Рабочие тела тепловых машин и термодинамические процессы

В качестве рабочего тела в тепловых машинах чаще всего используются газы и пары, т.к. они наиболее сильно реагируют на подведенную теплоту изменением объема, по сравнению с твердыми телами и жидкостями. Для тепловых машин термодинамическая система это и есть рабочее тело.

В т/д для упрощения расчетов часто используется понятие «идеальный газ».

Идеальный газ – газ, молекулы которого не имеют размеров (материальные точки), между его молекулами отсутствует силовое взаимодействие. Идеальные газы строго подчиняются законам идеальных газов. Реальные газы тем ближе соответствуют понятию идеального газа, чем выше температура и меньше давление, (т.е. чем дальше от состояния конденсации).

Пар – в отличие от газа, это неустойчивое рабочее тело, которое в ходе термодинамического процесса может менять свое агрегатное состояние.

Компонентами смеси газов называют любую химически различную (состоящую из одних молекул: химический состав постоянен, химические реакции отсутствуют) составляющую смеси. Молекулы такой составляющей химически независимы. Также компонентами смеси называются чистые вещества, составляющие смесь. Чистым веществом называется вещество, все молекулы которого одинаковы (вода, спирты, азот, аммиак и т.п.). Смеси идеальных газов также являются идеальным газам и подчиняются всем законам идеальных газов.

Термодинамический процесс – это процесс изменения состояния системы в результате ее взаимодействия с ОС.

Равновесный ТД процесс – это процесс, в ходе которого система проходит через бесконечное множество бесконечно близких равновесных состояний. Равновесный процесс обладает следующими свойствами:

1) он может быть изображен графически в плоскости 2^х координат (как правило, используются координаты p-v, T-s и i-s)

2) равновесный т/д процесс обратим – это т/д процесс, в результате осуществления которого в прямом и обратном направлении, система возвращается в исходное состояние, а ни в системе, ни в ОС не происходит никаких изменений. Все реальные процессы неравновесны и необратимы.

Круговой процесс или цикл – это процесс, в результате которого ТДС возвращается в исходное состояние. Круговые процессы являются основой при создании тепловых машин. В любой системе координат они изображаются замкнутыми кривыми.

В зависимости от особенностей преобразования энергии различают ряд термодинамических процессов: изобарный (давление постоянно); изохорный (объем постоянен); изотермический (температура постоянна); адиабатный (отсутствует теплообмен с ОС). Для идеального газа обобщающим процессом является политропный процесс (процесс при постоянной теплоемкости)

Конечный термодинамический процесс характеризуется теплоемкостью.

Теплоемкость «C» рабочего тела в некотором процессе – это количество тепла, необходимое для того, чтобы изменить температуру этого тела на 1К:

В результате осуществления термодинамического процесса происходит какое-либо преобразование рабочего тела или термодинамической системы. Например, совершается работа, происходит теплообмен, изменяется внутренняя энергия ТДС и т.п.

Работа– в общем случае это передача энергии от одного тела к другому, при которой происходит макроскопическое перемещение в некотором направлении макроскопического количества частиц – носителей энергии. Это макроскопическая форма передачи энергии. Количество энергии, переданной в этом случае, называют работой процесса «А», [Дж].

где Х – обобщенная сила данного взаимодействия;

П – термодинамический потенциал данного рода взаимодействия;

х – координата взаимодействия.

Работа объемной деформации«L»– работа, совершаемая вследствие деформации контрольной поверхности термодинамической системы.

dL=pdV

Располагаемая (полезная) работа «L₀» – это работа, которая может быть получена за счет падения давления

dL₀= – Vdp

Теплообмен – это способ передачи энергии, при котором передача энергии осуществляется за счет хаотического, ненаправленного движения микрочастиц. Это микрофизическая форма передачи энергии. Количество энергии, переданное таким образом, называют теплотой процесса «Q» (или количеством теплоты, или теплотой) [Дж].

Выводы общей термодинамики используются при анализе тепловых машин.

Тепловая машина – термодинамическая система непрерывного действия, осуществляющая круговой процесс (цикл), в результате которого подведенная теплота превращается в работу (машины – двигатели) или теплота передается от менее нагретого рабочего тела к более нагретому телу (машины – холодильники).

Основная цель термодинамики как дисциплины – научить студента принципам термодинамического анализа для возможности оценки эффективности работы тепловых машин различных схем, отличающихся друг от друга видом рабочего тела и осуществляющимися термодинамическими процессами. Таким образом, понимание общей термодинамики является абсолютно необходимой базой для изучения технической термодинамики.