Методические указания и задания к выполнению контрольных работ для студентов инженерного факультета по специальностям 110301 и 110304 г. Вологда-Молочное 2011 г (стр. 2 из 17)

Для усвоения последующего материала необходимо уяснить, что теплота и работа представляют собой определенные формы энергии — тепловую и механическую, причем работа может переходить в теплоту, а теплота в работу, т. е. они взаимопревращаемы.

Работа всегда полностью превращается в теплоту, в то время как переход теплоты в работу имеет определенные ограничения даже в идеальном процессе. Взаимное превращение теплоты и работы в тепловой машине осуществляется ^с помощью рабочего тела, которое благодаря тепловому и механическому воздействию должно обладать способностью значительно изменять свой объем. Поэтому в качестве рабочего тела в тепловых машинах используется газ или пар. Усвоить, что физическое состояние рабочего тела в термодинамике определяется тремя параметрами: абсолютным давлением р(Па), удельным объемом v(м³/кг) и абсолютной температурой Т(К). Эти три параметра называются основными и связаны между собой уравнением состояния F(p, v, Т) = 0. Независимые, т. е. выбираемые произвольно - два любых параметра, а третий определяют из уравнения состояния. Например, если р и v — независимые параметры, то Т=f (р, v), где f(р, v) — функция, определяемая при решении уравнения состояния относительно зависимого параметра Т.

Для четкого понимания физической сути изучаемых закономерностей термодинамики и принципов работы различных теплотехнических устройств нужно овладеть принципом графического изображения любых процессов, включая круговые (т.е.циклы) в термодинамических диаграммах. Необходимо уяснить, что графически можно изображать только равновесные обратимые процессы и циклы, которые совершаются рабочим телом.

Во всех теплотехнических установках, в которых в качестве рабочего тела используют газ, он считается идеальным, т. е. газом, состоящим из молекул — материальных точек, не имеющих размеров и между которыми отсутствуют силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), кроме упругих соударений. Как известно из физики, такой газ подчиняется уравнению состояния Клапейрона, которое может быть записано для m кг газа (pV = mRT) и для 1 кг газа (pv =RT, где v = V/m — удельный объем газа, м³/кг).

Понятие идеального газа является научной абстракцией, моделью реального газа, дающей хорошую сходимость с практикой, когда состояние газа далеко от состояния сжижения и силы взаимодействия практически равны нулю, т.е. потенциальная энергия молекул намного меньше их кинетической Применение этой модели позволяет построить достаточно простые аналитические зависимости термодинамики, применение которых к тепловым машинам дает, как правило, приемлемую сходимость с практикой.

Для насыщенного пара, т. е. для состояния, близкого к состоянию сжижения, модель идеального газа неприемлема. В этом случае приходится применять очень сложные модели и уравнения реальных газов, в которых учитывают собственные размеры молекул, а также силы взаимодействия между ними.

При изучении материала необходимо разобрать получение уравнения состояния Клапейрона—Менделеева для 1 моля идеального газа. Важно понять различие между удельной газовой постоянной, принимающей определенное значение для каждого газа, и универсальной газовой постоянной, одинаковой для всех газов и равной R_m=8314 Дж/(Кмоль•К).

При изучении газовой смеси необходимо понять, что основным здесь является умение определять газовую постоянную смеси газов, заданной массовым и объемным составом. Знание газовой постоянной смеси позволяет при исследовании термодинамических процессов пользоваться уравнением Клапейрона так же, как и для отдельного газа.

Литература: [1], с. 5—20, 22—26, 28—32, 54—56.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите определение термодинамической системы.

2. Что такое рабочее тело?

3. Какое число независимых параметров определяет состояние рабочего тела? почему?

4. В чем состоит энергетическое воздействие внешней среды на рабочее тело?

5. Какой процесс называют термодинамическим?

6. Какие процессы называют равновесными и какие неравновесными?

7. Какие процессы называют обратимыми, а какие необратимыми?

8. Какая разница между разомкнутым термодинамическим процессом и круговым (циклом)?

9. Какой газ называют идеальным?

10. Какие известны уравнения состояния идеального газа?

11. Что такое моль газа? Что называют нормальными физическими условиями? 12. Какое соотношение между удельной газовой постоянной и универсальной газовой постоянной и в каких единицах их выражают?

13. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, заданную массовыми долями?

14. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, заданную объемными долями?

1.2 Первый закон термодинамики

Программа

Сущность первого закона термодинамики. Внутренняя энергия. Работа процесса. Графическое изображение работы в pv-диаграмме. Теплота процесса. Принцип эквивалентности теплоты и работы. Аналитическое выражение и формулировка первого закона термодинамики. Энтальпия. Теплоемкость газов. Средняя и истинная теплоемкость. Теплоемкость смеси идеальных газов. Применение первого закона термодинамики к идеальному газу. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении и при постоянном объеме. Энтропия. Вычисление изменения энтропии идеальных газов. Диаграмма Ts. Графическое изображение теплоты в диаграмме Ts.

Методические указания

Студент должен понять особенности применения в термодинамике общего закона сохранения и превращения энергии. Энергетические изменения, происходящие в термодинамической системе, определяют по изменению параметров рабочего тела, которое является объектом анализа.

Аналитическое выражение первого закона термодинамики имеет две фор-

мы:

и . Следует четко разобраться в разнице понятий „работа расширения" и „располагаемая работа" и уметь дать геометрическую интерпретацию их в диаграмме pv.

Уяснить принципиальную разницу между внутренней энергией, однозначно определяемой данным состоянием рабочего тела, а также работой и теплотой, которые появляются лишь при наличии процесса перехода рабочего тела из одного состояния в другое и, следовательно, зависят от характера этого процесса. Следует понять разницу между функцией состояния и функцией процесса.

При изучении темы необходимо разобраться с вопросом, что внутренняя энергия

функция (параметр) состояния, которая называется энтропией. Здесь этот параметр служит лишь для упрощения термодинамических расчетов, а главное позволяет графически изобразить теплоту, участвующую в процессе, в диаграмме Ts. Нужно понять, как из выражения

можно установить знак теплоты, участвующей в процессе. Знание этого вопроса поможет при пользовании Ts-диаграммой, в которой , т. е. площадь под кривой процесса в диаграмме Ts определяет в масштабе количество теплоты, подведенной к рабочему телу (если ds > 0) или отведенной от него (если ds < 0).

Уяснить, почему для всех процессов, в которых рабочим телом является идеальный газ, всегда

.

Литература: [1], с. 45—78.

Вопросы для самопроверки

1.Что такое внутренняя энергия рабочего тела?

2. Что такое теплота и работа процесса?

3. В чем сущность первого закона термодинамики?

. Что такое энтальпия и энтропия? в чем они выражаются?

. В чем разница между функцией состояния и функцией процесса?

6. Как доказать на примере идеального газа, что энтальпия и энтропия являются функциями состояния?

7. Как графически изобразить работу и теплоту процесса?

8. Что такое теплоемкость? какие существуют теплоемкости?

9. В чем разница между средней и истинной теплоемкостями?

10. Как вычислить теплоемкость смеси идеальных газов?

11. Каков физический смысл удельной газовой постоянной? в чем физический смысл уравнения Майера?

12. Как вычислить изменение энтропии идеального газа?

1.3 Второй закон термодинамики

Программа

Круговые термодинамические процессы (циклы). Прямой и обратный (обратимый) цикл Карно. Обобщенный (регенеративный) цикл Карно. Сущность второго закона термодинамики и его основные формулировки. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Изменение энтропии изолированной термодинамической системы. Максимальная работа и понятие об эксергии.

Методические указания

Непрерывное получение работы за счет подведения теплоты возможно только в цикле и невозможно в разомкнутом процессе. Поэтому следует тщательно изучить все вопросы, относящиеся к циклам, особенно к циклу Карно, который имеет большое значение в термодинамике, так как с его помощью выводят все аналитические зависимости, относящиеся ко второму закону термодинамики, а формула для к. п. д. этого цикла, по существу, является "техническим выражением существа второго закона термодинамики в применении к тепловым машинам.