Лекция 2. Термодинамический процесс, работа процесса, внутренняя энергия.

Под термодинамическим процессом понимают последовательное изменение состояния рабочего тела, которое происходит под влиянием механического (сжатие или расширение) или термического (нагрев или охлаждение) воздействия окружающей среды.

Различают равновесные и неравновесные процессы. Под равновесным (идеальным) понимают процесс, который протекает с бесконечно малой скоростью так, что в каждый момент времени в рабочем теле успевает установиться равновесное состояние. Термодинамика изучает в основном равновесные процессы. Равновесные процессы называют обратимыми, так как они могут протекать сначала в прямом, а затем в обратном направлении через одну и ту же последовательность равновесных состояний. При этом вся система тел, принимающих участие в процессах, возвращается в свое первоначальное состояние без дополнительных затрат энергии.

Под неравновесным процессом понимают все действительные (реальные) процессы, в которых рабочее тело проходит через неравновесные состояния. Неравновесные процессы называют необратимыми.

Обратимые (равновесные) процессы изображают графически и прямоугольной системе координат. Такие графики называют диаграммами состояния. Очевидно, что на этой диаграмме состояние рабочего тела может быть изображено точкой, а последовательное изменение состояний, т.е. процесс – линией, характер которой зависит от условий протекания процесса.

Работа расширения или сжатия газа. Рассмотрим процесс изменения параметров рабочего тела в цилиндре со свободно перемещающимся поршнем (рис. 1.9).

Представим, что в цилиндре находится 1кг газа с начальными параметрами , и (параметр Т на рис. 1.9 не показан). Это состояние газа на диаграмме изобразим точкой 1. Давление газа на поршень в начальном состоянии уравновешивается внешней силой , приложенной к штоку поршня, и давлением атмосферы. При уменьшении внешней силы поршень под действием давления газов начнет перемещаться в цилиндре вправо, увеличивая объем газа до и уменьшая давление и температуру до р₂ и Т₂. Состояние газа в конце процесса расширения изобразим точкой 2. Соединив все точки промежуточных состояний между точками 1 и 2, получим кривую 1—2 процесса расширения газа.

В - диаграмме полная работа расширения или сжатия характеризуется площадью, расположенной под кривой процесса и ограниченной двумя линиями, параллельными оси ординат, и осью абсцисс. Работа расширения газа считается положительной, а работа сжатия — отрицательной.

Внутренняя энергия газа. Рабочее тело, находясь в любом состоянии, обладает определенным запасом внутренней энергии. Под внутренней энергией понимают все виды энергии, связанные с внутренним движением молекул: кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул, потенциальную энергию молекул. У идеального газа отсутствуют силы взаимодействия между молекулами и, следовательно, потенциальная энергия его молекул равна нулю. Значит, внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры.

Поскольку в термодинамике все газы рассматриваются как идеальные, то их внутренняя энергия не зависит от давления и объема, является функцией только температуры. Поэтому изменение внутренней энергии не обусловлены характером процесса, а определяется только его начальной и конечной температурами.

Первый закон термодинамики. В технической термодинамике рассматриваются только процессы взаимодействия тепловой и механической энергии. Применительно к ним закон сохранения и превращения энергии называется первым законом {началом) термодинамики который сформулирован следующим образом:

Теплота может превращаться в механическую работу, а работа в тепловую лишь в строго эквивалентных количествах, причем количество теплоты, полученное рабочим телом от какого-либо источника тепла, равно сумме приращения внутренней энергии этого тела и количеством совершенной им работы.

Согласно закону сохранения энергии общий запас энергии рассматриваемой изолированной термодинамической системы при любых преобразованиях остается постоянным, т.е. (1.10)

Выражение (1.10) называют основным уравнением первого закона термодинамики. Оно показывает, что при любых энергетических процессах алгебраическая сумма изменений запасов энергии тел, входящих в изолированную систему, равна нулю.

Термодинамические процессы. В простейшей термодинамической системе могутсовершаться разнообразные процессы, отличающиеся один от другого характером взаимодействия рабочего тела с тепловым и механическим аккумуляторами. Термодинамика изучает пять основных процессов идеальных газов: изохорный, происходящий при постоянном объеме рабочего тела (V = const); изобарный, происходящий при постоянном давлении рабочего тела (р = const); изотермический, происходящий при постоянной температуре рабочего тела (Т = const); адиабатный, протекающий без теплообмена между рабочим телом и окружающей средой ( =0); политропный — обобщенный процесс изменения всех параметров рабочего тела при наличии теплообмена; для него четыре предыдущих процесса являются частными случаями.

Изохорный процесс - Изохорные процессы происходят при нагревании или охлаждении газа в закрытых сосудах постоянного объема. Очень близок к изохорному процессу процесс

подвода теплоты к рабочему телу при быстром сжигании топлива в цилиндре ДВС, когда изменением объема камеры сгорания за время горения топлива можно пренебречь.

Графическое отображение изохорного процесса в системе координат соответствует прямой, параллельной оси ординат (рис.1.10), которая называется изохорой. Связь между параметрами в изохорном процессе подчиняется закону Шарля . Вследствие того, что в данном процессе нет изменения объем газа, то и работа по его изменению не совершается: . Изменение внутренней энергии газа определяется по формуле .

В изохорном процессе, протекающем без совершения работы, внутренняя энергия рабочего тела изменяется только за счет подвода или отвода теплоты, т. е. .

Изобарным называется процесс, совершаемый при постоянном внешнем давлении рабочего тела. В практике изобарные процессы наблюдаются при подводе теплоты к рабочему телу в газотурбинных двигателях, при получении водяного пара. Уравнение изобарного процесса . В системе координат этот процесс изображается прямой линией, параллельной оси абсцисс (рис.1.11). Связь между параметрами в изобарном процессе выражается законом Гей-Люссака . Изменение внутренней энергии газа рассчитывается по формуле . В изобарном процессе происходит изменения объема рабочего тела, следовательно, совершается работа, определяемая по формуле . Таким образом, в изобарном процессе теплота расходуется на совершение работы и на изменение внутренней энергии рабочего тела.

Изотермическим называется процесс, происходящий при постоянной температуре газа . В системе координат этот процесс изображается в виде равнобокой гиперболы (рис.1.12) и называется изотермой. Связь между параметрами в изотермического процессе выражается законом Бойля-Мариотта . В рассматриваемом процессе внутренняя энергия и теплосодержание рабочего тела не изменяется, так как температура постоянная. Для произвольной массы рабочего тела в изотермическом процессе уравнение работы принимает вид . Графически в - диаграмме работа в процессе 1 – 2 определяется площадью под изотермой. Теплота, участвующая в изотермическом процессе, определяется соотношением . Это означает, что вся подводимая в изотермическом процессе теплота расходуется на совершение работы.

Адиабатным называется процесс, происходящий без теплообмена рабочего тела с аккумулятором тепловой энергии. Следовательно, условием осуществления адиабатного процесса является выражение AQ = 0, т. е. Q = const. Осуществление адиабатного процесса возможно лишь при заключении рабочего тела в сосуд с абсолютно теплонепроницаемыми стенками.

В практике термодинамических расчетов К адиабатным приближаются также процессы сжатия и расширения газов в быстроходных ДВС. Уравнение адиабатного процесса имеет вид где показатель адиабаты – величина равная отношению удельной изобарной теплоемкости к удельной изохорной теплоемкости.

Это уравнение показывает, что в координатах графическое изображение адиабатного процесса представляет собой неравнобокую гиперболу. Так как , то при адиабатном расширении давление газа уменьшается, а при сжатии — увеличивается. В системе координат этот процесс изображается в виде неравнобокой гиперболы (рис.1.13) и называется адиабатой. В рассматриваемом процессе работа газа и изменение его внутренней энергии равны по величине и противоположны по знаку . Для произвольной массы рабочего тела в адиабатическом процессе уравнение работы принимает вид . Графически в - диаграмме работа в процессе 1 – 2 определяется площадью под адиабатой. Адиабатный процесс протекает без подвода теплоты, следовательно, .

Политропный процесс. Политропным называется такой процесс изменения состояния газа, протекающий при одновременном изменении всех параметров газа и при наличии теплообмена. Уравнение политропного процесса имеет вид (1.11) где показатель политропного процесса или показатель политропы, который изменяется для разных процессов от до . Уравнение (1.11) показывает, что политропным процессом является такой процесс изменения состояния рабочего тела, в течение которого показатель политропы остается постоянным. Так как уравнение политропы и уравнение адиабаты аналогичны по структуре и отличаются только показателем, то формулы соотношения параметров и работы политропного процесса будут иметь тот же вид, что и для адиабатного процесса с заменой в них показателя k на показатель . Количество теплоты в политропном процессе для кг вещества определяется выражением, полученным в соответствии с первым законом термодинамики .

Показатель политропы для характерных термодинамических процессов можно получить, приняв такое значение , при котором общее уравнение политропного процесса преобразуется в уравнение рассматриваемого процесса. Рассмотренные ранее процессы являются частными случаями политропных процессов при определенных значениях показателя политропы (Рис.1.14). Так при имеем изотермический процесс; при - изобарный процесс; при - изохорный процесс; при - адиабатный процесс.

В политропных процессах изменение состояния газа и характер превращения энергии определяются двумя факторами: направлением процесса (сжатие или расширение) и значением показателя .

Второй закон термодинамики и термодинамические циклы.Первый закон термодинамики устанавливает количественное соотношение между различными видами энергии при их взаимном превращении. Однако он не дает ответа на вопрос о возможном направлении таких превращений и условиях, при которых преобразование энергии может быть реализовано.

В то же время установлено, что не все процессы, связанные с передачей и преобразованием различных видов энергии, равновозможны. Особое значение для практики имеет необратимость взаимного преобразования теплоты и механической работы. Опыт показывает, что преобразование механической энергии в тепловую всегда происходит полностью и самопроизвольно без каких-либо дополнительных условий или процессов. Однако обратное преобразование тепловой энергии, рассеянной в окружающей среде, в механическую работу самопроизвольно происходить не может. Переход этот возможен не полностью и лишь при соблюдении определенных условий. Установление условий и особенностей протекания процессов преобразования тепловой энергии в механическую составляет основное содержание второго закона термодинамики, который гласит, что теплота только тогда может быть преобразована в работу, когда в системе тел имеется перепад температур; совершаемая работа зависит от уровня этих температур; полный переход теплоты в работу невозможен. По другой формулировке самопроизвольный выход термодинамической системы из равновесного состояния практически невозможен.

Таким образом, сущность второго закона термодинамики состоит в том, что нельзя построить тепловой двигатель, который имел бы термический К.П.Д. равный единицы, т.е. невозможен так называемый «вечный двигатель».

Циклы теплового двигателя.Принцип преобразования тепловой энергии в механическую работу состоит в использовании эффекта значительного объемного расширения газообразных рабочих тел при их нагревании. Чтобы реализовать этот принцип необходимо иметь машину с рабочей полостью переменного объема, который должен быть заполнен рабочим телом. Один их вариантов такой машины — цилиндр с поршнем, перемещение которого позволяет изменять рабочий объем. Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется при расширении рабочего тела в цилиндре или рабочей камере теплового двигателя. Для получения механической энергии в течение длительного времени и в достаточном количестве необходимо непрерывное повторение этого процесса. Чтобы обеспечить такое повторение, каждый процесс расширения следует сочетать с процессом сжатия, при котором рабочее тело возвращается в начальное состояние. Допустим, что при перемещении поршня в цилиндре происходит процесс расширения, который в координатах (рис.1.16) соответствует линии 1-а-2.Рабочее тело совершает положительную работу, пропорциональную площади, находящейся под линией процесса. Процесс сжатия должен быть проведен так, чтобы работа, затраченная на его осуществление, была меньше работы, полученной при расширении. Очевидно, что кривая сжатия 2-в-1 в этом случае должна лежать ниже кривой расширения. Путем совершения этих процессов рабочее тело вновь возвращается в начальное состояние. Такая совокупность процессов образует круговой процесс или цикл. Таким образом, циклом называется совокупность процессов, происходящих в определенной последовательности, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в начальное состояние. Большинство существующих типов двигателей работает с рабочим телом, состав и количество которого изменяются при переходе от одного цикла к другому. Для упрощения в технической термодинамике рассматриваются преимущественно циклы, совершающиеся с одним и тем же рабочим телом, состав и количество которого не изменяются.

Для оценки совершенства термодинамического цикла с точки зрения степени преобразования теплоты в работу вводится понятие термического или термодинамического К.П.Д. Термическим К.П.Д. называется отношение количества теплоты, эквивалентное цикловой работе, к количеству подводимой за цикл теплоты. (1.12) где количество теплоты, подведенной к рабочему телу за цикл.

Общим в рассмотренных циклах тепловых двигателей является преобразование тепловой энергии в механическую. Такие циклы называются прямыми. В координатах р—V процесс изменения состояния рабочего тела при прямом цикле протекает по часовой стрелке. Линия расширения располагается выше линии сжатия.

Наряду с прямыми циклами существуют обратные, в которых процессы изменения состояния протекают против часовой стрелки, линия расширения располагается ниже линии сжатия. На совершение такого цикла необходимо затратить механическую работу. Обратные циклы осуществляются в холодильных установках и компрессорах. Если цикл состоит только из обратимых процессов, то он является обратимым.

Теплопередача.Процесс теплообмена — естественный процесс переноса (передачи) теплоты при наличии разности температур внутри твердого тела, в жидкой или газообразной среде, на границе твердого тела с окружающей его средой, в двух средах, разделенных перегородкой. Разность температур — это необходимое условие теплообмена, причем тепловой поток направлен от более высокой к менее высокой температуре. В общем случае температура неодинакова в различных точках тела или среды и зависит от времени, т. е. она является функцией координат и времени . Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек рассматриваемого пространства называется температурным полем. Если за некоторый промежуток времени температурное поле не изменяется, то такое поле, процесс теплообмена, происходящий при этом, и тепловой поток называются установившимися или стационарными. Если с течением времени температурное поле изменяется, то такое поле, процесс теплообмена и тепловой поток называются неустановившимися или нестационарными.

В зависимости от способа переноса (передачи) теплоты различают три вида теплообмена: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты внутри тела при взаимном соприкосновении частиц (молекул, атомов, электронов). В металлах теплота передается посредством диффузии свободных электронов. В газах перенос энергии теплопроводностью происходит вследствие межмолекулярного взаимодействия при столкновениях молекул.

Конвекция. Теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкой или газообразной средой при их непосредственном соприкосновении называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. Этот процесс сопровождается перемещением массы среды, при котором частицами вещества (жидкости или газа) осуществляется перенос теплоты.

К числу важнейших факторов, которыми определяется интенсивность теплоотдачи, относится скорость потока среды. Движение среды может быть свободным, вызванным разностью плотностей нагретых и холодных масс жидкости (газа), и вынужденным, происходящим под действием насоса, вентилятора, эжектора. Соответственно этим условиям движения теплообмен осуществляется при естественной (свободной) или при вынужденной конвекции.

Теплопередачей называется теплообмен между двумя средами через разделяющую их однослойную или многослойную перегородку. Теплопередача состоит из трех процессов теплообмена: на границе раздела тело-среда с одной и другой стороны перегородки и переноса теплоты внутри перегородки. При теплопередаче вся теплота, переданная от среды с высокой температурой к поверхности перегородки, проходит через нее и отдается среде с более низкой температурой.

Основы гидродинамика.Гидравлика — наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей и методы применения этих законов для решения практических задач. Законы гидравлики используются при проектировании гидросистем автомобиля и двигателя, изучении явлений в процессе наполнения в цилиндрах двигателя и при истечении топлива в карбюраторе.

Гидравлика состоит из двух основных частей: гидростатики, изучающей законы равновесия жидкостей, и гидродинамики, изучающей законы движения жидкостей.

В понятие «жидкость» включают все тела, для которых свойственна текучесть, т.е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. В это понятие включают как жидкости обычные, называемые капельными, так и газы. Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления. Газы же обладают большой сжимаемостью. Несмотря на это различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных условиях можно считать одинаковыми.

Жидкости характеризуются следующими физическими свойствами: плотностью, удельным весом, удельным объемом, сжимаемостью, вязкостью.

Плотностью называют массу жидкости, заключенной в единице объема обозначают ; Удельным весом называют вес единицы объема жидкости обозначают ; Удельным объемом жидкости называют объем, занимаемый единицей массы жидкости, обозначают ; Сжимаемость (объемная упругость) жидкости характеризуется коэффициентом сжимаемости . Отношение относительного изменения объема жидкости к изменению давления называется коэффициентом сжимаемости (объемного сжатия); Вязкость — это свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) слоев жидкости. Динамическая вязкость показывает, какую работу на единицу объемного расхода надо совершить для преодоления сил внутреннего трения. Единицей динамической вязкости является .

Для упрощения теоретических исследований и выводов введено понятие «идеальная жидкость» - воображаемая жидкость, которая абсолютно подвижна, несжимаема и не обладает вязкостью, т.е. при движении в ней не возникают силы внутреннего трения.

В гидродинамике изучаются явления в движущейся жидкости. Под потоком жидкости понимают движущуюся массу жидкости, полностью или частично ограниченную поверхностями.

В основе изучения гидродинамики лежит так называемая струйчатая модель движения. Эта схема предполагает, что поток жидкости состоит из бесконечно большого числа элементарных струек. Живым сечением потока называется площадь сечения потока, проведенного перпендикулярно к направлению линий тока и ограниченного его внешним контуром. Площадь живого сечения потока равна сумме площадей живых сечений элементарных струек. Расходом называется количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Средняя скорость— это условная скорость потока, которая считается одинаковой для всех частиц данного сечения, но подобрана так, что расход, определенный по ее значению, равен истинному значению расхода. Если несжимаемая жидкость движется без разрывов, то при установившемся движении объемный расход для всех живых сечений потока постоянен . Это уравнение называют уравнением неразрывности потока, оно является первым основным уравнением гидродинамики. Из него следует, что средние скорости обратно пропорциональны площадям соответствующих живых сечений потока.

Уравнение Бернулли является вторым основным уравнением гидродинамики, которое устанавливает связь между скоростью и давлением в потоке жидкости. Для потока реальной вязкой жидкости уравнение Бернулли, написанное для двух произвольно взятых сечений 1 и 2 по ходу потока, имеет следующий вид:

где гидромеханическое давление (или просто давление); безразмерный коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению потока жидкости. При течении в круглой трубе он изменяется от 1,05 до 1.1 для турбулентного движения и = 2 — для ламинарного; динамическое давление; весовое давление; высота расположения центра тяжести принятого сечения, отсчитанная от произвольной горизонтальной плоскости сравнения; потери энергии потока на преодоление сопротивлений на рассматриваемом участке 1-2.

Энергетический смысл уравнения Бернулли заключается в том, что оно выражает закон сохранения механической энергии в жидкости.

Ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давления. Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости. Скорость потока, при которой один режим течения переходит в другой, называется критической.

Движение потока в закрытых руслах при полном заполнении поперечного сечения жидкостью называется напорным. Напорное движение возникает за счет разности давлений в начале и конце трубопровода. При движении потока возникают потери напора, связанные с потерей части энергии на преодоление гидравлических сопротивлений. Гидравлические потери зависят от режима движения жидкости, формы сечения русла и его изменения, характера поверхности стенок и вязкости жидкости.