переработку для получения необходимых промышленных продуктов.

По агрегатному состоянию все используемые в энергетике органические топлива делятся на три группы: твердые, жидкие и газообразные. К твердым топливам относятся ископаемые угли, торф и сланцы; к жидким — мазут, являющийся продуктом переработки добываемой из-под земли нефти; к газообразным — горючий газ. На газ приходится немного больше 5% теплоты, содержащейся во всех разведанных мировых запасах органических топлив, на нефть 7% и на уголь около 80% — таким образом, ископаемые угли являются основным органическим топливом.

Торф — это тёмно-бурая масса, в которой ещё встречаются остатки неразложившихся частей растений (листьев, стеблей). Торф является самым молодым из сжигаемых топлив. Электростанции сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путём срезания с поверхности пласта тонкого слоя фрезами. Его, как и уголь сжигают в пылевидном состоянии. В бурых углях уже невозможно обнаружить структуру клетчатки растений. Дальнейшее обуглероживание приводит к образованию плотного глянцевочёрного каменного угля и антрацита.

Горючие сланцы представляют собой минеральные породы, пропитанные органическими веществами животного происхождения. Они образовались на дне лагун древних морей.

Газообразные и жидкие топлива в последние 20 лет получили всё большее применение. Использование газообразных и жидких топлив по сравнению с углем не только повышает общую культуру эксплуатации электростанций, но и приводит к ощутимому снижению стоимости основного оборудования и увеличению КПД установок. Например, КПД парогенераторов возрастает на 13% по сравнению с КПД при сжигании каменных углей и на 35% ― при сжигании торфа, сланцев и влажных бурых углей.

Естественным жидким топливом является сырая нефть, но как энергетическое топливо используется чрезвычайно редко (в основном на небольших котельных). После извлечения (отгонки) лёгких фракций (светлых нефтепродуктов — бензина, лигроина, керосина, газойля) остаётся 4060% сильновязких тяжёлых фракций ― мазута, который и используется как энергетическое жидкое топливо.

Газовые топлива могут быть природными и искусственными. Природные газы имеют «нефтяное» происхождение. Как и нефть, они либо являются продуктом длительного химического преобразования органических веществ (остатков живых организмов), скопившихся в осадочных породах, либо образовались в результате синтеза в присутствии воды и карбидов металлов на больших глубинах под воздействием высокого давления и температуры. Во многих случаях выход газов сопутствует добыче нефти. Это так называемые попутные газы. Искусственные газы, сжигаемые в топках парогенераторов, ― это, как правило, побочный продукт металлургической промышленности, получаемый в большом количестве. Из искусственных чаще всего сжигаются в смеси с другими топливами газ коксовых печей и доменный газ.

1.3.2. Элементарный состав топлива

Для анализа тепловых характеристик топлив, определения состава газов, полученных в процессе горения, для других тепловых расчётов необходимо знать химическую структуру каждого вида топлива.

В состав органической части топлива входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие извне в исходную залежь, и влагу W, представляющие вместе внешний балласт топлива.

Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определённых концентрациях опасно для всего живого, в том числе и для человека, и поэтому требует принятия мер для рассеяния их в атмосферу.

Углерод — С является главной горючей составляющей топлива. Содержание углерода в различных топливах различно. Например, в древесине и торфе содержание углерода составляет 50÷60%, в каменных углях и мазуте 75÷90%. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется около 33,5 МДж теплоты. Содержание углерода в твердом топливе определяет степень обуглероживания растительных и животных остатков. Большое количество углерода увеличивает тепловую ценность топлива.

Водород — Н является второй важнейшей составляющей топлива. В различных видах топлива водорода содержится от 1 до 25%. При сгорании водорода образуется вода. При этом в зависимости от условий она может находиться в жидком или парообразном состоянии; при сжигании 1 кг водорода соответственно выделяется 142÷119,5 МДж теплоты. С увеличением степени обуглероживания твердого топлива (возраста топлива) содержание водорода уменьшается.

Кислород — О относится к балластной составляющей топлива, так как содержание его уменьшает горючую часть, вследствие чего снижается тепловая ценность топлива. Содержание кислорода в различных, топливах изменяется в пределах от 0,5 до 40%.

Азот — N также относится к внутреннему балласту топлива, содержание которого уменьшает горючую часть. Азот содержится в топливах в связанном состоянии. Содержание азота в твердом топливе составляет 0,5—3,0%. Однако в некоторых газообразных топливах (например, доменный и генераторный газы) азот содержится в большом количестве, что значительно снижает их тепловую ценность; часть его может быть превращена в аммиак. Последний является ценным сырьем для производства минеральных удобрений (сульфат аммония и другие аммонийные и азотные соли).

Сера — S в твердом топливе содержится в виде органических соединений (органическая сера S_О), сернистых соединений с железом (колчеданная сера S_К) и сернокислых соединений в виде сульфатов (сульфатная сера S_С).

Органическая и колчеданная сера при сгорании топлива окисляется, образуя SO₂ и SO₃.

Поэтому органическая и колчеданная сера называется горючей или летучей серой, т.е. S_Л=S₀+S_К,%.

При полном сгорании 1 кг горючей серы выделяется около 9,05 МДж теплоты.

Сульфатная сера при сгорании топлива переходит в состав золы, практически не участвуя в горении. Поэтому сульфатная сера называется негорючей или нелетучей серой.

Содержание серы в твердом топливе достигает 8% и более.

Сера в жидком топливе содержится в виде сернистых соединений, а также в свободном состоянии. Содержание её достигает 3,5%.

Сера в газообразном топливе находится в виде сероводорода H₂S и сернистого газа SO₂.

Сера в составе топлива является нежелательной составляющей. Это объясняется тем, что продукты сгорания серы SО₂ и SO₃ в присутствии влаги могут образовать сернистую и серную кислоты, а последние вызывают интенсивную коррозию металлов парогенераторов, двигателей внутреннего сгорания, строительных конструкций в др. Кроме того, сернистый и серный газы, выбрасываемые с продуктами сгорания топлива в атмосферу, оказывают вредное действие на здоровье людей, а также на окружающий животный и растительный мир.

Зола — А представляет собой минеральный остаток, получаемый при полном сгорании топлива. Она является результатом разложения и частичного окисления минеральных примесей топлива. К таким примесям относятся сульфаты, карбонаты, силикаты, фосфаты, хлориды, пирита и другие соединения. В состав золы входят окислы MgO, CaO, Na₂О, К₂О, SiО₂, FеO, Fе₂О₃, Аl₂О₃ и др.

Различают первичную, вторичную и третичную золу. Первичная зола образуется из минеральных примесей, входящих в состав веществ топливообразователей; вторичная зола — из минеральных примесей, попадающих в топливо в процессе топливообразования; и третичная — в момент добычи.

Влага ― W также является внешним балластом, так как она уменьшает тепловую ценность топлива. На испарение влаги тратится часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Кроме того, испарившаяся влага, являясь составной частью газообразных продуктов сгорания, снижает их температуру, что уменьшает количество теплоты, передаваемой к поверхностям нагрева. Различают внешнюю и внутреннюю влагу.

Внешняя влага в топливе является результатом попадания влаги в топливо из окружающей среды в процессе добычи топлива, его транспортирования и хранения.

Содержание внешней влаги в топливах колеблется в широких пределах и достигает в отдельных случаях нескольких десятков процентов. При сушке топлива внешняя влага может быть удалена.

Внутренняя влага связана с органическим веществом топлива и его минеральными примесями. Часть этой влаги (гигроскопическая) в коллоидально связанном состоянии равномерно распределена в массе топлива. Другая часть (гидратная влага) представляет собой влагу, входящую в состав молекул некоторых соединений, содержащихся в минеральных примесях топлива. В газообразном топливе влага находится в виде паров, максимальное содержание которых определяется температурой насыщения при данном парциальном давлении. Понижение температуры газа приводит к конденсации водяных паров из газа.

Контрольные вопросы.

1. Какое топливо называется органическим?

2. Какое топливо относится к органическому энергетическому?

3. Какие химические элементы входят в состав органической части топлива?

4. Что, кроме химических элементов, содержит топливо?

5. Какие элементы топлива являются горючими?

6. С чем связаны внешняя и внутренняя влага топлива?

1.3.3. Характеристики топлива.

Основными техническими характеристиками топлив являются: теплота сгорания, выход газообразных горючих веществ при нагреве (выход летучих веществ), зольность топлива, свойства золового остатка, влажность и сернистость топлива, выход летучих и кокса.

Теплота сгорания является наиболее важной основной технической характеристикой топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшей теплотой сгорания Q_В называют количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг твёрдого (жидкого) или 1 м³ газообразного топлива. Низшая теплота сгорания Q_Н отличается от высшей на теплоту испарения влаги топлива и влаги, образующейся при горении водорода. Чем больше влажность топлива, тем меньше будет величина Q_Н. Низшая теплота сгорания рабочей массы определяется как результат разности высшей теплоты сгорания горючих элементов топлива и теплоты, затраченной на испарение всей влаги. Размерность теплоты сгорания Q выражается в кДж/кг или кДж/м³. С увеличением возраста топлива его высшая теплота сгорания увеличивается, так как растёт доля углерода в топливе. Высшая теплота сгорания топлива является наиболее постоянной величиной, поэтому она используется для сравнения различных топлив.

Твёрдый горючий продукт, остающийся после выхода летучих, называется коксом. Масса несгоревшего остатка топлива называется золой. Свойства золы играют большую роль при сжигании топлив. Образовавшаяся после сгорания топлива зола представляет собой смесь минералов, а их сплавы, возникшие в зоне высоких температур, называются шлаками. Суммарное количество шлаков и золы принято называть зольностью топлива. Высокая зольность топлива требует установки более дорогих золоулавливающих устройств после парогенератора. Наиболее зольным топливом являются бурые угли, горючие сланцы, менее зольным ― каменный уголь, антрациты и полуантрациты.

Влажность топлива бывает внешней, капиллярной и внутренней. Внутренняя влага связана с органическим и минеральным составом топлива. Капиллярная влага находится в капиллярах и порах (трещинах) топлива. Внешняя влага образуется при добыче, транспортировке и хранении топлива на открытых складах при соприкосновении с окружающей средой, например, повышенная влажность воздуха, атмосферные осадки и т.д.

Самым влажным топливом является торф (до 50%) и бурые угли (2842%), низкую влажность имеют антрациты и полуантрациты.

К техническим характеристикам жидкого топлива — мазута относятся вязкость и температура вспышки. Вязкость мазута положена в основу его маркировки. Маловязким является топочный мазут марки 40, используемый для растопки котлоагрегата.

К сильновязким относятся топочные мазуты марок 100 и 200. С повышением температуры вязкость мазута уменьшается. Температура вспышки мазутов составляет 135240⁰С. Во избежание пожарной опасности высокий подогрев мазута требует повышенной герметизации мазутопроводов. Перед подачей мазута в топку котлоагрегата его предварительно разогревают до 100120⁰С чтобы уменьшить его вязкость и для тонкого распыливания в форсунках горелок котла.

Газовое топливо представляет собой механическую смесь горючих и негорючих газов: метан, пропан, этан, бутан ― горючие газы, и негорючие ― это азот и двуокись углерода. К основным характеристикам природного газа относятся: теплота сгорания и плотность. Искусственные газы содержат больше негорючих компонентов, так называемого балласта, к которому относятся азот и кислород.

Рис. 10 Схема элементарного состава твёрдого топлива.

1.3.4. Выход летучих и кокса, твёрдость топлива

и коэффициент размолоспособности

Выход летучих является одной из важнейших характеристик твердого топлива, от него зависят условия воспламенения и характер горения топлива.

При нагревании из каменного угля выходят летучие V^Г, включающие горючие газы и влагу, а из углерода и минеральной части образуется коксовый остаток различного вида — спекшийся, слабоспекшийся и порошкообразный. Интервал температуры в котором происходит переход угольной массы в пластическое состояние и затем в спекание, —+300-600°С.

Каменные жирные угли с большим содержанием битума при нагревании дают плотный, спекшийся, крупнопористый остаток, называемый коксом,― используемый в металлургических печах. Такие угли называются коксующимися.

С уменьшением выхода летучих веществ топливо загорается труднее, так как уменьшается количество горючих газов, таких как окись углерода СО, водород Н₂, различные углеводороды, например, метан. Выход летучих веществ используется для технической классификации углей. Наиболее молодые топлива имеют более высокий выход летучих веществ и меньше содержат углерода. И наоборот, с увеличением возраста топлива уменьшается выход летучих веществ и увеличивается содержание углерода.

Твердость и сопротивляемость измельчению твердого, топлива характеризуются коэффициентом размолоспособности k_ЛО, под которым понимают отношение удельного расхода электроэнергии на помол эталонного твердого топлива (антрацита), принимаемого за единицу, к удельному расходу энергии на помол испытуемого топлива до того же размера, что и антрацит. Очевидно, чем мягче уголь, тем больше единицы будет k_ЛО.

Определение коэффициента размолоспособности производят размолом пробы топлива в лабораторной, мельнице и получаемый при этом коэффициент размолоспособности называют лабораторным относительным и обозначают k_ЛО.

1.3.5. Свойства топлива

К свойствам твёрдого топлива относятся плотность, механическая прочность, термическая устойчивость, укрупнённость кусков и т.д.

Различают истинную, кажущуюся и объёмную плотность. Истинная плотность характеризует атомную плотность топлива, взятого в объёме плотности массы без пор. Кажущаяся плотность определяется в объёме массы топлива с включением пор. Объёмная (или насыпная) плотность определяет степень пористости топливной массы в насыпанном виде и степень заполнения объёма.

Объёмная плотность топлива зависит от влажности, размера кусков и уплотнённости.

Механическая прочность топлива определяет степень его измельчения, зависит от физической структуры угля, наличия и характера минеральных включений. При длительном хранении топлива на открытом воздухе прочность углей уменьшается и уголь измельчается. Изменение механической прочности углей определяется изменением температуры, влажности, атмосферного давления и другими факторами. Окисление и выветривание углей также уменьшают их прочность, а, следовательно, и влияют на состав топлива по крупности кусков.

Термическая устойчивость топлива ― это способность его выдерживать высокие температуры без растрескивания. Термическая устойчивость зависит от химического состава топлива, зольности, влажности, скорости нагрева кусков и других факторов.

К свойствам жидкого нефтяного топлива относятся: плотность, испаряемость, вязкость, температуры застывания, вспышки, воспламенения и самовоспламенения и т.д.

Вязкость является характеристикой текучести топлива и изменяется в зависимости от температуры (повышение температуры уменьшает вязкость). Увеличение вязкости топлива вызывает увеличение гидравлического сопротивления движению топлива по трубопроводу, ухудшает условия распыливания топлива в камере сгорания. Для использования жидких топлив с высокой вязкостью предусматривается его подогрев в хранилищах.

К основным свойствам газообразных топлив относятся: цвет, запах, плотность, токсичность, взрываемость. Содержание водяных паров в газообразном топливе незначительно. Наиболее опасными компонентами газообразных топлив являются окись углерода СО, сероводород Н₂S и другие.

В энергетике есть понятие условного топлива. Приведённую влажность и зольность топлива мы рассматривать не будем.

При сравнении работающих установок по экономичности и другим показателям удобно пользоваться относительными характеристиками топлива, такими, например, как условное топливо и приведенные влажность и зольность.

Теплота сгорания в разных книгах колеблется в широких пределах, что часто затрудняет проведение расчетов, например, при сравнении удельных расходов топлива и норм расхода на 1 кВт·ч, на единицу продукции и т.п.

Для облегчения таких задач введено понятие условного топлива с низшей теплотой сгорания 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг), что отвечает теплоценности хорошего каменного угля. Для перевода любого топлива в условное необходимо рабочую низшую теплоту сгорания разделить на 29,33 (или 7000); частное от деления называют тепловым эквивалентом топлива.

Контрольные вопросы.

1. Какие основные технические характеристики твёрдого топлива Вы знаете?

2. Что называется высшей и низшей теплотой сгорания топлива?

3. Какие основные технические характеристики жидкого (мазута) топлива Вы знаете?

Тема 1.4. Элементы теории термодинамики

1.4.1. Общие определения в технической термодинамике и теплопередаче

Историческое развитие термодинамики связано с именами выдающихся учёных, таких, как Ломоносов, который сформулировал закон сохранения энергии. Этот закон позволил получить первое начало термодинамики, создателями которого считаются Майер, Джоуль, Гельмгольц, и другие. Открытие второго начала термодинамики, указывающего направленность термодинамических процессов, связано с такими именами, как Карно, Томсон, Больцман и другими.

Термодинамика является наукой, в которой изучаются энергия и законы превращения её из одних видов в другие. Раздел этой науки, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии, называется технической термодинамикой. Техническая термодинамика ограничивается рассмотрением преимущественно тех частей общей термодинамики, которые необходимы для изучения основных принципов работы тепловых машин и теплообменных аппаратов как в идеальных, так и реальных условиях. Наиболее подробно в технической термодинамике изучается превращение тепла в механическую работу.

Теплота и работа представляют собой различные формы движения материи, причём теплота является результатом молекулярного и внутримолекулярного хаотического движения частиц материи, а работа предполагает наличие направленного движения тела, происходящего под действием внешних сил. Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью.

Тепловое движение ― это особая форма движения материи, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно, а теплота ― форма теплового движения.

В Международной системе единиц СИ единицей работы является Джоуль, а мощности ― Ватт. Ещё применяются внесистемные единицы. Соотношения между ними будут следующие:

Работа, энергия…………………….1 кгс·м=9,80665 Дж

Мощность…………………………..1 кгс·м/с=9,80665 Вт.

Основой термодинамики как науки являются два закона, полученных на основе опыта. Это первый и второй законы термодинамики. Первый устанавливает количественную меру при переходе одного вида энергии в другой и является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Второй имеет более ограниченный характер и применим к телам, которые имеют конечные размеры, но состоят из большого числа атомов и молекул. Второй закон термодинамики устанавливает направление тепловых процессов, протекающих в природе, и условия преобразования теплоты в работу.

Применяя основные законы, техническая термодинамика исследует процессы, протекающие в тепловых двигателях, и устанавливают наиболее экономичные условия их работы.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

Взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой может быть различного рода: механическим, тепловым, химическим, электрическим и т.д.

Из всех возможных видов взаимодействия между системой и окружающей средой в технической термодинамике рассматриваются механическое и тепловое. Для удобства изучения того или иного вида взаимодействия между системой средой термодинамическую систему условно представляют заключённой в воображаемую оболочку, отделяющую её от окружающей среды. Оболочку в зависимости от того, под каким углом зрения изучается такое взаимодействие, считают способной передавать или не передавать от системы к окружающей среде или, наоборот, от среды к системе механическое или тепловое воздействие. Другими словами, система может быть или не быть механически или термически изолированной.

Если термодинамическая система представляет собой газообразное тело, то при наличии одного лишь механического взаимодействия объём системы под влиянием разности давлений и среды изменяется: он либо уменьшается, либо увеличивается. При одном лишь термическом взаимодействии между системой и средой вследствие их разности температур сообщается системе из окружающей среды или происходит обратное явление.

В результате взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой состояние системы изменяется. Применительно к газу, используемому в тепловом двигателе в качестве рабочего тела, изменение состояния газа будет в общем случае проявляться в изменении его температуры, удельного объёма и давления. Эти характерные для данной системы величины называются основными термодинамическими параметрами её состояния. Таким образом, результатом взаимодействия системы с окружающей средой будет также и изменение параметров состояния системы.

Непрерывно протекающее состояния системы, происходящее в результате её механического, теплового или в общем случае тепломеханического взаимодействия с окружающей средой, называют термодинамическим процессом.

Когда вследствие взаимодействия с окружающей средой объём термодинамической системы уменьшается, то происходит процесс сжатия системы, и наоборот, при увеличении её объёма происходит процесс расширения системы. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Теплопередача является сравнительно молодой наукой. Особенно бурно она начала развиваться с 50-х годов прошлого века. Большой вклад в развитие учения о теплообмене сделаны многими российским учёными: Кирпичёвым, Михеевым и т.д. Особенно бурное развитие теплопередачи происходило в 70—80-х годах прошлого века в связи с внедрением интенсивных способов переноса теплоты в тепловой и атомной энергетике.

Рассмотрим общие понятия и термины из области теплопередачи.

Теплопередача ― это учение о процессах распространения тепла. Распространение тепла осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частей тела, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция возможна только в текучей среде. Под конвекцией тепла понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объёмов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос тепла неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение ― это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и обратно ― лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую. В природе и технике элементарные процессы распространения тепла ― теплопроводность, конвекция и тепловое излучение ― очень часто происходят совместно. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твёрдых телах.

Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Обычно при инженерных расчётах определяют конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела; этот процесс конвективного теплообмена называется конвективной теплоотдачей. Конвективная теплоотдача часто сопровождается теплоотдачей излучения.

В технике и быту часто происходят процессы теплообмена между различными жидкостями, разделёнными твёрдой стенкой. Процесс передачи тепла от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называется теплопередачей.

В качестве стенки может быть труба: внутри её протекает вода, а пар снаружи греет эту воду. Процесс теплопередачи осуществляется различными элементарными процессами теплопереноса, происходящими одновременно.

Например, парообразующие трубы котельного агрегата получают тепло от продуктов сгорания топлива тремя способами: теплопроводностью с, конвекцией и тепловым излучением. Через слой наружного загрязнения, металлическую стенку и слой накипи тепло передаётся теплопроводностью. От внутренней поверхности трубы к омывающей её жидкости тепло отдаётся конвекцией и теплопроводностью. Таким образом, в общем случае процесс теплопередачи может осуществляться всеми тремя способами переноса тепла.

Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения фазового состояния рабочих сред и тому подобное. В зависимости от этого теплообмен протекает по-особому и описывается различными уравнениями.

В природе и технике многие процессы переноса тепловой энергии сопровождается переносом вещества. Например, при испарении воды в воздух, кроме теплообмена, имеет место и перенос образовавшегося пара в паровоздушной смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путём. Совместный молекулярный и конвективный перенос массы называется конвективным массообменном. При наличии массообмена процесс теплообмена усложняется. Теплота дополнительно может переноситься вместе с массой диффундирующих веществ.

1.4.2. Основные термодинамические параметры рабочего тела

В термодинамике в качестве рабочих тел используются газы и пары, так как они имеют большой коэффициент объёмного расширения.

Молекулы всякого тела находятся в непрерывном и быстром движении, интенсивность которого определяет степень нагретости этого тела, то есть его температуру. Во всяком реальном теле между молекулами действуют в той или иной мере силы сцепления, величина которых определяется агрегатным состоянием тела. При твёрдом состоянии тела силы взаимного притяжения молекул велики, вследствие чего тело имеет определённую форму и изменение её связано с необходимостью приложить к телу достаточно большое усилие для нарушения межмолекулярных связей. В жидком состоянии межмолекулярные силы ослаблены. Поэтому тело неспособно сохранять определённую форму, а принимает форму сосуда, в котором оно находится. В газообразном состоянии молекулы находятся на столь больших расстояниях друг от друга, что межмолекулярные силы весьма малы, и поэтому газ стремится к беспредельному расширению. Величина сил межмолекулярного воздействия у газа определяется степенью удаления газ от жидкой фазы: чем больше перегрет газ, тем силы слабее. Малоперегретые газы, сравнительно недалеко отстоящие от жидкого состояния, называются парами. Молекулы газа движутся хаотически с огромными скоростями, непрерывно соударяясь, их движение одинаково возможно в любом направлении.

Беспорядочно движущиеся молекулы газа, находящегося в замкнутом сосуде, ударяются о стенки этого сосуда. Совокупность таких ударов воспринимается стенками сосуда как некоторое непрерывное действующее на них усилий. Величину такого среднего результирующего усилия, приходящегося на единицу поверхности сосуда и действующего перпендикулярно к ней, называют давлением газа.

Итак, мы уже знаем, что для превращения тепла в работу требуется определённая совокупность источников тепла и материальных тел (например, газов, паров, жидкостей), находящихся между собой в тепловом и механическом взаимодействии. Источники тепла и материальные тела образуют так называемую термодинамическую систему. Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла и рабочие тела, которые под воздействием источника тепла совершают механическую работу.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используется ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят: абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объём v или величина. Обратная удельному объёму – плотность ρ).

Напомню вам, что различают следующие виды давлений:

Атмосферное давление р_б создаётся массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменное значение, которое зависит от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий, то есть от погоды.

Избыточное давление р выражает превышение давления среды над атмосферным давлением.

Вакуумметрическое давление р_в среды характеризует давление (вакуум), которое ниже атмосферного давления. Иногда вакуумметрическое давление выражается в виде относительной величины V процентах атмосферного давления:

%.

Абсолютное давление р_а среды ― это полное давление , которое равно сумме атмосферного и избыточного давлений:

Абсолютное давление может быть больше р_а=р+р_б или меньше атмосферного на величину вакуумметрического давления р_а=р_б-р_в. В частном случае, когда избыточное давление р или вакуумметрическое давление р_в равно нулю, абсолютное давление равно атмосферному.

Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называется термодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Абсолютная температура является одним из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела. Для измерения абсолютной температуры применяется шкала Кельвина. Единица деления этой шкалы (кельвин) равна градусу шкалы Цельсия, в которой интервал температур от точки таяния льда до кипения воды при атмосферном давлении разбит на 100 равных частей (градусов). В шкале Кельвина за температуру таяния льда принята величина 273,15 К, а в шкале Цельсия принят 0⁰С. Таким образом, Т,К=t,⁰С+273,15.

Удельный объём рабочего вещества – это объём, занимаемый массой в 1 кг этого тела. Так, если G кг занимает объём V м³, то удельный объём будет равен:

, м³/кг.

Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объёму, то есть массу вещества в 1 м³ рабочего тела.

, кг/м³.

И поэтому,.

Из определения понятия основных термодинамических параметров состояния рабочего тела следует, что их значения не зависят от того, каким путём рабочее тело пришло в рассматриваемое состояние. Это свойство параметров состояния является одной из их специфических особенностей.

Состояние термодинамической системы может быть равновесным и неравновесным.

Равновесное состояние изолированной термодинамической системы характеризуется постоянством по всему объёму, занимаемому системой, и таких параметров, как давление и температура. Это есть термическое равновесие. В неизолированной системе равновесное состояние однозначно определяется внешними условиями, то есть давлением и температурой внешней среды.

В равновесных термодинамических системах отсутствуют стационарные потоки, например, теплоты или вещества. Всякая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние, которое и остаётся затем неизменным, пока система не будет выведена из него внешним воздействием.

Если в разных частях объёма, занимаемого рабочим телом, нарушается постоянство давления, то система приходит в неравновесное механическое состояние. Если нарушается постоянство температур, то система приходит в неравновесное термическое состояние. Короче говоря, все три основных параметра связаны между собой определёнными законами.

В тепловых двигателях в качестве рабочего тела применяют реально существующие газы, но для упрощения в технической термодинамике широко применяется понятие об идеальном газе.

Под идеальным газом понимают совокупность материальных вполне упругих молекул, обладающих очень малыми объёмами, находящихся в состоянии хаотического движения и лишённых сил взаимодействия. Под взаимодействием молекул нужно понимать силы взаимного притяжения и отталкивания. Отличие реального газа от идеального заключается в том, что в реальном газе в той или иной мере проявляются силы молекулярного взаимодействия, и в том, что фактически молекулы его занимают хотя и очень малые, но, тем не менее, вполне конкретные конечные по величине объёмы. Чем дальше отстоят молекулы газа друг от друга и чем меньше их линейные размеры по сравнению с расстояниями, отделяющими их друг от друга, тем меньше становятся силы взаимодействия между ними и тем меньше реальный газ будет отличаться от идеального.

Ко многим применяемым в технике газам (кислороду, водороду, азоту, воздуху, двуокиси углерода, газообразным продуктам сгорания топлива) в определённом диапазоне температур и давлений можно без существенных погрешностей применять законы, справедливые для идеальных газов. Однако за пределами этого диапазона к этим газам указанные законы не применимы. Свойства и поведение паров в технической термодинамике рассматриваются особо. Свойства пара мы будем рассматривать позднее, во втором семестре.

1.4.3. Первый закон термодинамики

В технической термодинамике рассматривают частный случай общего закона сохранения и превращения энергии, устанавливающий эквивалентность между теплотой и механической работой. Закон сохранения и превращения энергии устанавливает, что энергия не уничтожается и не создаётся вновь, а лишь переходит из одной формы в другую в различных физических, химических и других процессах. Переход энергии одного вида в другой происходит по закону эквивалентности, то есть определённому количеству энергии данного вида всегда соответствует одно и то же количество энергии другого вида. И ещё: по закону эквивалентности теплота может превращаться в механическую работу или, наоборот, работа в теплоту в строго эквивалентных количествах. Это означает, что из данного количества теплоты в случае её полного превращения в работу получается строго определённое и всегда одно и то же количество работы, точно также, как и из данного количества работы при её полном превращении в тепло получается строго определённое и всегда одно и то же количество теплоты.

Эквивалентность между работой и теплотой выражается следующим уравнением:

Q=AL или L=EQ, где:

L ― работа, перешедшая в теплоту, кгс·м;

Q ― теплота, полученная за счёт работы, ккал;

А ― коэффициент пропорциональности, который называется термическим эквивалентом работы;

Е ― механический эквивалент теплоты.

Значение механического эквивалента принимается равным: Е=427 кгс·м/ккал, а А=1/427 ккал/(кгс·м).

Однако при применении системы СИ, в которой работа и количество теплоты выражаются в одних и тех же единицах ― джоулях, эквиваленты А=Е=1, а уравнение закона сохранения энергии будет выглядеть так: Q=L.

Первый закон термодинамики имеет огромное теоретическое значение. Он находит широкое практическое применение для расчётов процессов изменения состояния рабочего тела. Этот закон устанавливает взаимосвязь между количеством сообщённого рабочему телу или отведённого от него тепла, величиной изменения его внутренней энергии и совершённой рабочим телом работы изменения объёма.

Из первого закона термодинамики следует, что полная энергия термодинамической системы в конце любого термодинамического процесса равна алгебраической сумме энергий её в начале процесса и количества энергий, подведённых к системе и отведённых от неё в ходе процесса.

Контрольные вопросы.

1. Что такое мощность? Должно быть известно из школьной программы.

2. Какой параметр не входит в число основных параметров термодинамической системы?

А. Температура. В. Удельный объём. С. Удельный вес. D. Давление.

3. Какое давление выражает превышение давления среды над атмосферным давлением.

А. Вакуумметрическое. В. Абсолютное. С. Избыточное.

4. Какая единица давления входит в систему СИ?

А. Бар. В. кг/см² С. мм рт ст. D. Н/м² (Па)

5. По какой шкале измеряется температура по Кельвину?

А. По стоградусной шкале. В. По термодинамической. С. по 180-градусной.

6. Какими способами происходит распространение тепла от одного тела к другому?

7. Что такое теплопроводность?

8. Что такое конвекция?

9. Что такое тепловое излучение?

1.4.4. Термодинамический процесс

Рассмотрим более подробно, как совершается термодинамический процесс. Всякое изменение параметров состояния рабочего тела называется термодинамическим процессом. Каждый процесс совершается при тепловом и механическом взаимодействии рабочего тела с внешней окружающей средой, состояние которой также изменяется. При бесконечно медленном изменении состояния окружающей среды термодинамический процесс будет совершаться с бесконечно малой скоростью. Поэтому давление и температура окружающей среды и также рабочего тела в каждый момент будут различаться на бесконечно малую величину.

При осуществлении такого процесса температура и давление по всей массе рабочего тела будут иметь одно и то же значение, и поэтому рабочее тело будет находиться в равновесном состоянии. В технической термодинамике рабочим телом обычно бывает газ и пары.

Термодинамический процесс, состоящий из непрерывного ряда равновесных состояний, называется равновесным.

Равенство давлений по всей массе рабочего тела характеризует его механическое равновесие, а равенство температур ― термическое равновесие. Отсюда можно сделать вывод: необходимым условием протекания равновесных процессов является существование механического и термического равновесия рабочего тела.

р

р₁ 1 Рис. 11.

b 2

р₂ v

v₁ v₂

v₁ v₂ v
Обычно в термодинамике используется графическое

изображение термодинамических процессов в

различных координатах, например, в системе

координат давления р и удельного объёма v, которое

называется р, v-диаграммой.

По оси ординат откладываются абсолютные

V₁ V₂ давления, а по оси абсцисс ― удельные объёмы газа.

При заданных значениях р (давления) и удельного

объёма v равновесное состояние изображается точкой, а равновесный процесс – кривой линией.

Изобразим на р, v—диаграмме произвольный равновесный термодинамический процесс 1—2 (рис.11).

Из диаграммы видно, что при переходе газа из начального 1 в конечное 2 состояние происходит уменьшение давления и увеличение удельного объёма газа. Этот процесс расширения газа является прямым процессом, а обратным процессом является процесс сжатия при переходе из состояния 2 в первоначальное состояние 1. При этом происходит увеличение давления и уменьшение удельного объёма газа.

Характерным свойством равновесных термодинамических процессов является их обратимость.

Это значит, что если газ при расширении проходит промежуточные равновесные состояния а и b, то при обратном процессе сжатия из состояния 2 газ пройдёт те же состояния, но в обратной последовательности b и а и возвратится в первоначальное состояние 1. Поэтому такие равновесные процессы называются обратимыми.

На основании всего изложенного можно сделать вывод: в результате протекания сначала прямого, а затем обратного равновесных процессов в термодинамической системе «рабочее тело — окружающая среда» никаких изменений не произойдёт.

Однако, равновесные обратимые процессы применимы только к идеальному газу. Все реальные процессы протекают с большей скоростью и при наличии конечной разности температур и давлений между газом и окружающей средой. Поэтому термическое и механическое равновесие газа не соблюдается, и эти процессы являются неравновесными, а, следовательно, и необратимыми.

Наличие трения является характерным признаком необратимых процессов и сопровождается потерей внешней работы.

Изучать реальные необратимые процессы весьма трудно, и поэтому техническая термодинамика изучает только теоретические обратимые процессы, так как чаще всего на практике отклонение реальных процессов от идеальных незначительно и не принимается во внимание. Если отклонения велики, то переход от идеальных процессов к реальным осуществляется путём введения поправочных коэффициентов, полученных на основании опытов.

1.4.5. Энтальпия

В технической термодинамике подводимое к телу тепло является положительным, а отводимое ― отрицательным. Изменение внутренней энергии газа является положительным при возрастании температуры газа и отрицательным при её уменьшении.

В технической термодинамике важную роль играет величина суммы внутренней энергии системы u и произведение давления системы р на величину удельного объёма системы v. Эта величина называется удельной энтальпией, или теплосодержанием h: h=u+pv. В общем виде энтальпия равна: H=U+PV и измеряется в джоулях (Дж).

Удельная энтальпия представляет собой энтальпию системы, содержащей 1 кг вещества, и измеряется в кДж/кг. Энтальпия также является функцией состояния. То есть параметром состояния. Так как энтальпия является функцией состояния, то изменение энтальпии в любом термодинамическом процессе определяется только начальным и конечным состоянием вещества и не зависит от характера процесса.

По международному соглашению за начало отсчёта энтальпии для воды и водяного пара принята так называемая тройная точка (Т=273,16 К и Р=0,0006 Па), в которой возможно одновременное существование трёх фаз: льда, жидкости и пара.

За начало отсчёта энтальпии для газов может быть принята температура Т=0 К.

В заключение этого вопроса хочется сказать следующее. Экспериментальное подтверждение закона сохранения энергии было получено в работах русских и зарубежных учёных. В 1840 году русский академик Гесс впервые после Ломоносова сформулировал закон сохранения энергии. В середине ХIХ века английский физик Джоуль опытным путём установил, что при совершении одной какой-либо работы выделяется одно и то же количество тепла. Понятно, что справедливо и обратное явление, когда за счёт затраты тепла получается всегда одно и то же количество работы.

Также Джоуль установил, что такая эквивалентность тепла и работы не зависит от способа получения тепла, вида работы, температуры тела и тому подобное. Эквивалентность тепла и работы является опытным подтверждением всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который в применении к понятиям термодинамики носит название первого закона термодинамики.

1.4.6. Основные термодинамические процессы в газах

Основными термодинамическими процессами, которые имеют большое значение в технике, являются такие:

1. Изохорный, при котором остаётся постоянным объём газа (v=const).

2. Изобарный, при котором остаётся постоянным давление газа (р=const).

3. Изотермический, при котором остаётся постоянной температура газа (T=const).

4. Адиабатный или изоэнтропный, при котором отсутствует теплообмен газа с окружающей средой и при этом остаётся постоянной энтропия).

Кроме того, техническая термодинамика изучает такой процесс, при котором изменение состояния газа характеризуется изменением всех основных параметров газа (давлением, температурой, удельным объёмом), и при этом теплота либо подводится к газу, либо отводится от него. Такие процессы называются политропными. Все основные процессы технической термодинамики (изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный) являются частными случаями политропного процесса.

1.4.7. Политропный процесс

Политропными называются процессы, происходящие при постоянной теплоёмкости и вызываемые подводом тепла к рабочему телу или отводу тепла от него. Политропный процесс подчиняется уравнению: , где показатель n может иметь любое значение от - до +, а в зависимости от значения n будет изменяться и характер протекания процессов. Для каждого политропного процесса показатель n ― величина постоянная.

р р n=1 n=k n=

n= 0> n >-1

n=0

n=0 (с=с_р)

n= n=0 (c=)

n=k n=

v v

n=0 (c=) 0> n >-

(c=c_v) n=k (c=0) n=

v v

Политропный процесс расширения. Политропный процесс сжатия.

Рис. 12.

к= ― показатель адиабаты.

Так как изохорный, изобарный, изотермический и адиабатные процессы являются частным случаем политропного процесса, то докажем это. Уравнение политропного процесса имеет вид: .

При n=0 получаем р=const, так как v⁰=1, а это – уравнение изобарного процесса.

При n=1 получаем рv=const, а это уравнение изотермического процесса.

При n=k получаем рv^k=сonst, а это – уравнение адиабатного процесса.

При n=уравнение политропы превращается в уравнение v=const, а это уравнение изохорного процесса.

1.4.8. Изохорный процесс

Изохорным процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме, и выражен уравнением v=const.

р

1 р_1, v₁, Т₁

2 р₂, v₂, T₂ v

Рис. 13

1 р₁, v₁, T₁

v
Изохора представляет собой прямую, параллельную оси ординат (рис. 13).

Устройством, удобным для иллюстрации изохорного процесса, может

служить сосуд, в котором нагреваемый или охлаждаемый газ

находится под неподвижно укреплённым поршнем. Газ нагревают или

охлаждают, температура газа уменьшается или увеличивается, а объём

остаётся постоянным (на р, v-диаграмме v₁=v₂), то есть работа

расширения равна нулю. А поэтому согласно первому закону

термодинамики в изохорном процессе всё подведённое тепло

расходуется на изменение внутренней энергии газа.

Работа в р,v-диаграмме изображается площадью под кривой 1-2, которая в данном случае является прямой, поэтому работа равна нулю.

1.4.9. Изобарный процесс

Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарным. Этот процесс можно представить как процесс расширения или сжатия 1 кг газа в цилиндре, закрытом поршнем, на который давит груз, создающий постоянное давление (рис.14а). В этом случае подвод тепла q_р приведёт не только к росту температуры газа от Т₁ к Т₂, но и к перемещению поршня, то есть к совершению работы расширения.

Изобарный процесс выражается уравнением: р=const.

На р, v-диаграмме этот процесс изображается прямой линией 1-2,

Р=const параллельной оси абсцисс (рис.14б).

Рис. 14а Работа расширения на р, v-диаграмме изображается

заштрихованной площадью под линией 1—2.

р Разность энтальпий газа в состояниях 1 и 2 (в р,v-диаграмме)

l_Р

соответствует тому количеству тепла, которое нужно подвести к

газу или отвести от него для того, чтобы его температура в ходе

v изобарного процесса изменилась (повысилась или понизилась) от

p,v₁,T₁ p,v₂,T₂ Т₁ до Т₂.

Рис. 14б

1.4.10. Изотермический процесс

П
р Рис.15.

р₁ 1 Т
р₂ 2 Т
v₁ v₂ v
роцесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим. Уравнение этого процесса имеет вид: T=const.

Линия 1—2 ― это изотермический процесс в р,v-диаграмме.

Согласно закону Бойля—Мариотта рv=const ― уравнение изотермы.

В р, v-диаграмме изотермический процесс изображается гиперболой,

то есть линией, которая симметрично располагается относительно

l
координатных осей.

В изотермическом процессе вся теплота, сообщаемая газу

расходуется полностью на работу расширения.

В р, v-диаграмме при изотермическом процессе работа ― это площадь под гиперболой.

Итак, основные положения пройденного материала.

Изобарный процесс ― это термодинамический процесс, проходящий при постоянном давлении в системе.

Изохорный процесс ―это термодинамический процесс, проходящий при постоянном объёме системы.

Изотермический процесс ― это термодинамический процесс, проходящий при постоянном температуре системы.

Политропный процесс ― это термодинамический процесс, проходящий при постоянной теплоёмкости газа.

Теплота ― это часть изменения полной энергии системы в термодинамической системе, обусловленная разностью температур с другими системами и наличием трения.

Работа ― это часть изменения полной энергии системы в термодинамичесом процессе, обусловленная действием её против внешних сил.

Теплоёмкостью называется количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы нагреть его на 1⁰С или 1 К.

Контрольные вопросы.

1. Что является характерным признаком необратимых процессов и сопровождается потерей внешней работы?

А. Окружающая среда. В. Трение. С. Теплота. D. Работа.

2. Какой процесс называется политропным?

А. При постоянном объёме. В. При постоянном давлении.

С. При постоянной температуре. D. При постоянной теплоёмкости.

3. Что такое K=С_Р/С_V?

А. Показатель политропы. В. Показатель изотермы.

C. Показатель адиабаты. D. Показатель изобары.

4. Что такое ?

А. Показатель политропы. В. Показатель изотермы.

C. Показатель адиабаты. D. Показатель изохоры.

5
р

v
. Какой процесс изображён в р, v-диаграмме?

А. Изохорный. В. Изобарный.

С. Изотермический. D. Политропный.

6. Закончите фразу: для каждого политропного процесса показатель политропы n ― величина………….

А. Величина переменная. В. Величина бесконечная.

С. Величина постоянная. D. Величина бесконечно малая.

1
Р Рис.15а

р₁ 1 Т₁ q=0

р₂ 2 Т₂
v₁ v₂ v
.4.11. Адиабатный процесс

А
l
диабатным называется процесс, который осуществляется без теплообмена между газом и окружающей средой. Или ещё одно определение: адиабатный, или изоэнторпный ― это процесс изменения состояния рабочего тела без подвода и отвода теплоты.

В р,v-диаграмме адиабатный процесс 1—2. Внешнее

тепло в адиабатном процессе не участвует, то есть q=0.

Такой процесс соответствует случаю, когда сосуд, вмещающий в себя газ, изолирован в тепловом отношении от окружающей среды.

В адиабатном процессе работа расширения совершается только за счёт внутренней энергии газа и при сжатии, происходящем за счёт действия внешних сил, вся совершаемая ими работа идёт на увеличение внутренней энергии газа. На р, v-диаграмме внутренняя работа газа ― это площадь фигуры 1-v₁-v₂-2.

Уравнение кривой адиабатного процесса имеет вид: рv^k=сonst. В этом выражении k называется показателем адиабаты, или коэффициентом Пуассона.

На р,v-диаграмме при расширении газа направление процесса от точки 1 к точке 2 и величина внутренней работы газа ℓ положительна. И, наоборот, при сжатии газа (от точки 2 к точке 1) величина внутренней работы газа ℓ отрицательна.

Адиабатному расширению газа, когда его внутренняя энергия уменьшается, соответствует понижению его температуры, и наоборот, адиабатному сжатию газа, когда его внутренняя энергия увеличивается, соответствует повышение его температуры.

Проведённое выше рассмотрение политропного и основных термодинамических процессов позволяет сделать следующие выводы:

1. Основные термодинамические процессы ― изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный ― являются частными случаями политропных процессов, охватывающих совокупность процессов, определяемых уравнением рvⁿ=const, с различными значениями показателя степени (политропы) n: от - до +.

2. В политропном процессе в общем случае подводимое к газу тепло расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение внешней работы.

3. В изотермическом процессе всё подводимое к газу тепло расходуется на совершение работы увеличения его объёма, а внутренняя энергия газа остаётся при этом неизменной. При изотермическом сжатии всё тепло, в которое превращается работа внешних сил при неизменной внутренней энергии газа, отводится от него.

4. В изохорном процессе всё подводимое к рабочему телу тепло расходуется на увеличение внутренней энергии рабочего тела.

5. В изобарном процессе только часть подводимого тепла расходуется на изменение внутренней энергии, а остальная часть его расходуется на работу расширения рабочего тела.

1.4.12. Круговые процессы или циклы

Круговые процессы или циклы ― это процессы, в которых рабочее тело, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное состояние. При непрерывной работе машины цикл постоянно повторяется.

Р Рис.16.

1 а

b

2

V₁ V₂ V
Как мы уже знаем, величины работы и количества тепла в

каком-либо произвольном политропном термодинамическом

ℓ
процессе зависят от характера процесса (показателя политропы).

Знак работы (положительный или отрицательный) зависит от

направления процесса (сжатия или расширения).

Если между точками 1 и 2 рабочее тело осуществляет

последовательно ряд процессов расширения на пути 1-а-2,

а затем также последовательно ― ряд процессов сжатия на пути

2-b-1, то в итоге рабочее тело совершит круговой процесс, или термодинамический цикл. Этот цикл описывает изменение термодинамических параметров рабочего тела и преобразование тепла в работу в тепловых машинах.

Суммарная работа цикла будет измеряться заштрихованной площадью 1-а-2-b и эта площадь выражает полезную работу.

Циклы бывают прямые и обратные. Прямые циклы осуществляются в тепловых машинах, в которых теплота переходит в работу, а обратные ― в холодильных установках, где работа переходит в теплоту. Если процессы, входящие в цикл, являются равновесными и обратимыми, то и цикл является обратимым. Если какой-либо процесс, входящий в цикл, неравновесный, то и весь цикл будет неравновесным и, следовательно, необратимым.

Полезная работа цикла равна разности количеств тепла, подведённого и отведённого при совершении цикла. В круговых процессах начальное и конечное состояния рабочего тела совпадают, поэтому изменение его внутренней энергии равно нулю.

Степень термодинамического совершенства прямого цикла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно использованного в цикле тепла q_пол ко всему подведённому в нём тепла.

Обозначим через q₁ всё подведённое в цикле тепло, а через q₂ ― всё отведённое, то, согласно второму закону термодинамики, которое мы изучим в следующем разделе, q_пол=q₁-q₂ и, следовательно, термический КПД цикла можно выразить следующим образом:

Из этого выражения следует:

1. В рассматриваемом цикле всегда η_t<1, так как по второму закону термодинамики q₂ всегда больше нуля.(q₂>0).

2. В данном интервале температур цикл тем эффективнее, чем меньше величина , то есть чем больше в цикле подводится и меньше отводится тепла или, иначе говоря, чем больше подводимое тепло используется на совершение работы.

1.4.13. Второй закон термодинамики

Вспомним, что первым законом термодинамики устанавливаются:

1. Эквивалентность взаимных превращений тепла и работы и, следовательно, количественные отношения между теплом и работой при этих превращениях.

2. Постоянство энергии изолированной термодинамической системы.

3. Взаимная связь между теплом, внутренней энергии системы и работой изменения объёма, совершаемой ею или совершаемой над ней окружающей средой.

Этих закономерностей недостаточно для того, чтобы на их основе можно было решать целый ряд практических вопросов, таких как установление факторов, определяющих условия возникновения термодинамических процессов, направления и границы их развития, условия превращения тепловой энергии в механическую.

Хаотическое движение молекул, являющееся своеобразной особенностью внутренней энергии идеального газа, отличает энергию этого вида движений от энергий направленного движений.

В отличие от неорганизованного характера внутренней энергии идеального газа, каждая молекула которого движется в своём направлении и со своей скоростью, при энергии направленного характера движение молекул или электронов происходит в определённом направлении. Энергия направленного характера свойственна механической, электрической и другим видам энергии.

Например, энергией направленного характера являются: механическое вращение вала турбины или насоса, движение рабочей среды по трубе, движение электрического тока по проводам (проводнику) и т.д.

Характерная особенность тепловой энергии идеального газа, то есть ненаправленного движения, проявляется и в том, что она в отличие от энергии направленного движения не может полностью превращаться в энергию другого вида.

Наблюдения за явлениями природы показывают, что:

1. Возникновение и развитие самопроизвольно протекающих в ней естественных процессов, работа которых может быть использована для нужд человека, возможно лишь при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

2. Самопроизвольно протекающие процессы всегда характеризуются односторонним их протеканием от более высокого потенциала к более низкому (например, от более высокой температуры к более низкой, или от более высокого давления к более низкому).

3. При протекании самопроизвольных процессов термодинамическая система стремится к тому, чтобы прийти в равновесие с окружающей средой, например, равенством давления и температуры системы и окружающей среды. Как вы поняли, что самопроизвольное протекание процессов в природе происходит без участия человека.

Односторонность протекания термодинамических процессов и то, что тепловая энергия направленного движения проявляется в хаотическом движении молекул, находят отражение в особенностях взаимного превращения тепла и работы. Если работа может быть превращена в тепловую энергию полностью, то при обратном превращении в работу возможно превратить лишь часть тепловой энергии, теряя безвозвратно всю другую её часть.

Многие тысячелетия потребовалось человечеству, с тех пор как были установлены способы превращения механической энергии в тепловую, чтобы решить обратную задачу: превращение тепла в работу и создать непрерывно работающий тепловой двигатель. Лишь в ХVIII веке появились паровые машины, назначение которых состоит в превращении тепла в работу.

Из наблюдений за явлениями природы следует также, что для того чтобы заставить процесс протекать в направлении, обратном направлению протекания самопроизвольного процесса, необходимо затратить взятую из внешней среды энергию.

При соответствующей затрате энергии, получаемой из внешней среды, можно сжимать рабочее тело, способное самопроизвольно лишь расширяться, при этом можно также осуществить перенос тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Формулировки второго закона термодинамики, данные различными учёными, вылились в форму постулатов, полученных в результате развития положений, высказанных французским учёным Сади Карно.

Постулат ― это утверждение, принимаемое за истинное, хотя и недоказуемое, поэтому аксиоматичное.

В частности, постулат немецкого учёного Клазиуса состоит в том, что тепло не может переходить от холодного тела к тёплому без компенсации. Сущность постулата английского учёного Томпсона заключается в том, что невозможно осуществить цикл теплового двигателя без переноса некоторого количества тепла с более высокой температурой к источнику с более низкой температурой.

Эту формулировку надо понимать так, что для того чтобы работала периодически действующая машина, необходимо, чтобы были минимум два источника тепла различной температуры.

При этом в работу может быть превращена лишь часть тепла, забираемого из высокотемпературного источника, в то время как другая часть тепла должна быть передана низкотемпературному источнику. Высокотемпературный источник иногда называют теплоотдатчиком, а низкотемпературный ― холодильником.

Таким образом, второй закон термодинамики показал на основании наблюдений за рабочими машинами, какие условия должны выполняться для превращения теплоты в работу:

1. Должно быть два источника тепла: горячий и холодный.

2. Тепло переходит от тел более нагретых к менее нагретым телам.

3. В круговом процессе подводимая теплота не может быть полностью превращена в работу.

4 Самопроизвольное протекание естественных процессов возникает и развивается при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

5. Ход самопроизвольно протекающих процессов происходит в направлении, приводящим к установлению равновесия термодинамической системы с окружающей средой, и по достижении этого равновесия, процессы прекращаются.

6. Процесс может протекать в направлении, обратном самопроизвольному процессу, если энергия для этого заимствуется из внешней среды.

Наглядно суть второго закона термодинамики можно представить, если рассмотреть работу простейшей паротурбинной установки.

И

Рис.17.
з этой схемы (рис.17) следует, что конденсационная паровая турбина может непрерывно работать при условии превращения пара в жидкость (конденсат). Это связано с тем, что часть тепла рабочего тела должна быть безвозвратно поглощена в конденсаторе. Аналогично этой схеме паротурбинной установки можно во всякой другой теплосиловой установке всегда установить наличие двух разнотемпературных источников тепла.

1.4.14. Цикл Карно

При исследовании свойств обратимых процессов особое значение имеет цикл, который был исследован в 1824 году французским учёным Карно.

Этот простейший цикл состоит из двух изотерм и двух адиабат. Цикл Карно состоит в преобразовании тепла в работу при наличии только двух источников тепла: горячего с температурой Т₁ и холодильника с температурой Т₂, температура которого меньше температуры Т₁. В изотерме 1—2 Т₁=const, в изотерме 3—4 Т₂= const.

p 1 q₁

T1

2

4

T2 3

v

Рис.18
так, в прямом цикле Карно рабочее тело расширяется сначала при Т₁=const с подводом тепла q₁ на участке 1—2, затем в адиабатном процессе 2—3 до точки 3, охлаждаясь до температуры Т₂, после чего сжимается сначала при Т₂= const до точки 4 с отводом тепла q₂, а затем по адиабате 4—1 до восстановления первоначальных параметров в точке 1.

При адиабатном сжатии (4—1) происходит увеличение внутренней энергии газа и температура его повышается от Т₂ до Т₁. Таким образом, в цикле Карно работа адиабатных процессов расширения и сжатия равна по абсолютной величине и обратна по знаку, поэтому на результирующую работу цикла не оказывают влияния. Это значит, что работа газа за цикл будет равна разности работ, которую он совершает при изотермическом расширении и сжатии.

Это ― прямой цикл Карно. Обратный цикл Карно состоит из тех же процессов, что

и прямой, но изменение состояния газа происходит в направлении против часовой стрелки. Сначала происходит адиабатное расширение 1—4 и температура рабочего тела понижается от температуры Т₁ до Т₂. При последующем расширении газа по изотерме 4—3 газ получает теплоту от холодильника в количестве q₂ при постоянной температуре Т₂. Затем газ сжимается по адиабате 3—2 и по изотерме 2—1 газ возвращается в исходное состояние. При адиабатном сжатии температура газа повышается от температуры Т₂ до Т₁, а при изотермическом сжатии газ отдаёт горячему источнику теплоту в количестве q₁ при постоянной температуре Т₁.

На осуществление обратного цикла Карно затрачивается внешняя работа цикла l_ц, которая на р,v-диаграмме изображается площадью 1—2—3—4.

Термический КПД прямого цикла Карно, как и любого другого цикла, равен:

или через температуры, которое является окончательным КПД цикла Карно: .

Последняя формула КПД позволяет сделать следующие выводы:

1. Термический КПД цикла Карно зависит только от температуры горячего источника Т₁ и температуры холодильника Т₂.

2. Чем выше температура горячего источника и чем ниже температура холодильника, тем выше термический КПД цикла Карно.

3. Так как температура холодильника Т₂ всегда положительна, то термический КПД цикла Карно всегда меньше единицы. Это значит, что теплоту q₁, подводимую в цикле к рабочему телу, невозможно полностью превратить в работу, часть её в количестве q₂ отдаётся холодильнику.

4. Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, так как в формулу КПД входят только температуры, а не такие параметры, которые характеризуют свойства рабочего тела (газовая постоянная, показатель адиабаты и другие).

5. Цикл Карно ― это термодинамический цикл, который нельзя осуществить в действительной установке, так как невозможно подвести тепло при постоянной температуре (Т=const).

Для обратного цикла Карно критерием эффективности служит холодильный коэффициент: , где q₂ ― тепло, подведённое к рабочему телу от холодильника.

Общим для прямого и обратного циклов Карно является то, что в соответствии со вторым законом термодинамики они могут быть осуществлены только при наличии разности температур между горячим источником и холодильником, то есть до тех пор, пока рассматриваемая термодинамическая система не придёт в состояние термического равновесия.

Итак, основные положения пройденного материала.

Адиабатный процесс совершается в физической системе, не получающей теплоту извне и не отдающей её, то есть отсутствует теплообмен рабочего тела с внешней средой.

Цикл Карно ― это обратимый круговой процесс, в котором совершается наиболее полное превращение теплоты в работу или работы в теплоту.

Круговые процессы или циклы ― это процессы, в которых рабочее тело, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное состояние

Степень термодинамического совершенства прямого цикла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно использованного в цикле тепла q_пол ко всему подведённому в нём количеству тепла.

Для обратного цикла Карно критерием эффективности служит холодильный коэффициент.

Контрольные вопросы.

1. Как оценивается степень совершенства прямого цикла Карно?

А. Температурой. В. Энтальпией. С. Коэффициентом полезного действия.

2. Что соответствует адиабатному расширению газа, когда его внутренняя энергия уменьшается?

А. Понижение температуры. В. Повышение температуры. С. Постоянство температуры.

1.4.15. Энтропия как параметр термодинамической системы.

В 1850 году немецкий учёный Клаузиус впервые предложил для установления связи между количеством тепла и температурой особую функцию, названную энтропией, которая в отличие от теплоёмкости обладает свойствами параметра состояния:

кДж/(кг·К).

При рассмотрении термодинамических процессов в качестве параметров состояния рабочего тела использовались его температура, давление, удельный объём, внутренняя энергия и энтальпия. Однако с их помощью нельзя графически изображать количества тепла, участвующее в том или ином процессе, как это делалось применительно к работе, изображавшейся в р, v-диаграмме. В связи с этим в термодинамике пользуются ещё одним параметром состояния рабочего тела ― энтропией.

Эта величина обладает особыми свойствами и является мерой необратимости процессов, а также мерой снижения работоспособности изолированной системы.

Термический КПД обратимого цикла Карно равен: , откуда:

или и

Однако нам известно, что подводимая теплота q₁ ― величина положительная, а отводимая q₂ ― величина отрицательная. Тогда: .

Отношение теплоты к абсолютной температуре, при которой она подводится к телу или от него отводится, называется приведённой теплотой. Поэтому для обратимого цикла Карно алгебраическая сумма приведённых теплот равна нулю. Это будет справедливо для любого обратимого процесса.

Одним из особых свойств энтропии является то, что изменение энтропии системы, которая состоит из горячего источника, рабочего тела и холодильника, в результате прохождения обратимого цикла равно нулю. Энтропия изолированной системы остаётся постоянной.

Таким образом, чтобы вычислить изменение энтропии в каком-либо процессе, нужно из значения энтропии в конечном состоянии вычесть значение энтропии в начальном состоянии вещества. Введение нового параметра состояния ― энтропии позволяет упростить многие расчёты, ввести Т, s-диаграмму, которая является весьма удобной для анализа процессов и циклов.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Когда в изолированной системе протекают обратимые процессы, то общее изменение её энтропии равно нулю.

2. Когда в изолированной системе протекают наряду с обратимыми и необратимые процессы, то общее изменение энтропии её больше нуля.

Неправильно распространив эти положения на всю Вселенную, Клаузиус пришёл к выводу о том, что в результате постоянно происходящих в природе необратимых термодинамических процессов, сопровождающихся непрерывным возрастанием энтропии, должна наступить «тепловая смерть», которая выразится в прекращении протекания всех процессов. Это утверждение Клаузиуса было опровергнуто другими учёными, которые показали, что во Вселенной происходили до сих пор и продолжают происходить процессы возрождения и концентрации энергии. Примером может служить образования в нашей астральной системе новых звёзд.

1.4.16. Регенеративный цикл

В технической термодинамике широко применяется при исследовании процессов Т,s-диаграмма, на которой по оси ординат откладываются значения абсолютных температур, а по оси абсцисс ― значения энтропии.

На прошлом занятии мы определили, что наиболее экономичным циклом, который совершается в заданном интервале температур, является цикл Карно. Можно показать, что эффективность любого обратимого цикла может быть равной эффективности цикла Карно при условии, что хотя бы один процесс расширения и один процесс сжатия являются изотермическими. Что же касается других процессов расширения и сжатия, то они могут быть любыми другими политропными процессами, удовлетворяющими условию: у этих политропных процессов одинаковые температуры Т и отношение изменения энтропии ds к температуре Т ().

Такие кривые, удовлетворяющие этим условиям (одинаковости Т и ) называются эквидистантными.

Рассмотрим пример такого обратимого цикла (рис.19), где процессы 1—а и 2—b представляют собой соответственно изотермы Т₁=const и Т₂=const, а политропные процессы а—2 (расширение) и b—1 (сжатие) ― эквидистантны.

Вследствие этого тепло, отведённое в процессе расширения а—2 и изображаемое площадью s₂―2―a―s_a, равно теплу, подведённому в эквидистантном процессе сжатия b―1 (площадь s_b―b―1―s₁).

Для возможности обратимого выполнения процесса а―2 требуется непрерывный ряд источников тепла с температурами от Т₁ до Т₂,воспринимающих отводимое тепло и такой же ряд источников вдоль процесса b―1, отдающих тепло. Такие вспомогательные источники тепла называются регенераторами.

Так как процессы а―2 и а―1 эквидистантны, то в любых соответствующих точках политропных процессов температура рабочего тела будут одинаковы, то есть для любых соответственных элементарных процессов расширения и сжатия отводимое тепло будет равно подводимому. Более того, если обеспечить непосредственный тепловой контакт рабочего тела в процессах а―2 и b―1, то можно вообще обойтись без вспомогательных источников тепла ― регенераторов. Такую передачу тепла внутри одного и того же цикла называют регенерацией тепла, а циклы с использованием части тепла, отводимого на одних участках, для подогрева рабочего тела на других эквидистантных им участках того же цикла называются регенеративными циклами или же обобщёнными циклами Карно.

Т

1 а

Т₁

Т_i

Т₂

b 2

S_b S₁ S₂ S_а S
Пар сконденсировался в конденсаторе и превратился в

конденсат (воду), затем он последовательно проходит

ряд подогревателей низкого и высокого давлений и

поступает в котёл. Перед котлом вода, которая

называется питательной, подогревается до 210÷270⁰С.

Чем она подогревается? А тем же рабочим телом ―

паром из отборов турбины, который пройдя оставшиеся

ступени, превращается в конденсат. То есть одно и то же

рабочее тело ― пар (газообразное рабочее тело) греет

самого себя в жидком состоянии, тем самым

восстанавливая некоторую часть тепла, то есть

происходит регенерация тепла рабочего тела.

Рис.19. Из этого примера работы паротурбинной установки

следует, что конденсационная паровая турбина может непрерывно работать при условии превращения пара в жидкость (конденсат). Это связано с тем, что часть тепла рабочего тела должна быть безвозвратно поглощена в конденсаторе. Аналогично этому в любой другой теплосиловой установке можно всегда установить наличие двух разнотемпературных источников тепла.

Всё это относится к обратимым термодинамическим процессам. Но, как известно, все реальные процессы необратимы. Если осуществить какой-либо цикл в условиях внутренней необратимости отдельных процессов, например, с трением, то результатом необратимости будет уменьшение полезной работы. Так, в частности, если в цикле Карно использовать необратимость процессов, то эти процессы уже не будут адиабатными (изоэнтропными), а это значит, что внутренняя необратимость процесса вызывает дополнительный прирост энтропии.

1.4.17. Термодинамические процессы водяного пара

При расчётах связанных с термодинамическими процессами, совершаемыми парами, ставятся задачи по определению начальных и конечных параметров пара, изменения его внутренней энергии и энтальпии, количества подведённой или отведённой теплоты и работы изменения объёма и изменения давления.

Термодинамические процессы газов рассчитываются аналитическим методом, при котором все искомые величины ― параметры газа, работа и количество теплоты ― определяются по формулам. Такой метод для расчётов с парами неудобен, и вот почему. В термодинамическом процессе пар может переходить из одного состояния в другое, например, из влажного насыщенного в перегретый или из перегретого во влажный насыщенный пар. А так как процессы влажного насыщенного и перегретого паров имеют свои особенности, то, прежде чем рассчитать их, следует выяснить, в каком состоянии находится пар в начале и в конце процесса.

Расчёты с парами производятся либо графически с использованием диаграмм pv, Ts и hs, в особенности hs-диаграммы, либо аналитически по формулам с применением таблиц параметров сухого насыщенного и перегретого паров. Графический метод удобен тем, что по диаграммам легко установить, пересекает ли линия данного процесса пограничную кривую, то есть изменяется ли состояние пара. Однако не всегда возможно и не всегда удобно пользоваться графическим методом, например, при вычислении работы или внутренней энергии. В связи с этим при решении задач на изменение состояния паров применяется графоаналитический метод с использованием как расчётных уравнений, так и диаграмм и таблиц.

В термодинамике паров рассматривают четыре основных процесса: изохорный (при v=const), изобарный (р=const), изотермический (t=const) и адиабатный (dq=0). Каждый из этих процессов может протекать полностью в области влажного или перегретого пара, то есть без изменения агрегатного состояния. Но процесс может протекать и так, что, например, в начальном состоянии пар будет влажный, а в конечном состоянии ― перегретый или наоборот.

При расчёте влажного насыщенного пара должны быть заданы два начальных параметра пара и один конечный или один начальный и два конечных. Такими параметрами обычно бывают давления (начальное и конечное) и степень сухости, а для расчётов с перегретыми парами ― давление (начальное и конечное) и температура пара.

Порядок графоаналитического исследования термодинамических паров может быть следующий:

1. По заданным параметрам состояния находят на h,s-диаграмме точки, характеризующие начальное и конечное состояние пара (например, давлении р, температура t и степень сухости х), по которым устанавливаются остальные искомые параметры пара в начале и в конце процесса (например, удельный объём v, энтальпия h и энтропия s).

2. Удельную теплоту q_1,2, подведённую к рабочему телу или отведённую от него находят по формулам:

а) для изобарного процесса ― q_1,2=h₂-h₁,

б) для адиабатного процесса ― q_1,2=0,

в) для изотермического процесса ― q_1,2=Т(s₂-s₁),

г) для изохорного процесса ― q_1,2=u₂-u₁.

3. Удельную внутреннюю энергию u₁ и u₂ независимо от вида процесса вычисляют по формуле: u=h-pv.

4. При решении задач по h,s-диаграмме состояние рабочего тела определяют как точку пересечения любых двух линий и находят необходимые параметры пара.

1.4.18. Водяной пар

К реальным газам в технической термодинамике принято относить перегретые пары некоторых жидкостей. В отличие от воображаемого идеального газа реальный газ пи соответствующих условиях может быть сжижен, то есть сконденсирован, или же переведён в твёрдое состояние. В технике широко применяют пары различных веществ: воды, аммиака, хлористого метила, сернистого ангидрида и другие. Наибольшее применение имеет водяной пар, являющийся рабочим телом паровых турбин, которые являются основными тепловыми двигателями на тепловых электрических станциях, и как теплоноситель — в теплообменных аппаратах.

Водяной пар применяется в различных состояниях в весьма широком диапазоне давлений и температур и часто переходит в жидкое состояние (в конденсат). В этих условиях нельзя пренебрегать в расчётах силами сцепления и объёмом молекул, так как это привело бы к значительным погрешностям. Поэтому к водяному пару нельзя применять законы идеальных газов и соответственно, нельзя применять к нему характеристическое уравнение идеального газа рv=RT. В этих состояниях водяной пар рассматривают как реальный газ.

При различных расчётах и изучении процессов, протекающих в водяном паре, используются таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Разделение вещества на газ и пар условно, так как между ними не существует какой-либо границы. Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость. Пар можно получать двумя способами: при испарении и при кипении. В процессе испарения молекулы жидкости у её поверхности, имеющие большую скорость, чем другие молекулы, преодолевают силы молекулярного сцепления и вылетают в окружающее пространство. Чем выше температура жидкости, тем более интенсивно происходит испарение. При кипении пар образуется во всей массе жидкости и, имея меньшую плотность, чем жидкость, устремляется вверх, соединяясь при этом с другими частицами пара и образуя, таким образом, клубки. Такие клубки, достигая поверхности жидкости, преодолевают силы поверхностного натяжения и вылетают в окружающее пространство. Процесс кипения может происходить лишь при вполне определённой для данного давления температуре жидкости, которая называется температурой кипения или насыщения и обозначается либо t_s или t_н. В практических условиях пар обычно получают при постоянном давлении. Для всех жидкостей температура кипения t_н повышается с увеличением давления.

Пар, образующийся из кипящей жидкости, называется насыщенным. Это значит, что в закрытом сосуде число молекул пара, поступающих в пространство над кипящей жидкостью, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость.

Смесь пара и жидкости (двухфазовая система) называется влажным насыщенным паром.

Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением р и степенью сухости х или температурой кипения t_н и степенью сухости х. Степенью сухости называется массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре. Для сухого пара х=1, для кипящей жидкости х=0.

Массовая доля жидкости, содержащейся во влажном паре, называется степенью влажности и обозначается 1-х.

Если при постоянном давлении к кипящей жидкости подвести необходимое количество теплоты для испарения всей жидкости, то в момент исчезновения последних капель жидкости (воды) получим сухой насыщенный пар при температуре кипения (насыщения) t_н. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или температурой насыщения t_н. Все параметры сухого насыщенного пара обозначаются соответствующими буквами с двумя штрихами, например, удельный объём v^//, энтальпии h^// и т.д.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то он становится перегретым. Перегрев является третьей стадией процесса парообразования, сопровождающейся повышением температуры пара и увеличением его удельного объёма.

Таким образом, перегретым называется пар, имеющий температуру выше температуры кипения жидкости, из которой он получился. Разность между температурой перегретого пара и температурой его насыщения, называется степенью перегрева: t-t_н. Чем выше при данном давлении температура перегретого пара, тем больше степень перегрева и его удельный объём v. Отнятие теплоты от перегретого пара при постоянном давлении связано с уменьшением его температуры. Если она не понижается до температуры кипения, то пар остаётся перегретым. Это свойство перегретого пара позволяет доставлять его потребителям в перегретом состоянии. Более высокая работоспособность перегретого водяного пара по сравнению с насыщенным является основной причиной его широкого использования в паровых турбинах.

Фазовый переход вещества из жидкого состояния в состояние пара называется парообразованием, а из парового состояния в жидкое ― конденсацией.

Парообразование, происходящее только на свободной поверхности жидкости, называется испарением, а парообразование, происходящее не только на поверхности жидкости, но и внутри, во всей её толще, ― кипением.

Состояние сухого насыщенного пара крайне неустойчиво, так как даже при самом

незначительном подводе или отводе теплоты он превращается либо в перегретый, либо во влажный насыщенный пар. В присутствии жидкости пар может быть только влажным насыщенным. При подводе к нему теплоты без присутствия жидкости он подсушивается и, только после того как степень сухости становится равной единице, начинается его перегрев.

Итак, основные положения пройденного материала.

Термический КПД ― это отношение полезно использованной в цикле теплоты или полученной работы ко всему количеству теплоты, затраченной на цикл.

Цикл Карно ― это обратимый круговой процесс, в котором совершается наиболее полное превращение теплоты в работу или работы в теплоту.

Энтальпия ― это пятый параметр состояния, характеризующий потенциальную энергию связи данного рабочего тела с внешней средой и введён для сокращения теплотехнических расчётов.

Р,v-диаграмма ― это система координат, в которой состояние газа изображается точкой, процесс изменения какой-либо линией.

Работа в р,v-диаграмме изображается площадью, ограниченной сверху линией процесса, ординатами крайних точек и осью абсцисс.

Контрольные вопросы.

1. Что такое энтропия?

А. Внутренняя работа цикла Карно. В. Параметр состояния рабочего тела.

С. Характеристика необратимого термодинамического процесса.

2. Из каких процессов состоит цикл Карно?

А. Из двух изохор и двух изотерм. В. Из двух изотерм и двух адиабат.

С. Из двух изобар и двух адиабат. D. Из двух изобар и двух изохор.

1.4.19. Процесс парообразования и его изображение в р,v-диаграмме.

пар называется парообразованием, этот процесс может происходить путём испарения и кипения.

В процессе образования из холодной воды при 0⁰С перегретого пара выделяются три важнейшие стадии:

1. Подогрев холодной воды до температуры кипения t_н.

2. Парообразование.

3. Перегрев пара.
олучение пара в парогенераторах на тепловых электростанциях происходит при постоянном давлении, независимо от назначения котлов. Мы уже знаем, что процесс перехода жидкости в

р

I II К III

р₂ а₃ b₃ с₃ d₃

обл. перегретого пара

р₁ обл. а₂ b₂ обл. с₂ d₂

жидкости насыщенного d₁

р а₁ b₁ пара c₁ х=1

х=0

0 V₀ V^/ V^// V

Рис.20

0 v₀ v^/ v^//

рения и

Рис. 20.

Рассмотрим процесс парообразования в р,v-диаграмме.

Трём важнейшим стадиям парообразования соответствуют четыре состояния рабочего тела:

1. Холодная вода при температуре 0⁰С ― точки ɑ₁, ɑ₂, ɑ₃.

Рассмотрим процесс парообразования в р,v-диаграмме.

Трём важнейшим стадиям парообразования соответствуют четыре состояния рабочего тела:

1. Холодная вода при температуре 0⁰С ― точки ɑ₁, ɑ₂, ɑ₃.

2. Кипящая вода при температуре кипения (насыщения) t_н ― начало парообразования – точки b₁, b₂, b₃.

3. Сухой насыщенный пар (конец парообразования) ― точки с₁, с₂, с₃.

4. Перегретый пар ― d₁, d₂, d₃.

Характерная кривая I ― это линия, определяющая состояние воды при 0⁰С и различных давлениях.

Характерная линия II ― это линия, определяющая состояние кипящей жидкости при температуре насыщения t_н и соответствующем давлении. Эта линия называется нижней пограничной кривой, где степень сухости равна нулю (х=0).

Характерная кривая III ― это линия, определяющая состояние сухого насыщенного пара при различных давлениях. Эта линия называется верхней пограничной кривой, где степень сухости равна единице (х=1).

Между линиями I и II находится область жидкости (воды), между линиями II и III (пограничными кривыми) находится область влажного насыщенного пара, линия III соответствует точкам сухого насыщенного пара при соответствующих давлениях. Вправо от линии III лежит область перегретого пара.

Нижняя и верхняя пограничные кривые сливаются в точке К, которая называется критической. Критическая точка К определяет критическое состояние воды и водяного пара. Все параметры этой точки называются критическими.

Все параметры жидкости принято обозначать соответствующей буквой с одним штрихом: удельный объём v^/, энтальпия h^/, энтропия s^/ и т.д. Все параметры пара принято обозначать соответствующей буквой с двумя штрихами: удельный объём v^//, энтальпия h^//, энтропия s^// и т.д.

Насыщенный ― это такой пар, который находится в термическом и динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Динамическое равновесие заключается в том, что количество молекул, вылетающих из воды в паровое пространство, равно количеству молекул, конденсирующихся на её поверхности. При увеличении температуры количество молекул, обладающих энергией, достаточной для вылета в паровое пространство, увеличивается. Равновесие восстанавливается за счёт возрастания давления.

Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или температурой насыщения t_н. Состояние влажного насыщенного пара определяется двумя параметрами: давлением и степенью сухости. Состояние перегретого пара также определяется двумя параметрами: давлением и температурой.

Количество тепла, необходимое для превращения воды, нагретой до насыщения при данном давлении в сухой насыщенный пар, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается буквой r.

1.4.20. Основные параметры воды и водяного пара

Сначала рассмотрим параметры для воды. Удельный объём воды при 0⁰С и любом давлении равен =0,001 м³/кг, следовательно, плотность воды в этих состояниях будет равен кг/м³. Для всех остальных параметров состояние воды при 0⁰С и при не очень высоких давлениях внутренняя энергия, энтропия и энтальпия равны нулю, то есть .

Буквы, обозначающие параметры жидкости, имеют индекс штрих (^/), а нижний индекс указывает, что температура воды 0⁰С. Значения параметров воды при других температурах определяют по таблицам Ривкина. В таблицах термодинамических свойств воды у Ривкина имеются три таблицы: таблицы I и II относятся к насыщенному пару. Разница между этими двумя таблицами состоит в том, они построены по разным независимым переменным: таблица I построена по параметру температура, а таблица II ― по параметру давление.

Во втором вертикальном столбце таблицы I стоят значения давления насыщения, то есть того давления, при котором вода при данной температуре начинает превращаться в пар.

Например, для воды при 60⁰С процесс парообразования начнётся, если давление воды будет 0,02 МПа. Для воды при температуре 125⁰С процесс парообразования начнётся, если давление будет 0,232 МПа.

Во втором столбце таблицы II указаны значения температуры кипения (насыщения), то есть температуры при которой начинается кипение, если вода находится при соответствующем ей давлении, значение которого находится в первом столбце.

Температура сухого насыщенного пара однозначно определяется его давлением и наоборот. Значения параметров такого пара обозначаются двумя штрихами. Буквой r обозначается скрытая теплота парообразования, или теплота фазового перехода, то есть количество тепла, необходимое для превращения воды, нагретой до температуры насыщения при данном давлении, в сухой насыщенный пар.

Когда к жидкости, находящейся в состоянии кипения, подводится при постоянном давлении количество тепла, равное скрытой теплоте парообразования, это не вызывает увеличения температуры. Подведённое количество тепла в этом случае идёт на преодоление сил сцепления между молекулами и на работу расширения.

Обозначим r=d+w, где d называется внутренней теплотой парообразования. Это то количество тепла, которое идёт на преодоление сил сцепления между молекулами жидкости; w ― это работа, производимая при увеличении объёма во время перехода из состояния жидкости в состояние сухого насыщенного пара, и называется внешней теплотой парообразования.

Значение внутренней энергии сухого насыщенного пара можно получить из уравнения u+pv=h. Тогда u^//=h^//-pv^//. Здесь все величины, стоящие в правой части уравнения известны и могут быть взяты из таблиц Ривкина.

Мы уже знаем, что влажный насыщенный пар представляет собой смесь кипящей воды и сухого насыщенного пара. Объём v 1 кг влажного пара состоит из объёма х кг сухого пара и (1-х) кг воды, где х – массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре; (1-х) ― массовая доля воды во влажном паре. Так как удельный объём сухого пара v^/^/, а удельный объём кипящей воды v^/, то удельный объём влажного пара составит: v=v^//x+v^/(1-x). Величина v^/(1-x) часто оказывается очень малой по сравнению с v^//x, поэтому для влажного пара приближённо, но достаточно точно для большинства технически важных расчётов можно принять: v=v^//x.

Из сказанного видно, что удельный объём влажного пара меньше удельного объёма сухого пара. Внутренняя энергия влажного пара находится по уравнению:

u=h-pv, где все величины относятся к тому состоянию влажного пара, для которого определяется внутренняя энергия u.

Перегретый пар по своим свойствам соответствует идеальному газу в том смысле, что его состояние определяется, если заданы два параметра: давление и температура и сильно отличается от свойств насыщенного пара. Чем выше температура перегретого пара и чем ниже его давление, тем меньше отклоняется перегретый пар от свойств идеального газа. При высоких давлениях и при температурах, близких к состоянию насыщения, перегретый пар будет значительно отклоняться от свойств идеального газа.

Однако удельный объём перегретого пара при заданных давлении и температуры не может быть найден по уравнению идеального газа. Для водяного пара было предложено большое число характеристических уравнений (то есть уравнений состояния). При этом чем точнее какое-либо из них описывает определённые экспериментально свойства водяного пара, тем оно более сложно и менее удобно для расчётов. Поэтому для вычисления удельного объёма и других параметров перегретого пара удобнее всего пользоваться таблицами, составленными по экспериментальным данным с использованием уравнения состояния, например, таблицами по Ривкину.

Количество теплоты, которое подводится к 1 кг сухого насыщенного пара при превращении его в перегретый, называется теплотой перегрева и обозначается q_пе. Эту теплоту можно найти их уравнения: q_пе=с_pm(t-t_н), где:

t ― температура перегретого пара;

с_pm ― средняя массовая изобарная теплоёмкость перегретого пара.

Теплоёмкость перегретого пара с_pm зависит от давления и температуры.

1.4.21. h,s-диаграмма водяного пара

Кроме табличного метода расчётов тепловых процессов, на практике широко применяется графический метод с использованием h,s-диаграммы.

Эта диаграмма впервые была предложена в 1904 году немецким физиком Молье. В настоящее время в системе СИ пользуются диаграммой Вукаловича и Ривкина. Строится диаграмма по данным таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Практически h,s-диаграмма вся не изображается. Часть её, соответствующую очень влажному пару, опускают, что даёт возможность выполнить рабочую часть диаграммы в более крупном масштабе. А это повышает точность определения параметров пара и, следовательно, расчёта всех процессов при помощи этой диаграммы.

Повторю основные положения пройденного материала.

Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость.

Скрытая теплота парообразования, или теплота фазового перехода ― это количество тепла, необходимое для превращения воды, нагретой до температуры насыщения при данном давлении, в сухой насыщенный пар.

Теплотой перегрева называется количество теплоты, которое подводится к 1 кг сухого насыщенного пара при превращении его в перегретый.

Контрольные вопросы.

1. Какая температура называется температурой насыщения?

А. Температура, при которой происходит перегрев пара.

В. Температура, при которой жидкость перестаёт испаряться.

С. Температура, при которой происходит кипение жидкости при постоянном давлении.

2. Какую величину следует вычислять по формуле, а не по h,s-диаграмме?

А. Внутреннюю энергию пара. С. Температуру пара.

В. Давление пара. D. Энтальпию пара.

3. Что обозначает на h,s-диаграмме буква х?

А. Энтальпию пара. С. Удельный объём пара.

В. Энтропию пара. D. Степень сухости пара.

4. В какой области р,v-диаграммы находится область насыщенного пара?

A. В области I. В. В области II. С. В области III.

<< предыдущая страница следующая страница >>