Раздел 1 Предмет технической термодинамики
ЛЕКЦИЯ 1
Термодинамика в широком смысле — это наука об энергии и ее свойствах. Название ее происходит от греческих слов «термос» — тепло и «динамис» — сила. Она охватывает область физических, химических и других явлений, сопровождающихся тепловым эффектом в процессе превращения форм движения материи.
В зависимости от круга рассматриваемых вопросов различают физическую, химическую и техническую термодинамику.
Технической термодинамикой называется наука о свойствах тепловой энергии и законах взаимопреобразования тепловой и механической энергии. Техническая термодинамика положена в основу изучения и усовершенствования всех тепловых двигателей.
Энергия может передаваться от одного тела к другому при их механическом взаимодействии, т. е. при совершении работы одного тела над другим, или непосредственно в форме теплоты, передаваемой от более нагретого тела к менее нагретому посредством теплообмена.
За единицу количества энергии (в том числе теплоты и работы) принят абсолютный джоуль (Дж), равный работе постоянной силы в 1 н на пути в 1 м при совпадении направлений силы и перемещения точки приложения силы (1 Дж = 1н . 1м = 1 кг-м2/сек2).
В теплотехнике для получения энергии пользуются телами различных агрегатных состояний — твердыми, жидкими и газообразными. Согласно молекулярно-кинетической теории материи агрегатные состояния тел определяются различными расстояниями между молекулами и различными по величине силами сцепления между ними, причем величина сил сцепления зависит от среднего расстояния между молекулами. По второму закону Ньютона силы взаимодействия пропорциональны массам молекул и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними
В твердых телах расстояния между молекулами очень малы, следовательно, силы сцепления имеют наибольшее значение сила F очень велика. Поэтому твердые тела имеют свою форму и объем.
Рабочее тело. В теплотехнике для получения энергии пользуются телами различных агрегатных состояний – твердыми, жидкими и газообразными. Согласно молекулярно-кинетической теории материи, агрегатные состояния тел определяются различными расстояниями между молекулами и различными по величине силами сцепления между ними. Молекулы твердого тела движутся не поступательно, а колеблются около какого-то среднего положения. Нагреванием можно почти каждое твердое тело перевести в жидкое состояние, при этом обыкновенно расстояние между молекулами увеличивается, а силы сцепления уменьшаются. В этом состоянии молекулы движутся, а не колеблются, хотя движение еще стеснено достаточно большими силами сцепления. Дальнейшим нагреванием жидкое тело можно перевести в газообразное состояние. Расстояние между молекулами становится еще больше, а силы сцепления уменьшаются. При дальнейшем нагревании силы сцепления между молекулами становятся минимальными и их значение в общем тепловом движении оказывается незначительным. При этом молекулы газообразного тела находятся в непрерывном хаотическом, или так называемом тепловом, движении.
У жидких тел расстояние между молекулами значительно больше, чем у твердых, а сила F меньше. Поэтому молекулы могут смещаться относительно друг друга. Жидкие тела имеют свой объем, но не имеют своей формы и принимают форму сосуда, в котором они находятся.
Для перевода тела из одного агрегатного состояния в другое требуются определенные условия. Так, для перевода расплавленного металла в газообразное состояние нужно нагреть металл на несколько тысяч градусов, в то время как превращение воды в газообразное состояние при нормальном атмосферном давлении происходит при температуре около 100° С.
Как известно из практики, взаимопреобразование тепловой и механической энергии производится с помощью рабочего тела, которым, как правило, являются газообразные тела — газы и пары.
Рабочее тело - тело, посредством которого производится взаимное превращение теплоты и работы, Например, в паровых турбинах рабочим телом является водяной пар, в газовых турбинах - газ, в холодильных установках - фреоны, аммиак, углекислота и др.
Относительное расстояние между молекулами у газообразных тел довольно велико и силы взаимодействия F достаточно малы. Газообразные тела не имеют ни формы, ни объема: они принимают форму и объем сосуда, в который заключены. При этом они занимают весь предоставленный им объем.
Использование в качестве рабочего тела газов и паров объясняется тем, что они, обладая большим коэффициентом теплового расширения, могут при нагревании совершать гораздо большую работу, чем жидкости и твердые тела.
Превращение тепла в механическую работу в тепловых двигателях совершается в результате расширения рабочего тела. Во всех современных тепловых двигателях в качестве вспомогательного, иначе называемого рабочего, тела применяют газообразное тело (газ, пар) вследствие его способности к большому расширению при нагревании. Таким образом, газообразное тело является наиболее удобным для использования в качестве рабочего тела при превращении в работу тепла, сообщаемого телу извне.
Таким образом, теплота и работа (процесс работы) представляют собой две возможные формы передачи энергии от одного тела к другому. Качественное различие понятий теплота и работа заключается в том, что теплота—такая форма передачи энергии, которая представляет собой совокупность микрофизических процессов. Работа — макрофизическая форма передачи энергии в процессе, когда перемещение точек приложения сил доступно непосредственному контролю.
В термодинамике рассматриваются так называемые идеальные газы, в природе не существующие. Все газы, встречающиеся в природе, являются реальными газами. Молекулы их имеют геометрические размеры (хотя и очень малые) и представляют собой тела, связанные друг с другом некоторыми силами взаимодействия.
Понятие об идеальном газе введено для упрощения изучения термодинамических процессов и получения более простых расчетных формул.
Под идеальным газом понимают совокупность материальных точек — молекул с исчезающе малыми объемами, находящихся в состоянии хаотического движения и лишенных сил взаимодействия. Другими словами, идеальным газом считают газ, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами и можно пренебречь объемом самих молекул.
Многие задачи, возникающие при рассмотрении энергетических объектов можно свести к рассмотрению последовательности процессов передачи энергии от одной системы к другой. Рассмотрим основные стадии преобразования энергии возникающей при переработки органического и ядерного топлива, в электрическую (рис. 1). Такие стадии преобразования присутствуют в различных типах энергетических установок. Для преобразования энергии в работу в этих установках используются газы: реальные, такие как водяной пар, или псевдогазы или такие как электроны в твердых телах.
В дальнейшем нам потребуется делать количественные оценки, позволяющие сравнивать эффективность различных методов преобразования энергии.
Простейшим критерием такого сравнения является КПД:
[1]
где W — совершаемая работа; Е — затрачиваемая энергия.
Внутренняя энергия рабочего тела |
Распад ядерного топлива Расширение Вращение ротора турбогенератора |
Рис. 1. Преобразование некоторых видов энергии в электрическую |
Коэффициент полезного действия (КПД) ТЭС, работающих на органическом топливе, составляет около 40%, а КПД АЭС ~ 30 %. Это объясняется не только недостатками существующих технологий, но и тем, что существуют фундаментальные ограничения, связанные с самой природой процессов преобразования энергии.
Термодинамикой рассматривается характер этих ограничений, и формулируются общие принципы, позволяющие исследовать процессы преобразования энергии и машины, реализующие эти процессы, а также возникающие при этом вопросы охраны окружающей среды.
Дата добавления: 2015-08-14; просмотров: 1072;