ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Техническая термодинамика из "Тепловозы Издание 2 " Термодинамика — это отрасль физики, изучающая законы преобразования энергии и процессы перехода ее из одних форм в другие. Техническая термодинамика имеет своим предметом технические приложения основных принципов термодинамики к процессам преобразования тепловой энергии в механическую работу или, наоборот, работы в тепловую энергию в так называемых тепловых машинах — двигателях, турбинах, компрессорах и т. д. Эта наука содержит теоретические основы работы тепловых машин и позволяет оценивать эффективность их рабочих процессов. [c.37] Рабочее тело и параметры его состояния. Работа тепловых машин осуществляется с использованием рабочих веществ — теплоносителей, которые называются рабочими телами. В качестве рабочих тел используются, как правило, вещества в газообразном (парообразном) состоянии. Газы и пары под воздействием внешних условий (температуры и давления) допускают значительные изменения своего объема и поэтому могут совершать при расширении или сжатии существенно большую работу, чем жидкие и твердые тела, которые практически несжимаемы. [c.37] Количество рабочего тела как количество вещества принято измерять в молях. Моль — это количество вещества, число молекул (или атомов) которого равно количеству атомов в 0,012 кг (12 г) углерода -12. В термодинамике обычно используется более крупная единица— киломоль (1 кмоль=10 м моль). Киломоль (килограмм-молекула) — это количество вещества, масса которого в килограммах численно равна его относительному молекулярному весу. С другой стороны, масса одного киломоля вещества называется молярной массой (кг/кмоль) этого вещества ц. [c.37] Молярная масса водорода 2 кг/кмоль, кислорода 32 кг/кмоль и т. д. [c.37] Если рабочее тело будет находиться в среде, имеющей постоянные давление и температуру, то по истечении достаточного времени в рабочем теле по всему его объему установятся такие же по величине давление и температура. В дальнейшем состояние рабочего тела будет неизменным, пока не изменятся параметры внешней среды. Рабочее тело в этом случае находится в термодинамическом равновесии с окружающей его средой. При неравновесном состоянии параметры рабочего тела по объему неодинаковы и нельзя говорить в целом об его давлении и температуре. [c.37] Таким образом, физическое состояние рабочего тела в термодинамическом равновесии определяется тремя термодинамическими параметрами состояния температурой, давлением и удельным объемом (или плотностью). Необходимо отметить, что такими параметрами являются не просто температура и давление, а именно абсолютные их величины. [c.37] Абсолютная температура Т служит параметром теплового состояния тела, она измеряется в кельвинах (К). Разность температур может выражаться в кельвинах или в градусах Цельсия (1К—1°С). Абсолютное давление было определено в п. 2.1 [см. формулу (2.11)]. Там же было дано и понятие удельного объема [см. формулу (2.4)]. [c.37] Зависимость типа р, v, Т) = 0, связывающая параметры состояния, называется в термодинамике уравнением состояния. [c.37] Основные законы идеальных газов. Эти законы (или, как их иногда называют в физике, газовые законы) установлены трудами ряда крупных ученых и поэтому связаны с их именами. Еще во второй половине XVH века работы англичанина Роберта Бойля (1661 г.) и независимо от него проведенные более подробные исследования Эдма Мариотта (1676 г.) во Франции выяснили одну из важных закономерностей, присущих газам. Более чем через сто лет французы Жак Шарль (1787 г.), Жозеф Луи Гей-Люссак (1802 г.) и итальянец Амедео Авогадро (1802 г.) получили ряд важных результатов, которые сложились в систему газовых законов — простых аналитических выражений, определяющих свойства и поведение идеальных газов. [c.38] Напомним их вкратце, имея в виду, что часто поведение реальных газов (при сравнительно низких давлениях и достаточно высоких температурах) может определяться этими закономерностями идеального газа. [c.38] Этот закон в отличие от предыдущих по существу является лишь гипотезой, т. е. предположением, ибо доказать его непосредственно нельзя — ведь невозможно пересчитать молекулы. Но целый ряд косвенных факторов дает этому закону убедительное подтверждение. Из закона Авогадро вытекает важное следствие объем одного и того же количества вещества любого идеального газа (например, киломоля) должен быть одинаков, т. е. Кц = (it) = onst. [c.38] При нормальных условиях (/о = 0°С и Ро = 0,1013 МПа) l/ io = M-i o = 22,4135 м /кмоль, или, приближенно, Кцо = 22,4 м /кмоль. Отсюда для любого идеального газа при нормальных физических условиях ио = 22,4/(х и ро = (х/22,4. [c.38] Эту постоянную величину для 1 кг газа называют удельной газовой постоянной и обозначают R. Размерность Л —Дж/(кг-К). Из размерности следует физический смысл этой величины — это работа, которую совершает 1 кг газа при его расширении или сжатии, вызванном изменением его температуры на один градус (1К) при постоянном давлении. Для каждого идеального газа удельная газовая постоянная имеет свое значение. [c.38] Величина д,/ = / ц называется универсальной газовой постоянной, которая имеет одно и то же значение для всех идеальных газов. По параметрам нормальных физических условий (ро = 0,1013 МПа и То = = 273,15 К) можно подсчитать значение / ,, = 8314,3 Дж/(кмоль-К). [c.39] Значения удельных газовых постоянных для любых газов можно определить, разделив универсальную постоянную на молярную массу. [c.39] Дробь а/и измеряется в единицах давления и характеризует силы взаимного притяжения молекул реального газа. Коэффициент Ь представляет собой величину удельного объема реального газа при наибольшем возможном сжатии, т. е. по существу это собственный объем молекул единицы массы реального газа. Расчеты по уравнению Ван дер Ваальса для реальных газов более точны, но и значительно более сложны. [c.39] Опыт показывает, что с достаточной для практических целей точностью для расчетов рабочих процессов достаточно нагретых реальных газов в тепловых машинах. можно пользоваться уравнением Клапейрона. [c.39] Смеси газов. Рабочие тела большинства тепловых машин не являются однородными газами, а состоят из нескольких различных газов. Даже атмосферный воздух состоит, по крайней мере, из трех составляющих азот, кислород, водяные пары. [c.39] Если смесь нескольких идеальных газов занимает один общий объем V при температуре Т, то, очевидно, что каждый из газов, составляющих смесь, занимает тот же объем и имеет ту же температуру. Давления отдельных составляющих должны в сумме быть равны давлению смеси, т. е. [c.39] Это выражение называется законом Дальтона, который установил, что давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных составляющих смеси. Парциальными давлениями р, называются давления, которые имели бы составляющие, если каждая составляющая в отдельности занимала бы весь объем смеси I/ при ее температуре Т. [c.39] Вернуться к основной статье