🗊Презентация Предмет «Теплоносители и их свойства». Параметры состояния. Уравнения состояния газов

ТНиС 01 ● Предмет «Теплоносители и их свойства» ● Параметры состояния ● Уравнения состояния газов

Основные сведения

Расчасовка лекционного курса Семестр 5 Лекции, час. 18 Практические занятия, час. 18 Лабораторные занятия, час. 18 Индивидуальная работа, час. 0 Всего аудиторных занятий, час. 54 Из них в активной и интерактивной форме, час. 16 Самостоятельная работа, час. 54 В том числе КП, КР. РГЗ, подготовка к контр. работе, час. Контр. Консультации, час. - Зачет, диф. зачет, час. Д3 Сессия (экзамен), час. - Всего часов 108 Всего зачетных единиц (кредитов) 3

Список литературы Основной список: 1. Шаров Ю. И. Техническая термодинамика [Электронный ресурс] : слайд-конспект лекций / Ю. И. Шаров. - Новосибирск, 2012. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с #. 2. Шаров Ю. И. Основы теплотехники и перенос энергии и массы [Электронный ресурс] : слайд-конспект лекций / Ю. И. Шаров. - Новосибирск, 2015. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с #. 3. Овчинников, Ю.В. Основы технической термодинамики / Ю.В. Овчинников. – Новосибирск: НГТУ. – 2010. – 292 с. 4. Шаров Ю.И. О диаграммах состояния экологически безопасных хладагентов / Ю.И. Шаров, Г.А. Долгополов // Теплоэнергетические системы и агрегаты. – 2003. Выпуск 7. – С. 199-205.

Дополнительный список литературы Дополнительный список: 1. Варгафтик Н.В. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.– М.: Наука, 1972. 2. Теплотехника // под ред. И.Н. Сушкина. - М. : Металлургия, 1981. – 479 с. 3. Рыжкин, В.Я. Тепловые электрические станции / В.Я. Рыжкин. – М. : Энергоатомиздат, 1987. – 327 с. 4. Шаров Ю.И. Техническая термодинамика. Сборник лабораторных работ / Ю.И. Шаров, П.А. Щинников. – Новосибирск: НГТУ. – 2011. – 16 с. 5. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача / В.В. Нащокин. - М.: Высшая школа. – 1980. – 559 с.

Дополнительный список литературы 6. Шаров Ю.И. Расчет теплообменника ЦТП : методические указания к РГР для студентов ФЭН / НГТУ ; [сост. Ю.И. Шаров]. – Новосибирск, 2013. – 32 с. 7. Холодильная установка : методические указания для студентов ФЭН / НГТУ ; [сост. Ю.И. Шаров]. – Новосибирск, 2018. – 19 с. 8. Григорьева О.К. Исследование термодинамических процессов поршневого компрессора : методические указания / НГТУ ; [сост. О.К. Григорьева, О.В. Боруш]. – Новосибирск, 2013. – 16 с. 9. Шаров Ю.И. Тенденции развития ТЭС / Ю.И. Шаров, О.В. Боруш. – Новосибирск : НГТУ. – 2017, – 259 с. 10. Wustmann, F. Stand der Umsetzung des DREWAG– Energieconzeptes / F. Wustmann // Kraftwerktechnisches Kolloquium. Technische Universität Dresden. – 2015. – Vortrag 2.

Теплоносители Теплоносителями являются: воздух, газообразные продукты сгорания топлива в тепловых двигателях. В холодильных установках теплота переносится хладоносителями (холодильными агентами). Эти теплоносители можно считать практически идеальными газами или смесями идеальных газов. Для технических нужд часто требуется сжатый воздух, для его получения применяются компрессоры. В системах теплоснабжения и отопления используются горячая вода и водяной пар. Водяной пар это реальный газ. Свойства идеальных и реальных газов изучаются в технической термодинамике.

Наука – техническая термодинамика Техническая термодинамика – это наука, изучающая закономерности взаимного преобразования тепловой и механической энергий. Тепловая энергия – это энергия хаотического движения молекул и атомов газа. Механическая энергия – это энергия движения макроскопических тел (человека, автомобиля, самолета). Преобразование механической энергии в тепловую происходит легко и не требует особых условий.

Преобразование тепловой энергии в механическую Преобразование тепловой энергии в механическую можно осуществить только в тепловом двигателе: ● двигателе внутреннего сгорания (ДВС), ● паротурбинной установке (ПТУ), ● газотурбинной установке (ГТУ). Преобразование тепловой энергии в механическую в тепловом двигателе происходит при расширении газообразного рабочего тела.

Рабочее тело – идеальный газ В ДВС и ГТУ таким рабочим телом являются газообразные продукты сгорания топлива, а в паротурбинной установке (ПТУ) – водяной пар, полученный в парогенераторе. Газообразные продукты сгорания топлива можно считать практически идеальным газом. Водяной пар является реальным газом и не подчиняется законам идеальных газов. Идеальный газ – это газ, состоящий из недеформируемых молекул, не имеющих собственного объема и не взаимодействующих между собой.

Терминология термодинамики Термодинамическая система – это совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей (внешней) средой. Примером такой системы является газ в цилиндре с подвижным поршнем. Изолированная (замкнутая) термодинамическая система, если она не взаимодействует с окружающей средой. Теплоизолированная (адиабатная) система окружена адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой. Например, газ в сосуде, покрытом идеальной теплоизоляцией.

Однородная, гомогенная и гетерогенная системы Однородная система – это система с одинаковым составом и физическими свойствами во всем объеме. Гомогенная система, если внутри нее нет поверхностей раздела (лед, вода, пар). Гетерогенная система состоит из нескольких макроскопических частей с различными физическими свойствами, разделенными между собой видимыми поверхностями раздела. Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела, называются фазами (вода со льдом – двухфазная система).

Удельный объем рабочего тела Состояние рабочего тела описывается параметрами состояния. Всего в термодинамике шесть параметров состояния: удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия. Удельный объем – это объем 1 кг газа, м³/кг: v=V/m, где V – полный объем газа, м³; m – масса газа, кг.

Плотность газа Величина, обратная удельному объему, называется плотностью – массой 1 м³ газа, кг/м³: ρ=m/V. Отсюда следует, что их произведение равно единице: ρv=1. Давление газа в молекулярно-кинетической теории газов трактуется как средний результат ударов молекул о стенки сосуда.

Давление газа Оно направлено по нормали к стенке сосуда и представляет собой силу, действующую на 1 м² поверхности: 1 Н/м²=1 Па. Давление может также измеряться в Мега Паскалях, барах, атмосферах, миллиметрах ртутного столба, метрах водяного столба. Соотношения между ними: 1 бар=10 Па=0,1 МПа=750 мм.рт.ст.=0,981 ат=9,81 м.вод.ст.

Параметр состояния – абсолютное давление Атмосферное давление В измеряется барометром, избыточное pи (превышающее атмосферное) – манометром, разрежение pв (вакуум) – вакуумметром. Параметром же состояния является абсолютное давление Ра. Если давление в сосуде p выше атмосферного: pа=В+pи; pа pи а если ниже В атмосферного, то: В pв pа=В–pв. pа 0 v

Параметр состояния абсолютная температура Температура характеризует степень нагрева тела и представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Понятие температура применимо только к макротелам и не имеет смысла для одной или нескольким молекул. Температура измеряется жидкостными термометрами, термометрами сопротивления, термопарами, оптическими пирометрами.

Основное уравнение теории газов Параметром состояния является абсолютная температура, К: Т,К=t,С+273,15. За 0 С принята температура плавления льда при атмосферном давлении , а за 100 С – температура кипения воды. Все законы идеальных газов были получены вначале опытным путем, а затем выведены из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов: , (1)

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов где р – давление, Па; n – количество молекул в единице объема, мол/м³; m – масса молекулы, кг; w – средняя скорость движения молекул, м/с. Обозначим через N число молекул в 1 кг газа, тогда уравнение (1) запишется в виде: . Перенесем удельный объем в левую часть уравнения и учтем, что кинетическая энергия пропорциональна температуре mw²/2=BT, где В – коэффициент пропорциональности.

Объединенный закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака: Тогда уравнение молекулярно-кинетической теории для двух состояний газа запишется в виде: p1v1=2/3NBT1; p2v2=2/3NBT2. Поделив левые и правые части этих уравнений одно на другое и перенеся начальные параметры влево, а конечные – вправо, получим выражение объединенного закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака: или pv/T=сonst. (2)

Законы идеальных газов Из выражения (2) при T=сonst получаем закон Бойля-Мариотта: p1v1=p2v2 или pv=сonst; (3) при p=сonst – закон Гей-Люссака: v1/T1=v2/T2 или v/Т=сonst; (4) а при v=сonst – закон Шарля для идеальных газов: p1/T1=p2/T2 или p/T=сonst. (5)

Уравнение состояния идеальных газов В выражении (2) объединенного закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака для произвольного состояния газа: pv/T=сonst. Назовем Const газовой постоянной, обозначим ее буквой R, приведем уравнение к общему знаменателю и мы получим уравнение состояния идеальных газов (Клапейрона) для 1 кг: pv=RT. (6)

Уравнение Клапейрона Умножая левую и правую части уравнения Клапейрона на массу газа m и учитывая, что mv=V, получим уравнение состояния идеальных газов для произвольной массы газа m: pV=mRT. (7)

Уравнение Клапейрона – Менделеева Русский ученый Д.И. Менделеев предложил по аналогии записать уравнение Клапейрона для 1 кило моля газа, умножив левую и правую части выражения (6) на молекулярную массу μ: p(μv)=(μR)T. (8)

Кило моль газа Уравнение (8) носит название Клапейрона-Менделеева. 1 кило моль газа – это масса газа в килограммах, численно равная его молекулярной массе μ. (μv) – объем 1 кило моля газа, м³/кмоль; (μR) – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К).

К выводу закона Авогадро Пусть имеются два равных объема V1=V2=V двух разных газов. Давление каждого из газов можно выразить по основ- ному уравнению молекулярно-кинетической теории газов: ; . Пусть давления газов равны между собой р1=р2, тогда: . (9) Пусть температуры газов тоже равны между собой, то есть равны их средние кинетические энергии m1w12/2=m2w22/2.

Закон Авогадро Из выражения (9) при этом следует: n1=n2. (10) Умножив обе части уравнения на объем V, получим: n1V=n2V. После сокращения одинаковых объемов газов V получим выражение закона Авогадро: N1=N2, (11) то есть в равных объемах разных газов при одинаковых физических условиях (p1=p2; T1=T2) содержится равное число молекул.

Следствие из закона Авогадро Выражение (10) – это закон Авогадро для 1 м³ газов. Масса газа в 1 м³ – это его плотность ρ, значит , (12) то есть: при p1=p2; T1=T2 плотности газов пропорциональны их молекулярным массам – следствие из закона Авогадро.

Объемы кило молей газов C учетом того, что ρ=1/v: v2/v1=μ1/μ2 , или: , (13) то есть при одинаковых физических условиях объемы кило молей разных газов равны между собой.

Газовая постоянная Найдем из уравнения Клапейрона – Менделееева (8), записанного для нормальных физических условий, величину универсальной газовой постоянной, Дж/(кмоль·К): Тогда газовая постоянная для конкретного газа, например, для воздуха, Дж/(кг·К): R=(μR)/μ=8314/29=287.