Главная Обратная связь

Дисциплины:






Термодинамические процессы



Изохорный процесс, процесс, протекающий при постоянном объеме. Уравнение процесса v = const. Основные формулы для расчета изохорного процесса с идеальным газом:

 
 

; ; ; ; l = 0; ;

Изобарный процесс, процесс, протекающий при постоянном давлении. Уравнение процесса р = const. Основные формулы для расчета изобарного процесса с идеальным газом:

; ; ; ; ; lp = 0;


Изотермический процесс, процесс, протекающий при постоянной температуре. Уравнение процесса Т = const. Основные формулы для расчета изотермического процесса с идеальным газом:

; ; ; ; ;


Адиабатный процесс, процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой (q = 0, dq = 0). Равновесные адиабатные процессы протекают при постоянной энтропии (ds = 0, s = const). Уравнение адиабатного процесса , где k – показатель адиабаты. Для идеального газа и принимает следующие значения: для одноатомных газов k = 1,67, для двухатомных газов k = 1,4, для трёх- и многоатомных газов k = 1,29. Основные формулы для расчета адиабатного процесса с идеальным газом:

q = 0; s = const; ; ; ; ;

; ; l = -Du; lp = -Dh = h1h2


Политропный процесс, процесс, протекающий с постоянной теплоемкостью сп = const. Уравнение политропного процесса , где п – показатель политропы. Для идеального газа . Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процесс являются частным случаем политропного процесса. Основные формулы для расчета политропного процесса с идеальным газом:

; ; ; ; ;

; ;

; ;

 

Процесс п cn
Изохорный ± ¥ cv
Изобарный cp
Изотермический ¥
Адиабатный k

Качественные особенности реальных газов. Исследования свойств реальных газов в широком диапазоне термо­динамических параметров показали, что свойства таких газов откло­няются от законов, справедливых для идеальных газов, тем значи­тельнее, чем выше их плотность. Молекулы реальных газов в отличие от идеальных газов имеют оп­ределенные (конечные) размеры, и между ними существуют силы меж­молекулярного взаимодействия. При определенных условиях эти си­лы могут приводить к ассоциации или диссоциации молекул, что су­щественно отражается на свойствах газа. При малых межмолекуляр­ных расстояниях внутренние силы могут действовать как силы оттал­кивания и создавать внутреннее давление. При значительных расстоя­ниях между молекулами действуют главным образом силы взаим­ного притяжения. В связи с этим поведение термических и калорических свойств реальных газов значительно отличаются от идеальных. Например, коэффициент сжимаемости для идеальных газов равен единице, а для реальных газов имеет сложную зависимость от давления и температуры.



В отличие от теплоем­кости идеальных газов теплоемкости ср и cv реальных газов зависят не только от температуры, но и от давления. Эти зависимости имеют сложный характер. В области низких давлений зависимость изохорной и изобарной теплоемкости от температуры близка к линейной. При давлениях ниже критического теплоемкости ср и cv воз­растают с понижением температуры и приближением к состоя­нию сжижения, что связано с процессом ассоциации молекул. В области высоких температур влияние температуры оказыва­ется незначительным. Повышение давления в этой области при­водит к увеличению теплоемкости. В области сверхкритических давлений изобары теплоемкости проходят через максимум, который с повышением давления смещается в сторону высоких температур. Величина ср (или cv)в точке максимума увеличивается с приближением к критическому давлению.В критической точке изобарная теплоемкость равна бесконечности.

Уравнение состояния реальных газов. Для реальных газов предложено много уравнений состояния, но ни одно из них не обладает достаточной общностью и точ­ностью.

Физические особенности реальных газов качественно хорошо отражаются уравнением Ван-дер-Ваальса. Оно же является и наиболее простым, единым для жидкой и газовой фаз, терми­ческим уравнением состояния. Ван-дер-Ваальс учел влияние сил взаимодействия молекул и влияние их объема путем введения поправочных факторов в уравнение состояния идеального газа. Это уравнение, полученное на основе, главным образом, умозрительных качественных заключений имеет вид , где a, b – константы, которые наряду с газовой постоянной характеризуют индивидуальные свойства вещества. Если сравнить это уравнение с уравнением Клапейрона pv = RT, то видно, что вместо р в нем фигурирует , а вместо v стоит . Согласно уравнению Клапейрона при стремлении давления к бесконечности удельный объем стремится к нулю, а из уравнения Ван-дер-Ваальса следует, что в этом случае v ® b. Следовательно, величину b можно интерпретировать как объем занимаемый собственно молекулами. Член учитывает взаимодействие молекул газа. Эту величину можно рассматривать как внутреннее давление в газе. Константы a и b могут быть вычислены через критические параметры вещества , . В этих выражениях Ткр – критическая температура, ркр – критическое давление, vкр – критический удельный объем. Уравнение Ван-дер-Ваальса только качественно отражает поведение веществ и для точных расчетов не пригодно.

Гетерогенная система, система, состоящая из различных по своим свойствам частей, разграниченных поверхностями раздела (лед-вода, вода-пар).

Гомогенная система, система, между любыми частями которой нет поверхностей раздела (пар, вода, лед).

Фаза, гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела.

Фазовый переход, переход вещества из одного фазового состояния в другое.

Парообразование, переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар).

Испарение, парообразование, происходящее только на свободной поверхности жидкости при любой температуре.

Кипение, парообразование, происходящее во всем объеме жидкости в результате подвода теплоты при температуре кипения.

Конденсация, переход вещества из газообразного состояния в жидкое в результате отвода теплоты при температуре кипения.

Сублимация, переход вещества из твердого состояния в газообразное в результате подвода теплоты при температуре сублимации. Для воды этот процесс возможен при давлениях ниже давления в тройной точке (< 610,8 Па). Процесс перехода вещества из газообразного состояния в твердое, называют десублимацией.

Плавление, переход вещества из твердого состояния в жидкое в результате подвода теплоты при температуре плавления. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое, называют затвердеванием (кристаллизацией).

Температура фазового перехода, температура вещества в процессе равновесного фазового перехода при постоянном давлении.

Температура кипения (насыщения), температура вещества в процессе равновесного фазового перехода из жидкого состояния в газообразное (пар) при постоянном давлении. Обозначают tн или ts. При этой же температуре происходит конденсация.

Теплота фазового перехода, количество теплоты, которое необходимо подвести или отвести при равновесном изобарно-изотермическом переходе вещества из одной фазы в другую.

Теплота парообразования (удельная),теплота, затраченная на превращение 1 кг кипящей жидкости в сухой насыщенный пар при постоянном давлении. Обозначают r, Дж/кг.

Тройная точка, точка на термодинамической диаграмме, соответствующая состоянию, в котором находятся в равновесии три фазы вещества: твердая, жидкая, газообразная. Параметры состояния в тройной точке у различных веществ различны. Для воды: р0 = 610,8 Па, t0 = 0,01 оС, v0 = 0,001 м3/кг.

Критическая точка, точка на термодинамической диаграмме, в которой исчезает различие между жидкой и газообразной фазами. Состояние вещества в этом случае называют критическим состоянием. Параметры состояния в критической точке у различных веществ различны. Для воды: рк = 22,115 МПа, tк = 374,12 оС, vк = 3,147 м3/кг.

Насыщенный пар, пар, находящийся в равновесии с жидкой фазой.

Сухой насыщенный пар, пар, в котором при температуре кипения (насыщения) отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы.

Влажный насыщенный пар, насыщенный пар, в котором содержатся взвешенные частицы жидкой фазы.

Степень сухости пара, массовая доля сухого пара во влажном насыщенном паре. Обозначают х. Степень сухости может изменяться от 0 до 1. При х = 0 – кипящая жидкость, при х = 1 - сухой насыщенный пар.

Перегретый пар, пар, температура которого выше температуры кипения при одинаковом давлении.

Фазовая диаграмма, диаграмма, на которой нанесены линии фазовых переходов. На рисунке представлена фазовая диаграмма в координатах р, Т. Линия ОВ - кривая сублимации (десублимации) вещества, линия ОА - кривая плавления (затвердевания), линия ОК - кривая насыщения (кипения или конденсации). Точка О - тройная точка. Точка К - критическая точка.


На практике чаще применяют фазовые диаграммы в координатах p,v, T,s, h,s (см. рисунок). На этих диаграммах представляют область некипящей жидкости (ж), влажного насыщенного пара (в.п) и перегретого пара (п.п). На линии, соответствующей степени сухости х = 0, находятся состояния кипящей жидкости. Эту линию называют нижней пограничной кривой. На линии, соответствующей степени сухости х = 1, находятся состояния сухого насыщенного пара. Эту линию называют верхней пограничной кривой.

Основные параметры воды, параметры, необходимые для проведения термодинамических расчетов: давление, температура, удельный объем, энтальпия, энтропия. Поскольку вода является реальным веществом, сведения о параметрах и функциях состояния получают экспериментальным путем, а затем представляют в виде таблиц, диаграмм (Ts-, hs-диаграммы) и уравнений состояния.

Начало отсчета энтальпии и энтропии воды - состояние в тройной точке (h0 = 0, s0 = 0). Параметры, относящиеся к состоянию кипящей жидкости, обозначают индексом «'», например, v', h', s'. Параметры, относящиеся к состоянию сухого насыщенного пара, обозначают индексом «"», например, v", h", s". Параметры влажного насыщенного пара определяют с помощью фазовых диаграмм, или рассчитывают по правилу аддитивности: v = v"x + v'(1 – x),

h = h"x + h'(1 – x) = h' + rx, s = s"x + s'(1 – x) = s' + rx/Tн.

При невысоких и средних давлениях (до 10 МПа), функции состояния можно определять расчетным путем (с достаточной для технических расчетов точностью). Необходимые формулы представлены в таблице, где cрж » 4,19 кДж/(кг×К) – изобарная теплоемкость жидкой воды; cрп - средняя изобарная теплоемкость перегретого пара в интервале температур от температуры кипения до данной температуры.

Таблица –­ Расчет функций состояния воды

Состояние воды Энтальпия Энтропия Внутренняя энергия
Некипящая жидкость h = cрж×t u = h – pv
Кипящая жидкость h' = cрж×tн u' = h' – pv'
Сухой насыщенный пар h" = h' + r u" = h" – pv"
Перегретый пар u = h – pv

 

 

 
 

Процесс получения пара, процесс 1-2-3-4, представленный на рисунке и протекающий с подводом теплоты. В технических устройствах этот процесс рассматривают как изобарный, состоящий из трех частей: 1-2 - изобарный подогрев воды до температуры кипения; 2-3 - изобарно-изотермическое парообразование; 3-4 - изобарный перегрев пара.

Обратный процесс (4-3-2-1) протекает с отводом теплоты и заключается в изобарном охлаждении перегретого пара до температуры кипения (4-3), изобарно-изотермической конденсации (3-2) и изобарном охлаждении жидкости ниже температуры кипения (2-1).

Термодинамические процессы с водяным паром, изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процесс.

 
 

Изохорный процесс.

Процесс 1-2 – подвод теплоты.

Работа изменения объема: l = 0. Располагаемая работа: lp = v(p1p2).

 
 

Количество теплоты: q = Du = Dh + lp = (h2h1) + lp.

Изобарный процесс.

Процесс 1-2 – подвод теплоты.

Работа изменения объема: l = p(v2v1). Располагаемая работа: lp = 0.

Количество теплоты: q = Dh = h2h1 = Du + l.

 
 

Изотермический процесс.

1-2 – подвод теплоты.

Работа изменения объема: l = q – Du. Располагаемая работа: lp = q – Dh.

Количество теплоты: q = T(s2s1) = Du + l = Dh + lp.

Изменение внутренней энергии: Du = (h2h1) – (p2v2p1v1).

 

 
 

Адиабатный процесс.

Процесс 1-2 – расширение.

Работа изменения объема: l = -Du. Располагаемая работа: lp = -Dh = h1h2.

Количество теплоты: q = 0. Изменение внутренней энергии: Du = (h2h1) – (p2v2p1v1).

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса, уравнение, устанавливающее связь между величинами, характеризующими процесс перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Так для процесса парообразования (конденсации) уравнение Клапейрона-Клаузиуса имеет вид: , где ­– наклон линии фазового перехода в координатах р, Т.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...