Тема 1.1 Термодинаміка та її метод. Основні параметри стану робочого тіла

План

1 Технічна термодинаміка (ТТД), предмет і метод.

2 Поняття «робоче тіло».

3 Основні параметри стану робочого тіла.

1 Процеси обміну енергією мають місце в будь – яких явищах навколишнього світу. Тому термодинаміка (ТД) як наука про взаємне перетворення теплоти і роботи дає методи вивчення енергетичних явищ.

Термін ТД складається з 2 грецьких слів: „терме” - теплота і „динаміс” – робота.

ТД умовно поділяється на хімічну і технічну. Хімічна ТД вивчає процеси, в яких обмін енергією супроводжується зміною хімічного складу тіл.

Технічна термодинаміка (ТТД) – наука про властивості теплоти і закони взаєм-ного перетворення теплоти і механічної роботи. Предметом ТТД є вивчення законо-мірностей процесів перетворення енергії в різних фізичних і хімічних процесах. Є основою вивчення і вдосконалення всіх теплових двигунів, компресорних, сушильних, холодильних установок тощо. Оскільки головним елементом з точки зору перетворен-ня енергії в цих машинах є робоче тіло (наприклад, пара в паровій турбіні), то станов-лять інтерес і властивості робочих тіл.

Основою ТД як науки є 2 закони, отримані дослідним шляхом - перший і другий закони ТД. Перший закон ТД встановлює кількісну міру при переході одного виду енергії в інший і є приватним випадком загального закону фізики збереження і пере-творення енергії. Другий закон ТД встановлює напрямок теплових процесів, які протікають в природі, та умови перетворення теплоти в роботу.

Використовуючи основні закони, ТТД досліджує процеси, які протікають в теп-лових двигунах, і виявляє найбільш економічні умови їх роботи.

2 В теплових машинах застосовується робоче тіло -частіше за все газ, який при взає-модії з зовнішнім середовищем змінює свій стан. Фізичні макроскопічні величини, які характеризують стан робочого тіла, називаються термодинамічними параметрами стану (або скорочено параметрами стану). Основними параметрами стану є: абсо-лютний тиск , питомий об’єм v, абсолютна температура Т. Вони визначають рівноважний стан газу, тобто коли в будь – який момент часу , v і Т по всій масі газу будуть мати одні й ті ж значення.

3 Тиск газу є середнім результатом ударів великої кількості часток (молекул чи ато-мів) об стінки посудини, де знаходиться робоче тіло. Тиск вимірюється силою, що приходиться на одиницю поверхні тіла і направлена до неї перпендикулярно. Познача-ється Р, в системі СІ виміряється паскалем (Па) - силою в один ньютон на площі в один квадратний метр, тобто .

Ця одиниця тиску дуже мала, і тому на практиці застосовуються інші одиниці:

(кілопаскаль); (мегапаскаль).

Також застосовуються позасистемні одиниці вимірювання:

1) мм рт. ст. (мм ртутного стовпчика). ;

2) мм вод. ст. (мм водяного стовпчика) ;

3) бар. ;

4) технічна атмосфера (ат), яка є дією кілограм – сили (кгс) на площу в

Па;

5) фізична атмосфера (атм), яка дорівнює середньому тиску атмосферного повітря на рівні моря. Вона складає

.

Приймається як деякий стандартний тиск і називається нормальним тиском. В системі СІ нормальний тиск дорівнює:

Тиск атмосферного повітря виміряється барометром і називається барометрич-ним або атмосферним . Величина тиску газу, яка перевищує атмосферний і вимі-рюється манометром, називається манометричним або надлишковим . Величина тиску газу, яка менше атмосферного і вимірюється вакуумметром, називається ваку-умметричним або розрідженням .

Надлишковий і вакууметричний тиски не є параметрами стану, бо при одному і тому ж тиску газу в посудині (абсолютному) показання манометру і вакууметру бу-дуть різними в залежності від атмосферного тиску повітря в момент вимірювання.

Параметром стану є абсолютний тиск газу , який може бути знайдений по одній з двох формул. Розглянемо прилад, який складається з посудини А, наповненої газом із абсолютним тиском , і U – подібної трубки, частково заповненої рідиною (рисунок 1.1). З лівого боку на рідину діє абсолютний тиск газу, з правого – атмо-сферний тиск повітря. Якщо , то рідина буде переміщатися в трубці зліва направо до тих пір, поки стовпчик рідини, який утворився, висотою врівноважить різниця тисків В цьому випадку прилад показує, наскільки тиск газу в посудині А більше атмосферного, тобто надлишковий тиск. Тому

- абсолютний тиск газу в посудині дорівнює сумі показань (1.1)

барометру і манометру.

Якщо , тоді рідина в правому коліні трубки опуститься, а в лівому підні-меться і займе положення, показане на рисунку 1.2. В цьому випадку прилад показує, наскільки тиск газу в посудині А менше атмосферного, і висота стовпчика визначає вакууметричний тиск . Значить,

- абсолютний тиск газу в посудині дорівнює різниці показань (1.2)

барометру і вакуумметру.

Рисунок 1.1 – Вимірювання надлишкового Рисунок 1.2 – Вимірювання розрідження

тиску рідинним манометром (вакууму) рідинним

() вакууметром ()

Показання ртутних приладів тиску змінюються в залежності від температури ртуті внаслідок її розширення із підвищенням температури. Тому показання баромет-ру (манометру, вакуумметру), визначені висотою ртутного стовпчика, приводяться до , для чого використовується рівняння

, (1.3)

де - показання барометру, приведене до , мм рт. ст; - дійсна висота

ртутного стовпчика барометру при температурі , мм рт. ст;

0,000172 – коефіцієнт об’ємного розширення ртуті.

Температура є мірою теплового стану чи ступеня нагрітості тіла, наприклад га-зу. З фізики відомо, що температура газу змінюється пропорційно середній кінетичній енергії поступального руху молекул. Чим вища температура, тим більша швидкість руху молекул. Температура тіла збільшується або зменшується в залежності від того, одержує чи віддає це тіло теплоту. Тіла, які мають однакову температуру, знаходяться в тепловій рівновазі, тобто не передають теплоту одне іншому.

При нагріванні тіла розширюються, тобто збільшуються в об’ємі. Цю обставину враховують при конструюванні котлів і будові обмурівки, а при проектуванні трубо-проводів різного призначення, які можуть опинитися під дією температурних подов-жень, передбачають установку спеціальних компенсаторів.

Одиницею вимірювання температури є градус. В техніці температура вимірюєть-ся по Міжнародній стоградусній шкалі (шкалі Цельсію) і позначається , . В цій шкалі при нормальному тиску (760 мм рт. ст.) стану льоду, котрий розтає, відповідає температура , а точці кипіння чистої води – 100 .

Для вимірювання температури використовується також термодинамічна шкала температур (шкала абсолютних температур, або шкала Кельвіна). Нуль абсолютної шкали температур відповідає значенню . Градус абсолютної шкали темпе-ратур носить назву кельвіна і позначається через . Між двома температурами існу-ють наступні співвідношення

, К (1.4)

, (1.5)

Параметром стану є абсолютний температура . Температура вимірюється тер-мометрами, термопарами, пірометрами та іншими приладами.

Питомим об’ємом називається об’єм 1 кг газу, він позначається v, тобто

, (1.6)

де - повний об’єм газу, ; - маса газу, .

Щільністю називається маса газу, яка міститься в одиниці об’єму, тобто

, (1.7)

З формул (1.6) і (1.7) виходить, що питомий об’єм і щільність газу – величини взаємо зворотні і їх добуток дорівнює одиниці:

(1.8)

або (1.9,1.10)

Слід пам’ятати наступні співвідношення: і .