Основы термодинамики, теплотехники и рабочие процессы ГТУ. Циклы ГТУ в координатах Р-V, T-S диаграммах

Термодинамика – одна из областей физики – наука о закономерностях превращения одних видов энергии в другие (причем любых видов энергии, а не только тепловой). Для обеспечения непрерывной работы ГТУ, её процессы должны идти по кругу. В термодинамике круговые процессы называются циклами. Таким образом, термодинамической базой тепловых машин является термодинамический цикл.

Термодинамический цикл ГТУ – совокупность процессов расширения и сжатия с подводом и отводом тепла, в результате которого получается полезная работа, а рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Первым проанализировал термодинамический цикл французский инженер С. Карно в 1924 году. Это был цикл для идеального газа. Это понятие было введено для упрощения изучаемых свойств рабочих тел.

Идеальный газ – совокупность молекул обладающих исчезающе малыми объемами и лишенных сил взаимодействия (взаимного притяжения и отталкивания).

Именно из этого цикла была выведена зависимость к.п.д. только от температуры (теплоты) и ни от чего больше.

Исходными аксиомами термодинамики служат так называемые «начала».

Первое начало термодинамики (по существу является законом сохранения энергии) – количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение системой работы:

Второе начало термодинамики (лежит в основе устройства тепловых машин) – невозможно получить от двигателя непрерывную работу без отдачи теплоприемнику (в нашем случае окружающей среде) части тепла подводимого к рабочему телу, то есть невозможно всю подведенную теплоту превратить в работу.

Таким образом, к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше единицы.

Пути увеличения к.п.д.:

– увеличение степени сжатия;

– увеличение T₁(Q₁) (ограничение по жаропрочности материалов);

– уменьшение T₂(Q₂) (применение систем регенерации тепла) – система утилизации тепла.

Состояние термодинамической системы описывается параметрами ее состояния.

Параметры состояния – физические величины, характеризующие состояние системы и поддающиеся непосредственному измерению. Для газа параметрами состояния являются температура, давление, плотность.

1. Температура – мера нагретости вещества (тела). На практике используются две температурные шкалы: Цельсия и Кельвина:

Т (К)=t⁰C+273,15K.

2. Давление – это сила, действующая на единицу поверхности.

Н/м или Па.

1 Па – давление, вызванное силой 1 Ньютон, распределенной по нормали к поверхности площадью 1 м².

1 атм=101325,1 Па=1,033228 кгс/см²=760 мм рт. ст.

1 бар=100000 Па=1,0197 кгс/см²=750 мм. рт. ст.

3. Плотность – масса единицы объема – отношение массы газа к занимаемому объему

кг/м³ или г/см³.

Величина, обратная плотности – удельный объем – объем единицы газа.

4. Удельная теплоемкость газа (с) – количество теплоты, которое нужно сообщить количественной единице газа (/м³, /кг) при нагревании его на 1⁰.

Теплоемкость газов зависит от условий протекания процесса.

– с_р – удельная изобарная теплоемкость при Р=const;

– с_ν – удельная изохорная теплоемкость при V=const, причем с_р> с_ν.

Термодинамический процесс – изменение состояния термодинамической системы, то есть ее параметров состояния, зависимость между которыми определяется уравнением состояния.

Экспериментальным путем установлено, что поведение реальных газов при сжатии, нагревании и других процессах подчиняется простым законам, а именно:

– При T=const PV=const (изотермический процесс) – закон Бойля-Мариотта, 1662-1679 г.

– При P=const V/T=const (изобарный процесс) – закон Гей-Люссака, 1802 г.

– При V=const P/T= const (изохорический процесс) – закон Шарля, 1787 г.

Термический процесс, при котором один из параметров состояния постоянен, называется изопроцессом.

Адиабатический процесс – процесс, при котором нет теплообмена PV^k=const.

Политропный процесс – удельная теплоемкость остается постоянной PVⁿ.

Частными случаями политропного процесса являются процессы: изобарический P(n=0), изотермический T(n=1), адиабатический (n=k=c_p/ c_ν), изохорный V(n=±∞).

Удельная теплоемкость С для идеального газа R_n равна

На основании сопоставления изопроцессов было выведено знаменитое уравнение состояния газа для единицы массы (уравнение Клайперона – Менделеева)

где	R	–	газовая постоянная,
где		–	молекулярный вес газа.

Например, для метана.

Реальные газы в условиях рабочих процессов ГТУ подчиняются законам идеального газа с погрешностью 2-3%.

Теплоемкость.

Теплоемкостью тела называется количество теплоты, необходимое для нагрева тела на один градус.

Теплоемкость единицы количества вещества называется удельной теплоемкостью.

где	t1	–	начальная температура,
	t2	–	конечная температура,
	q1-2	–	теплота, подведенная к единице массе.