Техническая термодинамика

Изучение законов взаимного превращения теплоты и работы и установление эффективных способов осуществления этого превращения -одна из важнейших задач курса «Техническая термодинамика».

В основу технической термодинамики положены первое и второе начала (законы) термодинамики. Приступая к их изучению, студент должен чётко представлять себе основные свойства и параметры состояния рабочих тел, используемых в тепловых машинах, и знать законы связи между этими параметрами для идеальных газов, т.е. их характеристические уравнения (уравнения состояния).

В тепловых расчётах, связанных с определением количества теплоты, большое значение имеет теплоёмкость рабочего тела. При изучении этого вопроса необходимо разобраться в различии между истинной и средней теплоёмкостями, обратив особое внимание на зависимость теплоёмкости газов от температуры, а также усвоить разницу между единицами измере­ния массовой, обьёмной и молярной теплоёмкостей. При рассмотрении молярной теплоёмкости газов следует усвоить, что молярные теплоёмкости, если пренебречь их зависимостью от температуры, зависят от характера процесса и атомности газов; все двухатомные газы имеют свою одинаковую для этих газов молярную теплоёмкость в данном процессе; свою одина­ковую для всех газов молярную теплоёмкость имеют и многоатомные газы. Например, в процессе при постоянном объёме молярные теплоёмкости двухатомных газов равны 20,9 кДж/(мольК), трёх и многоатомных газов-29,2 кДж/(мольК).

Следует запомнить разницу между теплоёмкостями в процессах при постоянном объёме и при постоянном давлении, так как эти теплоёмкости наиболее часто встречаются в теплотехнических расчётах.

Необходимо обратить внимание на то, что в отличие от теплоёмкости

твёрдых и жидких тел теплоёмкость газов всецело зависит от вид

а термоди­намического процесса и может изменяться от -∞ до +∞, при это

важно усвоить понятие об отрицательной теплоёмкости (меньше нуля) газов.

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии и имеет большое прикладное значение при решении вопросов анализа тепловых процессов, при составлении их энергетических балансов, то есть соотношения между теплотой, механи­ческой работой и изменением внутренней энергии газа в термодина­мическом процессе.

Необходимо разобраться в физической сущности понятий: внутрен­няя энергия рабочего тела, теплота и работа газа в термодинамическом процессе и иметь чёткое представление о теплоте и работе, как о двух формах передачи энергии, выделив их общее и различное.

На основе первого закона термодинамики и газовых законов техни­ческая термодинамика рассматривает сначала основные частные случаи: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы, а затем обобщающий политропный процесс.

Изучению политропного процесса следует уделить особое внима­ние. Важно уяснить связь между показателем политропы и характером изменения состояния газа. Это удобно сделать путём графического анализа политропного процесса в системах координат P-V и T-S, так как в этом случае можно наглядно проследить характер процесса при изменении показателя политропы в пределах от -∞до +∞.

Второй закон термодинамики устанавливает условия работы тепловых двигателей и направление самопроизвольного протекания процесса передачи теплоты от горячего тела к холодному. Поэтому особое значение приобретают понятия о циклах, показателях их эффек­тивности, а также об обратимых и необратимых процессах. Необходимо уяснить, что любой самопроизвольный процесс является необратимым.

При изучении работы теплового двигателя (прямого цикла Карно) следует обратить внимание на определение второго закона термодина­мики, согласно которому для возможности превращения теплоты в работу необходимо наличие двух источников теплоты: горячего и холодного, а также на невозможность полного превращения теплоты в работу в непрерывно действующей тепловой машине, прямым следст­вием из которого является понятие о термическом к.п.д. цикла.

При изучении обратного цикла Карно, лежащего в основе работы холодильных машин и тепловых насосов, следует использовать положение второго начала термодинамики о невозможности передачи теплоты от менее нагретого тела к более В тесной связи со вторым законом термодинамики находится поня­тие энтропии. Следует разобраться в математической и физической сторо­нах её и рассмотреть тепловую диаграмму T-S, имея в виду, что с помощью этой диаграммы решаются сложные задачи по расчёту тепловых машин и аппаратов. Необходимо усвоить, что изменение энтропии при любом про­цессе будет пропорционально теплоёмкости газа.

Затем следует рассмотреть циклы, по которым работают компрес­соры, поршневые газовые двигатели (двигатели внутреннего сгорания) и газовые турбины, провести аналитический и графический (в системах координат P-V, T-S) анализы этих циклов.

Обратите внимание на то, что при одинаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты в процессе постоянного объёма является наиболее экономичным по сравнению с циклом, в котором теплота подводится при постоянном давлении и циклом с изохорно-изобарным подводом теплоты. Следует понять, что экономичность этих двигателей всецело зависит от их степени сжатия.

Значительное место в технической термодинамике отводится изуче­нию свойств паров (главным образом водяного пара).

Пары могут менять своё состояние, превращаться в жидкость. При этом законы, которым они подчиняются, в области, близкой к снижению, очень сильно отклоняются от законов идеального газа. Это исключает возможность применения законов идеальных газов для паров.

Аналитическое определение параметров состояния паров затруд­нено тем, что зависимость между этими параметрами (уравнения состо­яния) получается очень сложной. Поэтому параметры состояния опреде­ляются по таблицам или диаграммам. Особенно большое значение имеет h-s-диаграмма для водяного пара, которая в практике используется очень широко. Каждый студент должен уметь пользоваться этой диаграммой, то есть уметь определять параметры состояния рабочего тела и строить в h-s- -диаграмме основные термодинамические процессы (изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный).

Изучение термодинамических циклов паросиловых установок следует начинать с цикла Карно, уяснив себе причины неприменимости его в реальных паросиловых установках. Затем необходимо рассмотреть основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, после чего переходить к изучению более сложных циклов: цикла с промежуточным перегревом, теплофикационного, регенеративного и парогазового циклов, уделяя при этом вопросам их экономичности.

Рассмотрите циклы газотурбинных установок с подводом тепла при постоянном давлении и при постоянном объёме и сравните их экономи­ческую эффективность.

В заключение следует рассмотреть цикл холодильных установок, которые используются в промышленности и сельском хозяйстве.

При изучении раздела «Техническая термодинамика» студенту необходимо не только понять основные расчётные соотношения и их выво­ды, но и уметь самостоятельно делать эти выводы, а также строить в системах координат p-V, T-s, h-s основные термодинамические процессы и циклы с соответствующими анализами.