Эрдман С.В. Техническая термодинамика и теплотехника: Учебное пособие.

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С. В. Эрдман

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА

Учебное пособие

Издательство ТПУ

Томск 2006

УДК 66.047

Эрдман С. В.

Техническая термодинамика и теплотехника: Учебное пособие. –

Томск: Изд – во ТПУ, 2006.- 87 c.

В учебном пособии изложены основные понятия и законы термо-

динамики для идеальных и реальных газов, дан термодинамический

анализ типовых химических производств для формирования инженер-

ных знаний и умений в создании и эксплуатации энергосберегающих

химических производств

и в решении экологических проблем, рассмот-

рены теоретические основы сжигания топлива, горелочные устройства.

Пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии,

соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов

специальностей 240401 «Химическая технология органических ве-

ществ», 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и

углеродных материалов», 240801 «Машины и аппараты химических

производств» Института дистанционного образования

УДК 66.047

Рекомендовано

к печати Редакционно – издательским

советом Томского политехнического университета

Рецензенты

Н. К. Скрипникова – профессор Томского государственного

архитектурного строительного университета, доктор

технических наук;

В. А. Лотов – профессор кафедры технологии силикатов ТПУ,

доктор технических наук

Томский политехнический университет, 2006

1. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Обмен энергией происходит в любых процессах окружающего

мира. Термодинамика как наука о взаимном превращении теплоты и ра-

боты раскрывает методы изучения энергетических явлений. Условно

термодинамику можно разделить на техническую и химическую.

1.1. Предмет технической термодинамики и ее задачи

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного

превращения различных видов

энергии, состояние равновесия и зави-

симость его от различных факторов, а также возможность, направление

и предел протекания самопроизвольных процессов. Она служит теоре-

тической основой расчета и проектирования тепловых двигателей (па-

ровых и газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей, двигателей

внутреннего сгорания), а также компрессорных, сушильных и холо-

дильных установок.

Химическая

термодинамика изучает процессы, в которых обмен

энергией сопровождается изменениями химического состава тел.

При анализе конкретных явлений применяют термодинамический

метод. Он отличается от других методов следующими особенностями:

1) использованием трех законов. Первый закон термодинамики

устанавливает количественную зависимость (меру) одного вида энергии

при переходе в другой и является частным случаем всеобщего закона

сохранения

и превращения энергии. Второй закон термодинамики при-

меним лишь к явлениям, включающим тепловую форму обмена энерги-

ей, и устанавливает направление тепловых процессов. Третий закон

термодинамики, экспериментально установленный В. Нернстом (1906г.)

и сформулированный М. Планком (1912г.), объясняет поведение веще-

ства при температуре, близкой к абсолютному нулю;

2) использованием только таких физических величин,

смысл ко-

торых не связан с микроскопическим (молекулярным, атомарным и т.

п.) строением вещества. Эти величины называют макроскопическими.

Примерами таких величин могут быть температура, давление, плот-

ность вещества.

1.2. Основные понятия и определения

Объектом изучения в технической термодинамике является тер-

модинамическая система, которая представляет собой совокупность ма-

териальных тел, находящихся

в механическом и тепловом взаимодейст-

вии друг с другом и обменивающихся с окружающей средой. Тела, не

входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют

от окружающей среды контрольной поверхностью. В зависимости от

свойств границ термодинамической системы различают:

1) закрытую термодинамическую систему, – если вещество не

проходит через границы системы (аппараты периодического действия);

2) открытую термодинамическую систему – система может обме-

ниваться со средой и веществом (аппараты непрерывного действия);

3) адиабатную

термодинамическую систему – система, которая не

может обмениваться теплом с окружающей средой. Примером такой

системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты

идеальной тепловой изоляцией, нет теплообмена между заключенным в

сосуде газом и окружающими телами;

4) изолированную термодинамическую систему – границы не про-

ницаемы ни для вещества, ни для энергии.

Свойства

каждой системы характеризуются рядом величин, кото-

рые принято называть термодинамическими параметрами. Основными

среди них являются температура, давление и удельный объем.

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых

состояниях, вводится понятие «нормальные условия»:

- термодинамические или физические условия, параметры кото-

рых совпадают с тройной точкой воды: давление 760 мм. рт. ст. (или

101,325

КПа) и температурой 0

С или 273, 15 К;

- технические условия: давление 735,6 мм. рт. ст. (или 98 КПа) и

температура 15

С (или 288,15

С).

В технической термодинамике обычно используют физические

нормальные условия.

Термодинамические системы бывают равновесными и неравно-

весными.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и

одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называ-

ется равновесным. Если между различными точками в системе сущест-

вуют разности температур, давлений, то она является

неравновесной.

Опыты показывают, что изолированная система с течением времени

всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно

выйти из него не может.

Для равновесной термодинамической системы существует функ-

циональная связь между параметрами состояния, которая называется

уравнением состояния. Объем, температура, давление простейших сис-

тем, которыми являются газы, пары и жидкости, связаны термическим

уравнением состояния f(P,V,T)=0 P=f(V,T); V=f(P,T); T=f(P,V).

Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров не-

зависимыми являются два любых.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие основные вопросы рассматриваются в технической термоди-

намике?

2. Что называется термодинамической системой?

3. Что называется функцией состояния?

4. Что называется равновесным состоянием?

5. Что такое термодинамические процессы и как они протекают?

6. Дать определение гомогенной и гетерогенной системам.

7. Что называется рабочим телом?

8. Какие термодинамические величины характеризуют состояние, а ка-

кие процессы?

1.2.1. Термические параметры состояния

1. Абсолютное давление – это давление силы в 1 Н, действующей

на площадь, равную 1м

, что в системе СИ соответствует 1 Па. Абсо-

лютное давление определяется по показаниям приборов манометров и

вакууметров с учетом следующих соотношений:

абс бар ман

;P РР=+

(1.2.1)

абс бар вак

Р=+

(1.2.2)

где Р

абс

– абсолютное давление, Па;

бар

– атмосферное давление, Па;

ман

– избыточное давление, Па;

вак

– разрежение по вакууметру, Па.

Если в качестве основного прибора используется жидкостный

прибор, то применяются следующие соотношения:

ман абс бар

ρ ;P=Р - Р

(1.2.3)

вак бар абс

ρ ,P=Р - Р

(1.2.4)

где g, ρ, h – соответственно ускорение свободного падения, плотность

жидкости, заполняющей прибор, и разность уровней жидкости в прибо-

ре.

Соотношения между единицами измерения давления:

1 бар=10

Н/м

=1,01972 кг/см

=750,06 мм рт.ст.=10197 мм вод. ст.;

1 ат=1 кг/см

=735,6 мм рт.ст.=10000 мм вод.ст.=98066,5 Н/м

2. Абсолютная температура характеризует степень нагретости те-

ла и измеряется в градусах различных температурных шкал (Цельсия –

С; Фаренгейта –

F; Кельвина –

К), в которых используется свойство

жидкости изменять объем с изменением температуры.

Наиболее универсальной шкалой температур, не зависящей от ка-

ких-либо свойств термодинамического вещества, является абсолютная

термодинамическая шкала температур – шкала Кельвина, построенная

на основе второго закона термодинамики.

Соотношение между температурными шкалами:

, К C 273,15;Т t=+

(1.2.5)

, К C;Т t=Δ

(1.2.6)

о о

C 5 / 9( F 32).tt=−

(1.2.7)

3.Удельный объем – объем единицы массы вещества, величина

обратная плотности имеет место следующее выражение:

(1.2.8)

где m – масса вещества, кг;

v – объем вещества, м

Для решения задач методами термодинамики необходимо знать

уравнение состояния. Наиболее широко используемое уравнение, кото-

рое связывает три основных параметра состояния, называется уравнени-

ем Менделеева- Клайперона:

для m кг газа

;PV = mRT

(1.2.9)

для 1 кг газа РV=RT. (1.2.10)

для 1 кмоль газа PV=R

уд

T, (1.2.11)

где Р – абсолютное давление, Па;

V – объем, м

;

V – удельный объем, м

/кг;

m – масса, кг;

уд.

– универсальная газовая постоянная, отнесенная к 1 моль газа,

одинаковая для всех газов и равная в системе СИ 8314,3 Дж/кмоль

град;

R – газовая постоянная, отнесенная к 1 кг газа, определяется по

уравнению

уд

R =

Дж/кг град, (1.2.12)

где μ – молекулярный вес газа, кг/моль.

В зависимости от процесса (изобарный, изотермический, изохор-

ный, адиабатный, политропный) уравнение состояния идеального газа

принимает вид:

1. Изобарный процесс. Подвод теплоты к газу сопровождается его

расширением, отвод теплоты – сжатием (Р=соnst; Закон Гей—Люссака

(1802г.)):

const;=

ТТ

(1.2.13)

2. Изотермический процесс. Изменение внутренней энергии не

происходит, поскольку внутренняя энергия идеального газа является

функцией температуры (Т=соnst; Закон Бойля—Мариотта (1662г.)):

сonst;P

11 2 2

(1.2.14)

3. Изохорный процесс. Примером может служить нагревание или

охлаждение газа в закрытом сосуде (ν=const; Закон Шарля):

const;

;

P Р

T Т

(1.2.15)

4. Адиабатный процесс. Без внешнего теплообмена:

Рν

=const;

;

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

-1

;

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

()

-1 /

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

(1.2.16)

где k – показатель адиабаты;

;

(1.2.17)

где С

, С

– изобарная и изохорная удельные теплоемкости

5. Политропный процесс – при постоянной теплоемкости С=const:

Рν

=const;

;

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

-1

;

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

(

)

-1 /

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

(1.2.18)

где n – показатель политропы: n=0; 1; k= ±

∞

Также в расчетах используются уравнения для определения плот-

ности и удельного объема:

ρρ ;

(1.2.19)

;

(1.2.20)

ρ ;

22, 4

(1.2.21)

22,4

(1.2.22)

где Р

, Т

, ν

– параметры газов (плотность, давление, температура и

удельный объем) при нормальном физическом состоянии (давление 760

мм рт. ст. и температуре 0

С);

, Т

, ν

и Р

, Т

, ν

– давление, температура и удельный объем со-

ответственно, в начале и в конце процесса.

Атомы и молекулы реальных газов находятся в непрерывном хао-

тическом движении, между ними действуют силы притяжения или от-

талкивания, объем самих частиц имеет конечную величину.

Реальный газ отличается от идеального размерами молекул и на-

личием сил взаимодействия

между ними. Отклонения особенно прояв-

ляются при понижении температуры и повышении давления газа, что

оказывает влияние на соотношение между параметрами состояния, то-

гда можно воспользоваться уравнением Ван- дер -Ваальса:

()

;

bRT

⎛⎞

+−=

⎜⎟

⎝⎠

(1.2.23)

- учитывает силу взаимодействия между молекулами;

b – учитывает собственный объем молекулы, т. е. тот наименьший объ-

ем, до которого можно сжать газ.

Уравнение состояния газа (для 1кг газа):

где a и b – постоянные коэффициенты для данного вещества, опреде-

ляются по критическим параметрам:

а=27b

кр.

;

кр

;

=⋅

,zRTР =

(1.2.24)

z – коэффициент сжимаемости;

;

определяется по графикам: z=f(π, τ);

кр

- приведенное давление;

.кр

- приведенная температура [1].

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Напишите размерность основных параметров состояния.

2. В чем состоит различие между абсолютным и манометрическим (из-

быточным) давлением?

3. Определить высоту столба жидкости при измерении давления.

4. Какие состояния газа приняты в физике и технике за нормальные фи-

зические и технические?

Дайте определение идеального газа.

6. Напишите уравнение состояния газа и укажите, в каких единицах

измеряются величины, входящие в уравнение?

7. Что называется абсолютной температурой?

8. Какие температурные шкалы приняты в странах СНГ и других стра-

нах?

9. Какой физический смысл удельной газовой постоянной?

10. Запишите формулы, по которым можно определить значения

удель-

ного объема и плотности газа при нормальных и произвольных усло-

виях.

11. Как изменится удельный объем газа, если его температуру повысить

при постоянном давлении?

12. Изменится ли плотность газа, если его температуру повысить при

постоянном давлении?

13. Как отразится изменение давления газа при постоянном объеме на

значениях удельного объема и плотности, если температуру газа со-

хранить постоянной?

14. Какими свойствами обладают объемы молей всех газов?

15. Объясните, почему химически однородные газы, взятые в массе 1 кг,

занимают различные объемы при одинаковых условиях (давлении и

температуре).

16. Почему

химически однородные газы, взятые в 1 м

, имеют различ-

ные плотности при одинаковых условиях (температуре и давлении)?

17. Что такое универсальная газовая постоянная? Ее физический смысл.

18. Напишите уравнение состояния для различного количества газа: для

1 кг, 1 кмоля, а также т кг газа.

19. Чем отличается реальный газ от идеального?

20. Сформулируйте закон Авогадро. Для каких газов

он справедлив?

1.3. Газовые смеси

Газовые смеси задаются либо массовым составом:

;1,

∑

(1.3.1)

либо объемным составом:

;1.

x х

∑

(1.3.2)

В случае необходимости пересчет газовой смеси из объемного со-

става в массовый и обратно ведется по формулам

см

;

μμ

ii i i

⋅

∑

(1.3.3)

/ μ

∑

(1.3.4)

Молекулярный вес смеси определяется по формуле

см

μμ

⋅

∑

(1.3.5)