Почему в качестве рабочего тела в тепловых двигателях используют газы и пары
Термодинамика (от гр. Therme – тепло и dinamikos - силовой) – наука о соотношении между теплом, работой и физико-химическими свойствами систем.
Система – любая совокупность материальных тел внутри заданных границ. В общем случае система взаимодействует с окружающей средой.
Термодинамика как самостоятельная наука выделилась из физики с середине 19 века.
Раздел термодинамики, главной проблемой которого является превращение тепловой энергии в механическую, называется – Технической термодинамикой, а машины используемые для этой цели – тепловыми двигателями.
Типы тепловых двигателей:
1. Паровые турбины (ТЭЦ, морские суда)
2. Паровые машины (Вытеснены другими)
3. Двигатели внутреннего сгорания /д. в. с./ (Транспорт)
4. Газовые турбины (Небольшая мощность)
5. Реактивные двигатели (Для больших скоростей)
Для всех тепловых двигателей необходимо затрачивать тепло.
80 % получаемой энергии человечество получает за счет сжигания топлива.
На очереди стоит применение регулируемой термоядерной реакции.
Преобразование тепловой энергии в электрическую непосредственно:
ТЭГ – термоэлектро генератор
ТИГ – термоионный генератор
МГДГ – магнитогидравлический генератор
ХЭГ – химикоэлектро генератор
Другой проблемой технической термодинамики является проблема получения холода за счет затраты работы. Такие машины называются холодильниками.
Методы исследования тепловых двигателей аналогичны методам исследования холодильных машин.
Термодинамика основывается на 2 х законах, которые установлены опытным путем.
Термодинамика не объясняет причины того или иного протекания процессов.
В настоящее время термодинамика быстро развивается, что обусловлено применением качественно новых рабочих тел (плазма); новых методов преобразования энергии.
Рабочее тело
это вспомогательное вещество, с помощью которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Окружающая среда – то что находится вокруг рабочего тела.
В качестве рабочего тела могут применяться любые вещества, в любом агрегатном состоянии.
Например: стальной стержень при нагревании-охлаждении будет расширяться или сжиматься .
Чаще в качестве рабочего тела применяют газы. Газы обладают большим коэффициентом теплового расширения, легко деформируются и имеют малый вес.
Рабочие тела – являются макротелами, энергия их движения – механическая.
Тепловая энергия – хаотическое движение молекул (микро тел).
1.1.2 Состояние рабочего тела. Параметры состояния.
Состояние рабочего тела характеризуется параметрами состояния
1. Удельный объем; плотность.
2. Давление – сила, приходящаяся на единицу площади ограничивающей оболочки.
Приборы чаще показывают разность абсолютного и барометрического давления.
В случае разрежения применяют вакуумметры
Параметром состояния является только абсолютное давление.
- принимают в практике.
Пересчёт давления в различных единицах измерения:
– определяет степень нагретости тела косвенным путем – характеризует среднюю кинетическую энергию движения молекул.
Связь градусов Кельвина и Цельсия:
Любое свойство рабочего тела характеризуются двумя заданными параметрами, третий параметр определяется из уравнения состояния идеального газа.
1.1.3. Уравнение состояния идеального газа.
Идеальным называется газ, в котором объем молекул пренебрежимо мал, в нём нет сил притяжения и отталкивания между молекулами.
Молекулы всякого тела находятся в непрерывном и быстром движении, интенсивность которого определяет степень нагретости этого тела, то есть его температуру. Во всяком реальном теле между молекулами действуют в той или иной мере силы сцепления, величина которых определяется агрегатным состоянием тела. При твёрдом состоянии тела силы взаимного притяжения молекул велики, вследствие чего тело имеет определённую форму и изменение её связано с необходимостью приложить к телу достаточно большое усилие для нарушения межмолекулярных связей. В жидком состоянии межмолекулярные силы ослаблены. Поэтому тело неспособно сохранять определённую форму, а принимает форму сосуда, в котором оно находится. В газообразном состоянии молекулы находятся на столь больших расстояниях друг от друга, что межмолекулярные силы весьма малы, и поэтому газ стремится к беспредельному расширению. Величина сил межмолекулярного воздействия у газа определяется степенью удаления газ от жидкой фазы: чем больше перегрет газ, тем силы слабее. Малоперегретые газы, сравнительно недалеко отстоящие от жидкого состояния, называются парами. Молекулы газа движутся хаотически с огромными скоростями, непрерывно соударяясь, их движение одинаково возможно в любом направлении.
Беспорядочно движущиеся молекулы газа, находящегося в замкнутом сосуде, ударяются о стенки этого сосуда. Совокупность таких ударов воспринимается стенками сосуда как некоторое непрерывное действующее на них усилий. Величину такого среднего результирующего усилия, приходящегося на единицу поверхности сосуда и действующего перпендикулярно к ней, называют давлением газа.
Итак, мы уже знаем, что для превращения тепла в работу требуется определённая совокупность источников тепла и материальных тел (например, газов, паров, жидкостей), находящихся между собой в тепловом и механическом взаимодействии. Источники тепла и материальные тела образуют так называемую термодинамическую систему. Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла и рабочие тела, которые под воздействием источника тепла совершают механическую работу.
Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используется ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят: абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объём v или величина. Обратная удельному объёму – плотность ρ).
Напомню вам, чторазличают следующие виды давлений:
Атмосферное давление рб создаётся массой воздушного столба земной атмосферы.Оно имеет переменное значение, которое зависит от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий, то есть от погоды.
В качестве рабочего тела в тепловых машинах чаще всего используются газы и пары, т.к. они наиболее сильно реагируют на подведенную теплоту изменением объема, по сравнению с твердыми телами и жидкостями. Для тепловых машин термодинамическая система это и есть рабочее тело.
Идеальный газ – газ, молекулы которого не имеют размеров (материальные точки), между его молекулами отсутствует силовое взаимодействие. Идеальные газы строго подчиняются законам идеальных газов. Реальные газы тем ближе соответствуют понятию идеального газа, чем выше температура и меньше давление, (т.е. чем дальше от состояния конденсации).
Пар – в отличие от газа, это неустойчивое рабочее тело, которое в ходе термодинамического процесса может менять свое агрегатное состояние.
Компонентами смеси газов называют любую химически различную (состоящую из одних молекул: химический состав постоянен, химические реакции отсутствуют) составляющую смеси. Молекулы такой составляющей химически независимы. Также компонентами смеси называются чистые вещества, составляющие смесь. Чистым веществом называется вещество, все молекулы которого одинаковы (вода, спирты, азот, аммиак и т.п.). Смеси идеальных газов также являются идеальным газам и подчиняются всем законам идеальных газов.
Термодинамический процесс – это процесс изменения состояния системы в результате ее взаимодействия с ОС.
Равновесный ТД процесс – это процесс, в ходе которого система проходит через бесконечное множество бесконечно близких равновесных состояний. Равновесный процесс обладает следующими свойствами:
1) он может быть изображен графически в плоскости 2 х координат (как правило, используются координаты p-v, T-s и i-s)
2) равновесный т/д процесс обратим – это т/д процесс, в результате осуществления которого в прямом и обратном направлении, система возвращается в исходное состояние, а ни в системе, ни в ОС не происходит никаких изменений. Все реальные процессы неравновесны и необратимы.
Круговой процесс или цикл – это процесс, в результате которого ТДС возвращается в исходное состояние. Круговые процессы являются основой при создании тепловых машин. В любой системе координат они изображаются замкнутыми кривыми.
В зависимости от особенностей преобразования энергии различают ряд термодинамических процессов: изобарный (давление постоянно); изохорный (объем постоянен); изотермический (температура постоянна); адиабатный (отсутствует теплообмен с ОС). Для идеального газа обобщающим процессом является политропный процесс (процесс при постоянной теплоемкости)
Конечный термодинамический процесс характеризуется теплоемкостью.
В результате осуществления термодинамического процесса происходит какое-либо преобразование рабочего тела или термодинамической системы. Например, совершается работа, происходит теплообмен, изменяется внутренняя энергия ТДС и т.п.
где Х – обобщенная сила данного взаимодействия;
П – термодинамический потенциал данного рода взаимодействия;
х – координата взаимодействия.
Выводы общей термодинамики используются при анализе тепловых машин.
Тепловая машина – термодинамическая система непрерывного действия, осуществляющая круговой процесс (цикл), в результате которого подведенная теплота превращается в работу (машины – двигатели) или теплота передается от менее нагретого рабочего тела к более нагретому телу (машины – холодильники).
Основная цель термодинамики как дисциплины – научить студента принципам термодинамического анализа для возможности оценки эффективности работы тепловых машин различных схем, отличающихся друг от друга видом рабочего тела и осуществляющимися термодинамическими процессами. Таким образом, понимание общей термодинамики является абсолютно необходимой базой для изучения технической термодинамики.
Читайте также: