книги из ГПНТБ / Основы теплотехники и гидрогазодинамики учеб. пособие

ВОЕННАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ ТЫЛА И ТРАНСПОРТА

ОСНОВЫ

ТЕПЛОТЕХНИКИ И ГИДРОГАЗОДИНАМИКИ

Учебное пособие

Ленинград

1 9 7 3

Раздел I. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Гла в а 1. РАБОЧЕЕ ТЕЛО И ПАРАМЕТРЫ ЕГО СОСТОЯНИЯ

ОСНОВНЫЕ понятия

Термодинамика — наука об энергии и ее свойствах. Она изучает законы превращения энергии в различных сопровождающихся тепловыми эффектами физических, химических и других процес­ сах. В связи с этим термодинамику делят на физическую (общую), химическую и техническую.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения теплоты и механической работы, являясь теоретиче­ ской основой тех инженерных дисциплин, в которых рассматрива­ ется теория работы различных тепловых машин и теплоэнергети­ ческих установок.

При решении задач термодинамики молекулярно-кинетические представления о строении тел не находят применения, и если иног­ да к ним прибегают, то лишь только для лучшего уяснения физи­ ческой сущности отдельных явлений. Термодинамика изучает макроструктурные свойства тел, которые состоят из большого числа частиц.

В основу термодинамики положены два основных закона, уста­ новленных опытным путем. Первый закон характеризует количе­ ственную сторону процессов превращения энергии, а второй уста­ навливает качественную сторону (направленность) процессов.

Термодинамическая система. Термодинамика имеет дело с раз­ личными термодинамическими системами и их (взаимодействием с окружающей средой. Под окружающей средой понимают все­ объемлющую совокупность тел любой физико-химической приро­ ды, заполняющих некоторое выбранное пространство.

Термодинамической системой называют совокупность тел, вы­ деленных из окружающей среды в качестве объекта исследования, которые могут находиться в тепловом и механическом взаимодей­ ствии как друг с другом, так и с окружающей средой.

4

Термодинамическую систему, которая не имеет никаких взаи­ модействии с окружающей средой, но в которой возможны взаи­ модействия между частями внутри самой системы, называют изо­ лированной. Система, состоящая из частей, находящихся в раз­ личных агрегатных состояниях или фазах, называется гетероген­ ной. Система, состоящая из одной фазы, т. е. имеющая но всех частях одинаковые свойства, называется гомогенной.

Системы или тела, посредством которых осуществляются вза­ имные превращения тепла и механической работы, носят название рабочего тела. Принципиально в качестве рабочего тела могут использоваться различные вещества и в различных агре1атных состояниях. Однако наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольши­ ми коэффициентами объемного расширения по сравнению с тела­ ми,'находящимися в других агрегатных состояниях.

В технической термодинамике в качестве рабочего тела прини­ мается идеальный газ — условное газообразное вещество, у кото­ рого отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а са­ ми молекулы представляют собой материальные точки, не имею­ щие объема. Практически, с известными допущениями, идеальны­ ми газами можно считать всякий реально существующий газ или пар, а также смеси газов или паров, далеко отстоящие от границ сжижения, т. е. все газы и пары, у которых расстояния между мо­ лекулами достаточно велики, что имеет место, например, при не­ высоких давлениях. При нормальных и близких к ним условиях в качестве идеальных газов могутрассматриваться, например, такие, обладающие сравнительно малыми молекулярными масса­ ми газы, как азот, гелий, водород и т. п.

В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допу­ стимо распространение закономерностей идеального газа на все газы, с которыми в теплотехнике приходится иметь дело.

Совокупность последовательных состояний, через которые про­ ходит термодинамическая система, в термодинамике называется процессом. Если в результате осуществления нескольких процес­ сов термодинамическая система возвращается в свое первоначаль­ ное состояние, то совокупность таких процессов носит название кругового процесса или цикла.

ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Термодинамические системы характеризуются рядом физиче­ ских величин, которые изменяются с изменением состояния самой системы. Эти величины носят название параметров состояния. Основными параметрами являются температура, абсолютное дав­ ление и удельный объем.

Температура характеризует степень нагретостн тел и опреде­ ляет направление перехода тепла. Так, если из двух взаимодейству­ ющих тел первое имеет более высокую температуру, чем второе,

5

то тепло будет переходить от первого тела ко второму. Если пе­ рехода тепла между двумя взаимодействующими телами не наблю­ дается, то температура этих тел одинакова.

С точки зрения кинетической теории газов температура Т пря­ мо пропорциональна средней кинетической энергии поступатель­ ного движения элементарных частиц вещества

жение молекул должно прекратиться. Такая температура называ­ ется абсолютным нулем.

Термодинамическим параметром состояния является абсолют­ ная температура Г, отсчитываемая от абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Для практических целей часто используется не шкала Кельви­ на, а международная стоградусная шкала (шкала Цельсия). Со­ отношение между температурами по шкале Кельвина и по шкале Цельсия определяется равенством

Давление численно равно силе, действующей на единицу пло­ щади поверхности и направленной по нормали к ней.

Согласно молекулярно-кинетической теории газов давление р является результатом ударов молекул об ограничивающие тело поверхности л численно равно

где а — коэффициент сжимаемости, зависящий от размеров мо­ лекул и действующих между ними сил;

п— количество молекул, приходящееся на единицу объема газа.

Основываясь на уравнении (1.1) и учитывая, что п — ,

уравнение (1.2) можно привести к виду

6

Как масса вещества в единице его объема, плотность р. системе МКГСС связана с удельным весом уравнением

у 1 кГ-сек2

П .Ю )

1 g vg м4

УРАВНЕНИЯ состояния

Рассмотренные параметры состояния р. v п Т находятся между собой в определенной связи и не являются независимыми величи­ нами. Поэтому состояние всякого находящегося в равновесии тела может быть определено, если будут заданы любые два параметра из трех указанных *. При этом следует иметь в виду, что в каче­ стве одного из независимых «параметров состояния можно выби­ рать не только удельный объем тела у, но п его молярный объем

пол котором температура п давление во всех точках объема, занимаемого рабо­ чим телом одинаковы.

8

Уравнения (1.14) п (1.15) известны под названием уравнений Клапейрона и представляют собой уравнения состояния для иде­ альных газов. Входящая в эти уравнения газовая постоянная

имеет размерность в системе МКГСС ■„К —-— , а в Международной

Д. II. Менделеев придал уравнению (1.14) универсальный ха­ рактер, отнеся его к киломолю идеального газа. При объеме одно­ го киломоля V.j. и молекулярной .массе р удельный объем газа будет равен

v

il

Подставляя значение v в уравнение (1.14), получим

и носит название универсальной газовой постоянной, а уравнения (1.16) и (1.17) 'называются универсальными уравнениями состоя­ ния идеальных газов.

Реальный газ. В отличие от идеального газа, в реальных газах между молекулами существуют силы взаимодействия (притяже­ ния .пли отталкивания), а сами молекулы имеют, хотя и весьма малые, конечные размеры.

Наличие сил взаимодействия между молекулами, действующих обычно в том же направлении, в котором действует внешнее дав­ ление, приводит к тому, что давление внутри реального газа ока­ зывается больше внешнего давления р на некоторую величину ряоя, носящую название внутреннего или молекулярного давления.

В связи с конечными размерами молекулы реальных газов за­ нимают некоторый свой «собственный» объем, который не может быть использован для их перемещения, в результате чего «сзобод-

9