Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Теоретические основы теплотехники: Учебное пособие

Голосов: 4

В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена и теории горения), составляющие необходимый и достаточный объем информации для того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен отдельными, сравнительно небольшими дозами, структурированность и последовательность изложения которых диктуется внутренней логикой названных наук. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Энергообеспечение предприятий". Может быть использовано студентами других специальностей при изучении ими дисциплин теплотехнического профиля.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
        Подставим теперь это значение в формулу (1.22) и после простейших преобразований получим
важную формулу, которая позволяет определить теплоемкость любого процесса через табличную теп-
лоемкость сv, характеристики газа (производная (∂p/∂T)v) и особенности процесса (производная dv/dT):
                                                                                        ∂p  dv
                                                                            c = cv + T           .    (1.23)
                                                                                        ∂T  v dT
Для процесса при p = const, например, эта формула принимает вид
                                                           ∂p   ∂v 
                                             c p = cv + T             .
                                                           ∂T  v  ∂T  p


                     1.1.12 Уравнение Майера и другие свойства идеального газа

                                                                Многие великие истины были вначале кощунством
                                                                                                       Б. Шоу

                                                В
ыражая значения р и v из уравнения состояния идеального газа и дифференцируя эти выражения, най-
дем значения производных, входящих в предыдущую формулу:
                                             ∂p                  ∂v
                                         ;   = ⋅1 ; v =    ;   = ⋅1 .
                                      RT            R     RT            R
                                 p=                              
                                       v    ∂T  v v      p    ∂T  p p
Подставляя в нее полученные значения, находим
                                         c p = cv + T ( R / v ) ( R / p ) = cv + R .
     Связь между сp и сv для идеального газа и называют уравнением Майера, отмечая тем самым боль-
шой вклад этого ученого в развитие термодинамики.
     Покажем далее, что внутренняя энергия (как и другие характеристические функции) идеального га-
за зависит только от температуры. Ранее мы показали, что
                                         ∂u    ∂p        ∂p    R
                                          =T       −p и      = .
                                         ∂v T  ∂T  v     ∂T  v v

Значит (∂u/∂v)T = T(R/v) – p = 0, т.е. u не зависит от v. Далее, записав

                                          ∂u   ∂u ∂v         ∂v 
                                           =
                                          ∂p   ∂v ∂p  = 0 ⋅  ∂p  = 0 ,
                                                                
                                          T          T       T

убеждаемся, что u не зависит и от р, поскольку (∂v/∂p)T не равно бесконечности.
    Таким образом мы убеждаемся, что u = f (Т).
    Формула (1.21) с учетом равенства нулю производной (∂u/∂T)v для идеального газа дает простое со-
отношение

                                                         du = cv dT.

    Мы показали, что сv = (∂u/∂T)v, а с учетом зависимости u = f (Т) это дает cv = f (T), т.е. теплоемкость
сv идеального газа зависит тоже только от температуры и не зависит от других параметров.
    Аналогичный анализ, проводимый с уравнением первого закона термодинамики, записанным через
h (формула (1.12)), позволяет получить зависимости:

                                       h = f (T); cp= f (T); dh = cp dT.

                              1.1.13 Формулы для вычисления энтропии

                                                В
о многих случаях исключать энтропию s из рассмотрения нецелесообразно. Поэтому следует научиться
рассчитывать изменение энтропии за процесс и энтропию любого состояния газа.
    Запишем формулы для расчета dq:


                                                 dq = T ds , dq = c dT ,


откуда найдем, приравнивая правые части, ds = c dT / T. Подставим сюда значение с по формуле (1.23):

                                             ∂p  dv  dT       dT  ∂p 
                                ds = cv + T              = cv   +     dv .
                                             ∂T  v dT  T      T  ∂T  v


   Чтобы найти изменение энтропии за некоторый процесс 1-2, следует проинтегрировать полученное
выражение от начала до конца процесса
                                                        к            к
                                                             dT      ∂p 
                                          S2 − S1 = ∫ cv        + ∫      dv .
                                                        н
                                                             T    н  ∂T  v


Но, чтобы выполнить такое интегрирование, в общем случае нужно знать зависимость сv = f (Т, v) и
уметь определять значение частной производной (∂u/∂T)v для данного газа. Обычно, это весьма слож-
ные зависимости и интеграл в квадратурах определить невозможно. Его находят, прибегая к численно-
му интегрированию и привлекая сведения о теплоемкости и термических коэффициентах, полученные
экспериментально.
     Указанные трудности преодолеваются, когда речь идет об идеальном газе, так как в этом случае сv =
f (Т) и (∂p/∂T)v = R/v. Тогда


                                                                               T2         v
                                                                                      dT 2 dv                    T2      v
                                                                  S 2 − S1 =   ∫ cv     + ∫R   = cvm                + Rln 2   .   (1.24)
                                                                                                       t2
                                                                                                       t1   ln
                                                                               T1
                                                                                      T   v
                                                                                             v                   T1      v1
                                                                                          1




Чаще всего за s0 = 0 принимается энтропия состояния, соответствующего нормальным физическим ус-
ловиям: Т0 = 273 К, p0 = 1,012⋅105 Па. Если теперь интегрирование проводить от состояния с параметра-
ми Т0, v0 и s0 до некоторого текущего состояния с параметрами Т, v и s, то получим формулу для расчета
условного абсолютною значения энтропии

                                                                                T         v
                                S = cvm t0 lnT   T
                                                 T0   + R lnv v0 = cvm 0 ln
                                                              v
                                                                       t
                                                                                   + R ln      .
                                                                                T0        v0


    Если в формуле (1.24) отношения Т2/Т1 и v2/v1 последовательно заменить величинами, найденными
с помощью уравнения состояния



                                T2 p2 v2 R  p v                   v2 RT2 p1    p T
                                   =       = 2 2              ,      =       = 1 2             ,
                                T1   R p1v1 p1 v1                 v1   p2 RT1 p2 T1




то получим еще две формулы, справедливые для любых процессов с идеальным газом



                                      p v         v          p          v        v
                          ∆s = cvm ln  2 2  + R ln 2 = cvm ln 2 + cvm ln 2 + R ln 2 =
                                       p v 
                                       1 1        v1          p1        v1       v1


                                            p2                v          p           v
                                = cvm ln       + (cvm + R ) ln 2 = cvm ln 2 + c pm ln 2        ,
                                            p1                v1          p1         v1




                                      T            p T                T         p       T
                          ∆s = cvm ln  2
                                      T     + R ln  2 2
                                                     p T       = cvm ln 2 + R ln 1 + R ln 2 =
                                                                
                                       1            1 1               T1       p2       T1




                                                       T2       p           T        p
                                  = (cvm + R ) ln         − R ln 2 = c pm ln 2 − R ln 2    .
                                                       T1        p1         T1        p1
                          1.2 ИДЕАЛЬНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
                                  ПРОЦЕССЫ И ЦИКЛЫ

                                      1.2.1 Политропные процессы

                          И тут все поняли, что это настоящая принцесса
                                                                                                   Г. Х. Андерсен

                                                П
олитропными называют процессы, которые протекают в соответствии с уравнением
                                          pv n = const ,


где n – показатель политропы (–∞ < n < ∞), который определяется на основании сведений о параметрах
в начале и конце процесса, полученных непосредственными измерениями. Величина n в течение каждо-
го конкретного процесса остается постоянной. Для идеального газа       p = RT/v и v = RT/p. Подстав-
ляя эти значения в предыдущую формулу, после простейших алгебраических преобразований получаем
еще две формы уравнения политропы:
                                                                              n
                           RT n                               RT    1− n n
                              v = const → Tv n−1 = const ; p 
                                                              p  → p T = const .
                                                                  
                            v                                    
    В логарифмической метаморфозе уравнение политропы pvn = const представляет собою прямую ли-
нию. Действительно, после логарифмирования получаем ln p + n lnv = ln const , или, вводя новые перемен-
ные X = lnv и          Y = lnp, приходим к линейной зависимости Y + nX = const . На рис. 1.16 показано
протекание политропного процесса в координатах lnp и lnv. Угловой коэффициент этой прямой и выра-
жает собой величину показателя политропы n. Уравнение политропы справедливо для любого состоя-
ния в течение процесса, включая точки начала и конца процесса. Поэтому можно записать p1v1n = p2 v2 n ,
откуда находим формулу для расчета n:
                                                                                      p
                                                  n                                ln 1
                                  p1  v2                  p         v          p2
                                    =               , ln  1  = n ln  2
                                                           p          v    →n=
                                                                                       .
                                  p2  v1
                                     
                                              
                                                           2          1         v
                                                                                   ln 2
                                                                                     v1
Аналогичным образом можно получить формулы для расчета n и из двух других уравнений политропы.
       lnp
     термодинамический             Особую важность и значимость политропные процессы имеют по-
           1 процесс           тому, что с их помощью можно описать и рассчитать любой сколь
             n1
           Рис. 1.17 Сложный угодно сложный термодинамический процесс, заменяя его рядом по-
            A n2 B
                    n3         следовательных политропных процессов. На рис. 1.17 в логарифмиче-
                   C n3
                         2     ских координатах изображен сложный термодинамический процесс,
                               который представляется некоторой кривой линией. Любую кривую
                        lnv    можно аппроксимировать некоторой ломаной, состоящей из отрезков
                               прямых. Но каждый такой отрезок изображает один из политропных
                               процессов со своим показателем политропы. Научившись рассчиты-
                               вать характеристики политропного процесса, мы тем самым получим
инструментарий для расчета сложных процессов. В нашем примере можно записать


                                                 l1−2 = l1− A + l A− B + l B −C + lC −2 .

    Получим теперь формулу для расчета работы за процесс, интегрируя выражение для элементарной
работы
                                                                  2       2
                                                        l1− 2 = ∫ dl = ∫ p dv .
                                                                  1       1
    Чтобы проинтегрировать это выражение, заменим параметр р, выразив его через v из уравнения по-
литропы p = const / vn, где величину константы можно определить через параметры начала и конца про-
цесса p1v1n = const или p2v2n = const. Подстановка значения р в подынтегральное выражение приводит нас
к простому степенному интегралу. Выполняем интегрирование и простейшие преобразования
                                          v2                     v2
                                            const                           1
                                          ∫ v n dv = const ∫ v dv = const − n + 1 v v12 =
                                                              −n                   − n +1 v
                                l1− 2 =
                                          v1               v      1

                            1                                          1
                        =        (const v2 n +1 − const v1− n +1 ) =
                                         −
                                                                             ( p2 v2 v2 n +1 − p1v1n v1− n +1 ) =
                                                                                   n −
                          − n +1                                     − n +1
                                                        1
                                                    =        ( p1v1 − p2 v2 ).
                                                      n −1

    Заменяя произведения p1v1 и p2v2 выражениями RТ1 и RТ2, соответственно, получим еще одну про-
стую формулу
                                                                  R
                                                       l1− 2 =        (T1 − T2 ) .
                                                                 n −1
    Тепло за процесс определяем, интегрируя выражение для элементарно малого количества тепла, за-
писанное через теплоемкость
                                                                      2
                                                          q1− 2 = ∫ cпол dT      ,
                                                                      1
где спол – теплоемкость исследуемого политропного процесса. Чтобы найти эту величину, запишем
формулу (1.23) для политропного процесса, учитывая, что при этом производная dv/dT станет частной
                                                                                                     ∂p   ∂v 
                                                                                      cпол = cv + T             .                  (1.25)
                                                                                                     ∂T  v  ∂T  пол

Частную производную (∂p/∂T)v для идеального газа мы уже находили, она равна R/v. Чтобы найти част-
ную производную (∂v/∂T)пол, прологарифмируем, а затем продифференцируем уравнение политропы,
связывающее параметры v и Т:
                                                                                     d полT          d v
                        Tv n−1 = const ; ln T + (n − 1)ln v = ln const →                    + (n − 1) пол = 0 .
                                                                                        T              v
Из последней формулы находим
                                                        ∂v      v 1
                                                            =−         ,
                                                        ∂T  пол T n −1
и, подставляя эти выражения в формулу (1.25), получаем
                                                                              R  v 1             R          c p − cv      n−k
                                                        cпол = cv + T           −        = cv −      = cv −          = cv        ,   (1.26)
                                                                              v  T n −1         n −1          n −1        n −1

где k = cp / cv – показатель адиабаты данного газа.
     Из полученной формулы видно, что в каждом конкретном процессе (значение n имеет некоторую
конкретную величину) величина cпол зависит только от свойств газа и в течение процесса остается по-
стоянной. Политропный процесс – это процесс, в котором теплоемкость постоянна, и часто это его
свойство и кладется в основу его определения. На рис. 1.18 приведена зависимость величины cпол от пока-
зателя политропы n, построенная на основании формулы (1.26). Отметим, что при n = 0 cпол = ср, при n = ∞
cпол = cv, а при n = 1 функция имеет разрыв и величина cпол стремится к ±∞.
     Теперь нетрудно и проинтегрировать выражение cпол dT, чтобы получить формулу для расчета тепла
за процесс


                                               T2
                                                                                    n−k
                                     q1− 2 =   ∫ cпол dT = cпол (T2 − T1 ) = cv     n −1
                                                                                         (T2 − T1 ) .
                                               T1

    Для расчета изменений внутренней энергии, энтальпии и энтропии за процесс используем получен-
ные ранее формулы, справедливые для любых процессов с идеальным газом:
                                                                                            p2          v
                             ∆u = cvm (T2 − T1 ) ; ∆h = c pm (T2 − T1 ) ; ∆s = cvm ln          + c pm ln 2   .
                                                                                            p1          v1


                                     1.2.2 Анализ политропных процессов

                                                               П
окажем сначала, что все простые процессы, которые изучались в курсе физики (изобарный, изохорный,
изотермический и адиабатический) являются частными случаями политропного процесса. Действитель-
но, при n = 0 из формулы pvn = const получаем pv0 = const или                  p = const, т.е. уравнение изобарного
процесса. При n = 1 получаем                   pv = const или RT = const, откуда следует, что T = const. Если значе-
нию n придать величину k, то получаем уравнение адиабаты pvk = const. При n = ±∞ получаем уравне-
ние изохоры, если представим предварительно формулу pvn = const в виде p1/nv = const1, p0v = const1, v =
const1.
    Указанная особенность всех частных процессов позволяет рекомендовать для расчета l, q, ∆u, ∆h, ∆s
те же формулы, которые были получены нами в предыдущем параграфе. Исключение составляет изо-
термический процесс, для которого формулы для l и q дают неопределенность. Учитывая, что при T =
const ∆uТ = 0 и ∆sT = R ln ( v2 / v1 ) , находим lT = qT = T ∆sT .
    Изобразим все частные термодинамические процессы на р–v и Т–s диаграммах (см. рис. 1.19).
        р 5 7                   T             9 2
                                                            Графически уравнение pvn = const на р–v координатах в
                9                          7           общем случае изображается в виде неравнобокой гипербо-
                                         n=k      n=0
                                                       лы, проходящей тем круче, чем больше значение n. В част-
                  n=0 2           5         1   n=1
         3    1     n=1                            4   ных случаях эта гипербола может вырождаться в прямую
                       4       3                       линию.
          n=∞      n=k 6                 n=∞
                                8                           Изобара (n = 0) на р–v диаграмме изобразится отрезком
                8                          6
                       v                             s горизонтальной прямой. При этом возможны процессы с
        Рис. 1.19 Политропные процессы увеличением объема (процесс 1–2) или с его уменьшением
                      T                                (процесс 1–3). Чтобы понять, как изобразится изобара на Т–
s координатах, найдем вид функции T = f (s), воспользовавшись одной из формул для расчета энтропии
                                                                    T        p
                                                      s = c pm ln      − Rln        .
                                                                    T0       p0
                                                     T              s          T
Для изобары при p = p0 получаем s = c pm ln               или           = ln        и после потенцирования находим ехр(s/cpm)
                                                     T0          c pm          T0
= Т/Т0, откуда T = Т0 ехр(s/cpm).
     Последняя формула свидетельствует, что изобара на Т–s координатах представляет собой отрезок
экспоненты. В процессе 1–2 увеличивается объем газа, значит растет и температура (это следует из от-
ношения Т1/v1 = Т2/v2, которое легко получается из формулы Tvn-1 = const при n = 0 и которое называют
законом Гей-Люсака). В процессе 1–3 температура наоборот, уменьшается.
     Изотермический процесс в р–v координатах изобразится равнобокой гиперболой (процессы 1–4 и 1–
5), а на Т–s диаграмме – отрезком горизонтальной прямой. В процессе 1–4 l > 0. Поскольку при этом
внутренняя энергия газа не меняется ( ∆u = cvm ∆T = 0 ), то из первого закона термодинамики следует, что
dT q = dT l, т.е. в процессе 1–4 q > 0 и значит это процесс с увеличением энтропии, идущий слева напра-
во. Процесс 1–5 идет в противоположном направлении.
     В адиабатных процессах, идущих без теплообмена с окружающей средой, энтропия газа не меняет-
ся, и на Т–s координатах этот процесс изображается отрезком вертикальной прямой. На р–v диаграмме
этот процесс изображается неравнобокой гиперболой, проходящей несколько круче, чем изотерма (n =
1,0). Из первого закона термодинамики для этого процесса получаем соотношение ∆u = −l . В процессе
1–6 l > 0, значит ∆u < 0 и температура газа уменьшается. Процесс сжатия 1–7, наоборот, протекает с
увеличением Т.


    На р–v координатах изохора представляет собой отрезок вертикали. Можно доказать, что на Т–s
диаграмме она представляет собой тоже отрезок экспоненты, проходящей несколько круче, чем изоба-
ра.         В процессе 1–8 давление газа уменьшается. Из соотношения p1/T1 = p2/T2, которое вытекает из
объединенного закона газовых состояний рv/T =       = const, следует, что в этом процессе уменьшается
и температура. Процесс 1–9 идет, наоборот, с подводом тепла и увеличением температуры.
    В результате проведенных построений p–v и T–s диаграммы разбились на отдельные зоны, что по-
зволяет достаточно просто изображать процессы с некоторыми промежуточными значениями n. Напри-
мер, процесс расширения с показателем политропы n = 0,5 будет на обоих диаграммах проходить в зоне
между процессами 1–2 и 1–4.
   Сопоставление расположения кривых на обоих диаграммах позволяет сделать ряд заключений:
     1 Все множество политропных процессов можно разделить на две группы – правее и ниже начальной
изохоры (изохоры, проведенной через точку 1 начала процесса) проходят процессы с совершением работы,
левее и выше – процессы, в которых работа подводится к рабочему телу. Это называют обычно правилом
изохоры и графически отображают так, как показано на рис. 1.20. В подтверждение названного правила,
                                   заметим, что процессы 1–2, 1–4, 1–6 (см. рис. 1.19) идут с совершением
          p             T
                        l<0        работы, что определяется свойством p–v диаграммы. Все указанные
         l < 0 1• l > 0     1•     процессы на T–s координатах проходят действительно правее и ниже
                               l>0
                                   начальной изохоры 8–1–9.
                     v           s     2 С точки зрения изменения давления газа все политропные про-
                                   цессы можно разбить на две группы: те из них, которые протекают ле-
           Р      1 20 П           вее и выше начальной изобары, сопровождаются повышением давления,
а процессы, проходящие правее и ниже – сопровождаются уменьшением давления газа, что и составляет
правило изобары.
     3 Можно выделить другие две группы политропных процессов – правее и выше начальной адиаба-
ты протекают процессы с подводом тепла, а левее и ниже – с отводом тепла от рабочего тела, в чем и
состоит правило адиабаты. Действительно, процессы 1–9, 1–2, 1–4, как это следует из свойств T–s диа-
граммы, протекают с подводом тепла. Все они на p–v координатах проходят действительно правее и
выше начальной адиабаты 7–1–6.
     4 Правило изотермы звучит так: все процессы делятся на две группы, из них те, которые проходят
правее и выше начальной изотермы, сопровождаются повышением температуры, если же они идут ле-
вее и ниже, то температура газа уменьшается.
     Каждое из этих правил можно представить и графически. Первые два из них наделяют T–s диаграмму
свойствами p–v координат, позволяя по изображению процесса на T–s диаграмме делать заключения о ха-
рактере процесса (расширение или сжатие) и изменении давления в процессе.
     Правила изотермы и адиабаты наделяют p–v диаграмму свойствами тепловой, позволяя только по
изображению процесса на ней ответить на вопросы об изменении температуры и направлении теплообме-
на.
     В заключение отметим, что в политропных процессах в зависимости от величины n может сущест-
венно изменяться картина перераспределения видов энергии при их трансформации. В отдельных слу-
чаях           (1 < n < k) количество получаемой работы может оказаться даже большим, чем количество
подведенного тепла, так как часть работы получается за счет уменьшения внутренней энергии. Тепло-
емкость cпол при этом отрицательна. Более подробный анализ этого вопроса приводится в учебниках [4],
[5], [6].
                                       1.2.3 Общие понятия о циклах

    олучать неограниченно много механическую работу в одиночном процессе невозможно, поскольку
П это связано с расширением рабочего тела и выравниванием потенциалов в среде и системе. Поэтому
на практике работу получают отдельными порциями при совершении замкнутых круговых процессов или
циклов. Термодинамический цикл – это ряд последовательных термодинамических процессов, в резуль-
тате которых система приходит к первоначальному состоянию. Цикл можно повторять неограниченное
число раз, и каждый раз получать порцию работы или другого нужного эффекта.
     Циклы, у которых на p–v диаграмме процессы расширения проходят выше чем процессы сжатия, назы-
вают тепловыми. Они составляют основу тепловых двигателей. Здесь за счет подводимого извне тепла сис-
тема совершает работу над средой (см. рис. 1.21). Работа за цикл lц определяется разницей между работой
lр в процессах расширения и работой lc в процессах сжатия lц = lp – lc = Fa123b –        – Fb341a = Fц. За
цикл ∆uц = u2 − u1 = 0 и из первого закона термодинамики следует, что lц = qц. В тепловых циклах lц > 0 и


qц > 0. На T–s диаграмме этот цикл (в общем виде) показан на рис. 1.22. Отметим: чтобы реализовать
подвод тепла к рабочему телу, необходим источник тепла с температурой выше, чем температура в
процессах подвода. Цикл невозможен без процессов с отводом тепла, и для их реализации в среде дол-
жен находиться приемник тепла с температурой ниже, чем температуры рабочего тела в процессах от-
вода. Таким образом, при совершении тепловых циклов система получает из окружающей среды тепло
q1, часть ее трансформирует в работу и отдает среде, а другую часть q2 полученного тепла отдает при-
емнику тепла, тоже находящемуся в окружающей среде. Осуществление цикла приводит к перераспре-
делению видов энергии во внешней среде. Отметим формальный признак тепловых циклов: на обоих
диаграммах они идут по часовой стрелке. Эффективность тепловых циклов оценивают величиной тер-
мического КПД, который представляет собой отношение полезного эффекта к затратам на ее достиже-
                     T                       ние:
       p 1                                   q2
                                                   Тп   приемник
                                     1                                                               l  q −q     q
                                              4                                                 ηt = ц = 1 2 = 1− 1 .
                     4                                                                               q1   q1     q2
               -lц                       2        q1 3 источник
           2                 3                     Если процессы расширения проходят ниже, чем про-
                                                     Ти
       a                 b       v         s   цессы сжатия, то мы получаем другой цикл. Его называ-
                                               ют холодильным. У таких циклов lц = lp – lc = Fц < 0, т.е.
          Рис. 1.23 р–v и Т–s диаграммы        для реализации холодильного цикла к системе необхо-
                                               димо подводить механическую работу. При этом естест-
венно и qц < 0, т.е. за цикл тепла отводится больше, чем подводится его к рабочему телу. Подвод тепла
здесь проводится при более низкой температуре, поэтому температура источника тепла тоже невысока.
Отвод тепла, наоборот, осуществляется при более высоких температурах и поэтому температура при-
емника тепла всегда выше, чем температура источника. Таким образом, осуществление холодильного
цикла позволяет за счет подводимой извне работы переносить тепло с нижнего температурного уровня
на верхний, т.е. совершать процесс, противоположный естественному направлению (от горячего к хо-
лодному) переноса тепла. Холодильные циклы идут против часовой стрелки, на их основе работают два
типа машин разного назначения. р–v и Т–s диаграммы такого цикла приведены на рис. 1.23.
     Если источник тепла мал, а приемник достаточно велик, то реализация цикла приведет к захолажи-
ванию источника. Так работают холодильные машины. Эффективность холодильных машин оценивают
величиной холодильного коэффициента ε, который определяют тоже как отношение полезного эффекта
q1 к затратам lц:
                                                                        q1         q1
                                                                   ε=        =              .
                                                                        lц       q1 − q 2
Отметим, что в отличие от ηt, который всегда меньше 1,0 (это мы докажем в следующих параграфах),
величина ε всегда больше 1,0 и, чем она больше, тем совершеннее холодильная машина.
    Если же источник тепла неограничен, а приемник тепла невелик, то осуществление цикла приведет
к нагреванию приемника. Так работает машина, которую называют тепловым насосом. Ее эффектив-
ность оценивается теплонасосным коэффициентом
                                       Κ = q2 lц = q2 (q1 − q2 ) .
    Укажем на сравнительно простую конвертируемость холодильной машины в тепловой насос, для
этого достаточно поменять местами источник и приемник тепла.
                                   1.2.4 Цикл и теорема Карно

                                             Совершенство – это завершенность,
                                             а завершенность – это смерть
                                                                                                                        С. Паркинсон

   икл Карно – это теоретически наиболее эффективный термодинамический цикл. Естественно, что он
Ц должен состоять из самых эффективных, с точки зрения получения работы, процессов. Самым эко-
номичным в этом плане является адиабатический процесс – в нем работу получаем за счет внутренней
энергии, не подводя совершенно тепла извне. Однако из одних адиабат цикл создать невозможно, по-
скольку необходимы процессы с подводом и отводом тепла. Из процессов с теплообменом самым при-
влекательным является изотермический процесс, в нем все подводимое тепло трансформируется в рабо-
ту (если газ идеальный).


    Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. Подвод и отвод тепла здесь осуществляется
изотермически, а адиабаты служат для того, чтобы замкнуть цикл (см. рис. 1.24). Из рисунка видно, что
это единственный цикл, который можно осуществить обратимым способом, подбирая Ти и Тп так, чтобы
они отличались от Т1 и Т2, соответственно, на бесконечно малые величины.
    Осуществить физически цикл Карно очень трудно, практически невозможно, поскольку это требует
так соразмерить темп подвода тепла и темп расширения системы, чтобы увеличение температуры, вы-
званное подводом тепла, компенсировалось бы ее уменьшением при расширении. Те же затруднения с
изотермическим отводом тепла. Кроме того, дважды за цикл систему необходимо теплоизолировать и
дважды снимать эту изоляцию.
    Если цикл Карно направить против часовой стрелки, то получим наиболее эффективный холодиль-
ный цикл. Его называют обратным циклом Карно.
    Найдем теперь КПД цикла Карно

                                                      q2      T ∆s         T                            p
                                          ηtk = 1 −      = 1 − 2 3 −4 = 1 − 2                               1
                                                      q1       T1∆s1−2     T1
и подчеркнем, что КПД цикла Карно зависит только от температуры и не зависит от рода рабочего dq = 0
                                                                                                      4
тела. Этот вывод, который непосредственно следует из полученной формулы, составляет первую
часть теоремы Карно. Во второй части этой теоремы утверждается, что КПД цикла Карно является         T2

       T циклов           наибольшим для любых циклов, протекающих в заданном температур-
         1    B      2
            Сопоставление ном интервале Ти … Тп. Чтобы убедиться в этом, сопоставим на Т–s коор- Рис
        A             C   динатах некоторый произвольный цикл и цикл Карно, осуществляемый в
        4             3   тех же пределах изменения температуры и энтропии (см. рис. 1.25). Заме-
               D
                          тим, что q1k > q1 на величину заштрихованной влево площади FA1B2CBA, а q2k
                     s
           Рис. 1.25      < q2 на величину площадок, заштрихованных в противоположном направ-
                          лении FA4D3CDA. С учетом этого сопоставление формул для КПД
                                                                               q2 k           q
                                                                    ηtk = 1−        и ηt = 1 − 2
                                                                               q1k            q1
позволяет сделать заключение о том, что ηtk > ηt . Отношение площади реального цикла к площади цикла
Карно на Т–s диаграмме называют коэффициентом заполнения цикла, и по его величине судят о степени
совершенства реального цикла.
    Проведенные сопоставления позволяют дать еще одну формулировку второго закона термодинами-
ки: термический КПД любого реального цикла не может достигать величины 1,0. Обычно это называют
невозможностью осуществления вечного двигателя второго рода. Действительно, даже у цикла Карно
термический КПД меньше 1,0, поскольку величина Т2 не может быть равно нулю, а величина Т1 – бес-
конечно большой. По теореме Карно ηtk > ηt значит для любого цикла, даже не учитывая потерь работо-
способности от необратимости, будем иметь
                                                   ηt < 1,0 .


                1.2.5 Потери работоспособности, коэффициент качества теплоты

   рактически все наши предыдущие рассуждения, выводы и расчетные формулы относились только к
П равновесным процессам и не учитывали потерь работоспособности и деградации энергии из-за необ-
ратимости реальных процессов.
    Максимальная работа, которую может совершить система при обратимых процессах, как это было
показано ранее, определяется уменьшением эксергии рабочего тела

                                              dlmax = −de = −d (h − T0 s ) .
Интегрирование этого выражения для процесса, в котором параметры рабочего тела изменяются от p1,
v1, T1 (состояние 1) до p2, v2, T2 (состояние 2) дает

                              lmax = (h1 − h2 ) + T0 ( s2 − s1 ) = (h1 − h2 ) − T0 ( s1 − s2 ) .


Из формулы видно, что lmax определяется только состояниями рабочего тела и не зависит от характера
тех процессов, которыми система перейдет из состояния 1 в состояние 2.


    Ранее мы доказали, что при необратимых процессах изменение энтропии включает в себя дополни-
тельно положительную величину ∆s, которая возникает в результате преодоления внутреннего сопро-
тивления системы. Значит наибольшая полезная работа, которую может отдать система при совершении
необратимого процесса, переходя из состояния 1 в состояние 2, будет

                                             l = (h1 − h2 ) − T0 ( s1 − s2 + ∆sн ) ,


где ( s1 − s2 + ∆sн ) – полное изменение энтропии в необратимом процессе. Потеря работоспособности в
результате необратимости определится разностью ∆l = lmax − l .
    Подставляя значения lmax и l, получаем

                          ∆l = (h1 − h2 ) − T0 ( s1 − s2 ) − (h1 − h2 ) + T0 ( s1 − s2 + ∆sн ) = T0 ∆sн .


Задача определения ∆sн решается отдельно для каждого конкретного процесса в зависимости от его
особенностей. Величина ∆sн тем больше, чем выше степень необратимости процесса, определяемая ве-
личиной разности потенциалов.
    Для необратимых процессов расширения или сжатия без внешнего теплообмена величину ∆sнм оп-
ределяют через работу трения lтр, которая практически вся трансформируется в тепло трения qтр, доста-
точно просто измеряемое опытным путем,

                                                       ∆sнм = q тр /Tcр ,
где Tср – средняя за процесс температура. В процессах теплообмена без механических взаимодействий
величину ∆sнт определим, рассуждая следующим образом. Максимальную работу тепла q, передаваемо-
го при температуре T1 можно получить, если совершить цикл Карно в температурном интервале от Т1 до
Т0. Величина этой работы


                                                                               lmax1 = qηt = q (1 − T0 / T1 ) .   (1.27)
   Аналогично найдем максимальную работу того же количества тепла при температуре T2
                                                      lmax 2 = q ηt = q (1 − T0 / T2 ) .                          (1.28)

    Потери работоспособности в результате совершения неравновесного процесса, в котором темпера-
тура изменилась от Т1 до Т2, будет

                          ∆l = lmax1 − lmax 2 = q (1 − T0 / T1 − 1 + T0 / T2 ) = q (T0 / T2 − T0 / T1 ) .


С другой стороны, мы показали, что ∆l = T0 ∆sнт . Приравнивая правые части приведенных формул, полу-
чаем

                                                   ∆sнт = q (1 / T2 − 1 / T1 ) .


Из формулы видно, что величина ∆sнт тем больше, чем больше отличаются друг от друга значения Т1 и
Т2. При совершении сложных процессов, сопровождающихся и изменениями объема, и теплообменом
величину ∆sн находят суммированием
                                         ∆sн = ∆sнм + ∆sнт .


    Обращая внимание на формулы (1.27) и (1.28), можно сделать вывод о том, что ценность тепла за-
висит только от температуры, при которой оно подводится или отводится, и чем ближе эта температура


к температуре Т0, тем меньшую долю тепла можно преобразовать в работу. При T = T0 тепловая энергия
совсем не обладает запасом работоспособности, т.е. полностью деградирует.
    Величину (1 – Т0/Т), которая показывает, какая доля тепла при температуре Т может быть транс-
формирована в работу в реальных условиях, называют коэффициентом качества теплоты. Анализ, в ко-
тором учитывается качество теплоты и потери работоспособности, называют эксергетическим анали-
зом. Результаты такого анализа всегда являются более точными и информативными, чем при обычном
энергетическом анализе. В монографиях [7] и [8] мы найдем подробное изложение методов эксергети-
ческого анализа для многих технических устройств. Для примера определим эксергетический коэффи-
циент эффективности холодильных машин
                                                  q1  T0       T 
                                         ε ex =      1 −  = ε 1 − 0  .
                                                      T        T 
                                                  lц     1        1 

Поскольку Т1 и Т0 различаются незначительно, то abs (1 − T0 / T1 ) << 1 и поэтому величина ε ex всегда меньше
1,0. Когда же мы не учитывали качества теплоты, то получали трудно воспринимаемый результат ε > 1 .
                          1.3 ТЕРМОДИНАМИКА РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

                                          1.3.1 Реальные газы

   точки зрения молекулярно-кинетической теории, твердая, жидкая и газообразные фазы вещества от-
С личаются, в основном, плотностью компоновки молекул, расстояниями между ними. Чем ближе мо-
лекулы друг к другу, тем плотнее вещество. К реальным газам относят любые конкретные газы (кисло-
род, водород и т.д.) или их смеси, которые находятся в таких состояниях, когда расстояния между моле-
кулами сравнительно малы и поэтому заметно проявляются силы межмолекулярного взаимодействия,
объем самих молекул соизмерим с объемом пространства, занимаемым этим газом.
    Непрерывность газообразных и жидких состояний вещества опытным путем впервые была обнару-
жена Эндрюсом (1869 г.), который сжимал изотермически углекислый газ при разных его температурах.
Было установлено, что при достаточно высоких температурах Т, больших некоторой Ткр, сжижение газа
вообще невозможно (см. рис. 1.26, изотерма Т1) и чем выше Т, тем точнее состояния газа описываются
уравнением Клапейрона-Менделеева. При Т < Ткр в процессе изотермического сжатия сначала растут
давление и плотность газа, но при достижении некоторого давления (его называют давлением насыще-
ния pн) рост давления прекращается, возникают центры конденсации, в которых выделяется жидкость.
Возникает двухфазная смесь, по мере сжатия которой доля жидкости растет до тех пор, пока не завер-
шится полная конденсация газа (изотермы Т2 и Т3 на рис. 1.26). Интенсивность этих процессов умень-
шается с уменьшением температуры Т, но сами они протекают идентично.
      Основную проблему составляет определение уравнения состояния реальных газов, ибо наличие
такого уравнения позволяет определять значения различных частных производных, необходимые при
расчете теплоемкостей, энтропии, энтальпии и других термодинамических характеристик. В общем
случае такое уравнение должно описывать состояния вещества в любой его фазе, однако обычно удов-
летворяются описанием жидкого и газообразного состояний.
    Простейшим и исторически одним из первых таких уравнений является уравнение Ван-дер-Ваальса
(1873 г.), полученное автором аналитически на основании молекулярно-кинетической теории,
                                          ( p + a / v 2 )(v − b) = RT ,
       2
где a/v – добавочное давление, возникающее из-за силового взаимодействия между молекулами; а и b –
некоторые константы, определяемые экспериментально для каждого конкретного газа, причем величина
b характеризует суммарный объем самих молекул. Относительно параметра v это уравнение является
полным кубическим уравнением и в зависимости от величины параметров р и Т может давать различ-
ные решения. Графически эти решения можно интерпретировать сеткой изотерм на р–v диаграмме, ко-
торые удовлетворительно соответствуют Эндрюсовским изотермам в области газа и жидкости.
    Уравнение Ван-дер-Ваальса лишь в первом приближении описывает состояния реального газа и не
применимо для практических расчетов из-за недостаточной точности получаемых результатов. Поэтому
физиками предлагались все более сложные уравнения для этой цели, отличающиеся разной степенью
универсальности и числом определяемых экспериментально констант. В начале прошлого века была,
наконец, понята бесперспективность этого направления и предложено          (а затем и стандартизирова-
но) уравнение состояния в виде



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика