Техническая термодинамика

1.1. Основные понятия технической термодинамики (для потока с малыми скоростями.

Рассмотрим структуру основных понятий термодинамики неподвижного потока (рис.1) и далее изучим их содержание.

Авиационный двигатель – тепловая машина

Внешняя среда

Термодинамическая система

Рабочее тело

Параметры состояния рабочего тела

Давление

Температура

Удельный объём

Энергия рабочего тела

Внутренняя энергия

Работа

Теплота

Энтальпия

Теплоемкость сv

Газовая постоянная R

Теплоёмкость сх

Теплоёмкость ср

Термодинамические процессы в тепловой машине

Политропный

Изобарный

Изотермный

Изохорный

Адиабатный

Термодинамические циклы тепловых машин

Карно

Отто

Дизеля

Брайтона

Тринклера

С регенерацией тепла

Параметры и показатели цикла тепловой машины

Степень повышения давления рабочего тела в цикле

Степень подогрева рабочего тела в цикле

Количество теплоты, подводимой к рабочему телу в цикле

Количество теплоты, отводимой от рабочего тела в цикле

Работа цикла (полезно использованное тепло)

Термический КПД цикла

Рис.1. Структура основных понятий термодинамики тепловых машин

1. 1. Термодинамическая система, внешняя среда, рабочее тело.

Термодинамической системой называют совокупность материальных тел, взаимодействующих как между собой, так и с окружающей средой: все другие материальные тела, находящиеся за пределами границ рассматриваемой термодинамической системы, принято называть внешней средой.

Термодинамическая система может бытьзакрытой(замкнутой), например, газ, находящийся под поршнем в цилиндре двигателя, или открытой,например, поток газа, проходящий через газотурбинный двигатель.

Если система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют изолированной или замкнутой системой.

Система, окруженная так называемой адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой, называется теплоизолированной, или адиабат­ной, системой. Примером теплоизолированной системы является рабочее тело, на­ходящееся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной тепловой изоляцией, ис­ключающей теплообмен между рабочим телом и окружающей средой.

Система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства, называется физически однородной.

Однородная термодинамическая система (как по составу, так и по физическо­му строению), внутри которой нет поверхностей раздела, называется гомогенной (например, лед, вода, газы).

Система, состоящая из нескольких макроскопических частей с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела, называется гетерогенной (например, лед и вода, вода и пар и др.).

Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми по­верхностями раздела, называются фазами, В зависимости от числа фаз гетерогенные системы называются двухфазными и трехфазными (газообразное, жидкое и твердое состояние). Компонентом термодинамической системы называют всякую химиче­ски однородную систему.

Рабочим теломназывают вещество, содержащееся в термодинамической системе и взаимодействующее с внешней средой в термодинамических процессах.

Рабочим телом авиационных двигателей (газотурбинных или поршневых) являетсяатмосферный воздух, который представляет собой смесь различных газов. Воздух легко сжимается и требует при этом значительно меньших затрат энергии, а также легко расширяется.

Термодинамическая системапредставляет собой совокупность материальных точек, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами (внешней средой). Рабочее телопредставляет собой простейшую термодинамическую систему, которая отделена от внешней среды контрольной поверхностью (оболочкой).

В качестве рабочего тела в авиационных двигателях используется воздух атмосферы Земли,представляющий собой смесь различных газов (в составе сухого воздуха содержится азота 78,084 %, кислорода 20,9476 %, аргона 0,934 %, углекислого газа 0,0314 % и др.) и отличающийся сравнительно небольшими затратами энергии при сжатии и отдающий внешней среде ту же энергию при расширении.

1.2. Параметры состояния рабочего тела.

Параметрами состояния рабочего теланазывают свойства вещества. Свойства вещества могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивными называют свойства, не зависящие от количества вещества в термодинамической системе (давление, температура и др.).

Свойства, зависящие от количества вещества, называют экстенсивными, например объём вещества, масса и др. Экстенсивные свойства, отнесенные к массе вещества, приобретают смысл интенсивных свойств, например, удельный объём, плотность вещества – величина, обратная удельному объёму.

Интенсивные свойства, определяющие состояние рабочего тела, называют термодинамическими параметрами состояния рабочего тела.

К параметрам состояния (свойствам рабочего тела) относят давление, температуру, удельный объём (или плотность) и др. При изучении их необходимо уяснить, что они характеризуют собой в данный момент времени взаимодействие рабочего тела с внешней средой. Например, давление представляет собой распределённую силу, действующую на единицу контрольной поверхности рабочего тела, которая отделяет тело внешней среды. Изменение давления показывает на характер взаимодействия рабочего тела с внешней средой (при увеличении его возрастают силы действия на оболочку, при снижении давления – уменьшаются) и обусловливает соответствующее конструктивное оформление оболочки.

Температура представляет собой степень нагретости рабочего тела. По изменению температуры контрольной поверхности рабочего тела можно судить о наличии теплообмена рабочего тела с внешней средой.

Удельный объём рабочего тела показывает на величину объёма, занимаемого единицей массы тела. Величину, обратную удельному объёму, называют плотностью рабочего тела. В авиационных двигателях плотность рабочего тела меняется в широком диапазоне, поэтому важно знать примерные значения этого параметра состояния в сечениях газовоздушного тракта авиадвигателя.

а) давление– отношение распределенной нагрузки (силы) на единицу поверхности по нормали к ней. Различают абсолютное давление р и избыточное давление р_изб (измеряется манометрами или другими регистрирующими приборами).

Абсолютное давление больше избыточного давления на величину атмосферного (барометрического) давления р_бар, то есть .

Если абсолютное давление рабочего тела меньше атмосферного, то регистрирующие приборы (вакуумметры) измеряют разрежениер_вак – разность между барометрическим давлением и давлением внутри рабочего тела.

В теплотехнике всегда используется абсолютное давление. Оно измеряется в Н/м² или в Паскалях (Па = Н/м²), а также кгс/см², мм ртутного столба, мм водяного столба (таблица 1).

Таблица 1

1 фунт/дюйм²=6.89×10³ Па

Для открытой термодинамической системы, например, для потока газа различают:

- статическое давлениер или давление, действующее на измерительную стенку, поставленную параллельно вектору скорости. Статическое давление измеряется датчиком, установленным в потоке газа и называемым приёмником статического давления (рис.1а);

- полное давление или давление заторможенного потока ,или давление, действующее на измерительную стенку, поставленную перпендикулярно вектору скорости. Полное давление измеряется Г – образной трубкой, называемой трубкой Пито – Прандтля(рис.1б);

-динамическое давление или скоростной напор ,или разность между полным и статическим давлениями. На воздушных судах динамическое давление измеряется приёмником воздушного давления (рис.1в).

Рис.1. Схемы измерения статического (а), полного (б) и динамического (в)

давлений в потоке газа:

1 - измерительная стенка; 2 – приёмник статического давления;3 – корпус канала (трубы); 4 – трубопровод; 5 – регистрирующий прибор;6 – трубка Пито – Прандтля;

с – обозначение вектора скорости газа

б) температура – степень нагретости тела. Существующие определения термодинамической температуры:

БСЭ определяет термодинамическую температуру, как “физическую величину, характеризующую состояние термодинамического равновесия макроскопической системы“. Словарь естественных наук (Глоссарий.ру) уточняет: температура − это ”физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия”. Наконец, в справочнике по физике Б.Яворского и А.Детлафа (1990) температура равновесной системы определяется как ”мера интенсивности теплового движения ее молекул (атомов, ионов)”.

Общим в этих трех определениях является то, что термодинамическая температура определяется для равновесной макроскопической системы, и что температура характеризует кинетическую энергию частиц этой системы. Мера интенсивности движения у Б.Яворского и А.Детлафа – это та же кинетическая энергия движущихся частиц.

Температуру рабочего тела измеряют различными датчиками, принцип действия которых основан на расширении жидкостей или газов при нагревании (ртутный термометр), изменении электрического сопротивления металлов (в термометрах сопротивления(рис.1.2)при измерении температур жидкостей и газов в диапазоне – 50…+700^оС) или на возникновении электродвижущей силы (э.д.с.) (в термопарахпри измерении температур более 300^оС) (рис.1.3).

В авиационной технике приняты:

температурная шкала Андерса Цельсия (1701 – 1744),шведского астронома и физика, предложившего эту шкалу в 1742 году, в которой один градус (1^оС) равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении (760 ммрт.ст. = 101325 Па), точка таяния льда принята за 0^оС, кипения воды – 100^оС);

температурная шкала Уильяма Томсона(в 1892 году за научные заслуги получил титул барона Кельвина) (1824 – 1907),английского физика, предложившего эту шкалу в 1848 году, в которой начало шкалы 0^оК соответствует полному прекращению движения молекул в рабочем теле;

температурная шкала Габриеля Даниэля Фаренгейта (1686 – 1736), немецкого физика, предложившего эту шкалу в 1724 году, в которой один градус (1^оF) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, точка таяния льда принята равной +32^оF.

Все температурные шкалы связаны соотношениями:

(1.1)

Эффект термоэ.д.с. впервые был открыт в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком (1776 – 1831), немецким физиком, и состоит в появлении электрического тока в цепи, составленной из двух однородных выполненных из разных металлов термоэлектродов, рабочие концы которых сварены между собой и образуют «горячий спай», а свободные концы также сварены междусобой и образуют «холодный спай», и помещённых в среды сразными температурами (горячий спай при температуре , а холодный спай при - температуре окружающей среды).

Рис.1.2. Схема устройства платинового термометра сопротивления

П.Г. Стрелкова:

1 – каркас геликоидальной формы из плавленого кварца; 2 – платиноваябифилярная спираль диаметром 0,05…0,1 мм; 3 – выводы диаметром0.3 мм, изготовленные из меди (до 150^оС), серебра (до 400^оС), золота(до 700^оС) для подключения регистрирующего прибора и источникапитания электрического тока; 4 – оболочка (гильза) диаметром 5…6 мми длиной , герметичная и заполненная воздухом, азотомили гелием в зависимости от назначения и области измеряемыхтемператур

Рис.1.3. Схема термоэлектрического термометра (термопары):

1 – «горячий» спай при температуре измеряемой среды ; 2 – «холодный» спай при температуре 3 – измерительный прибор (гальванометр для измерения э.д.с.); 4 – первый термоэлектрод (диаметр 1.0…1.5 мм); 5 – второй термоэлектрод (диаметр 0.8…1.2); 6 – компенсационные провода с малым удельным электрическим сопротивлением (алюминий, медь и др.)

В авиационной технике большое распространение получили термопары типа ХА [хромель (сплав на никелевой основе (89 % Ni + 9.8 % Cr + 10 % Fe +0.2 % Mn) + алюмель ( сплав на никелевой основе (94 % Ni + 2 % Al + 2.5 % Mn + 1 % Si + 0.5 % примеси)] для измерения температур при длительном применении в диапазоне – 200…1000^оС, и термопары типа ХК [хромель + копель (сплав содержит 56 % Cuи 44 % Al)] для измерения температур в диапазоне – 200…600^оС. Электрический ток в термопаре идет от термоэлектрода с большим удельным электрическим сопротивлением (положительный термоэлектрод) к термоэлектроду с меньшим электрическим сопротивлением (отрицательный термоэлектрод). Например, в термопарах типа ХА хромель имеет удельное электрическое сопротивление , алюмель - , а в термопарах типа ХК копель .

в) удельный объём v – отношение объема рабочего тела к его массе, размерность или . Обратная величина, как уже отмечалось, представляет собой плотность рабочего тела, то есть r=1/v, размерность или .

Интересные факты.

Самая высокая температура, созданная человеком, ~ 10 трлн. К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении ионов свинца, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на Большом Адронном Коллайдере.

Самая высокая теоретически возможная температура – планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1,41679(11)·10³² K (примерно 142 нониллиона K).

Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 K.

Самая низкая температура, созданная человеком, была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 млрд долю K (5,9·10⁻¹² K).

Рекордная низкая температура на поверхности земли −89,2° С была зарегистрирована на советской внутриконтинентальной научной станции Восток, Антарктида (высота 3488 м над уровнем моря) 21 июля 1983 года.

Семена высших растений сохраняют всхожесть после охлаждения до −269 °C.

Контрольные вопросы

1. Какие основные вопросы рассматриваются в технической термодинамике?

2. Международная система единиц (СИ) и ее основные единицы.

3. Какие величины называются термодинамическими параметрами?

4. Какие термодинамические параметры относятся к основным?

5. Напишите размерность основных параметров.

6. Определение удельного объема и плотности газа.

7. Как определяется высота столба жидкости для измерения давления?

8. Различие между абсолютным и манометрическим (избыточным) давлением.

9. Какие температурные шкалы приняты в авиации?

10. Что называется абсолютной температурой?

11. Что называется термодинамической системой?

12. Дать определение гомогенной и гетерогенной системам.