Основы термодинамики (стр. 1 )

Содержание

Раздел I. Основы термодинамики

1. Основные понятия 4

1.1. Система 4

1.2. Параметры 4

1.3. Состояние 6

1.4. Процесс 6

1.5. Функция состояния 7

2. Температура. I закон термодинамики 8

2.1. Понятие температуры 8

2.2. Внутренняя энергия системы. Работа и теплота 10

2.3. I закон термодинамики 11

2.4. Работа расширения 11

2.5. Теплота и теплоемкость 12

2.6. Уравнение адиабаты идеального газа 14

3. Термохимия 14

3.1. Энтальпия 14

3.2. Теплоты химических реакций. Закон Гесса 15

3.3. Термохимические уравнения 16

3.4. Связь между Qp и QV 16

3.5. Теплота образования химических соединений 17

3.6. Зависимость теплового эффекта химической реакции

от температуры 18

4. Второй закон 18

4.1. Определение 18

4.2. Другие формулировки 19

4.3. Обратимые и необратимые процессы 19

4.4. Изменение энтропии в различных процессах 19

4.5. Закон Джоуля 21

4.6. Постулат Планка. Абсолютная энтропия 21

4.7. Изохорный, изобарный, изотермический,

адиабатный и политропный процессы 22

5. Равновесие в однокомпонентных гетерогенных системах.

Уравнение Клапейрона – Клаузиуса 37

5.1. Определения 37

5.2. Условия равновесия и направление самопроизвольного

процесса в однокомпонентной гетерогенной системе 37

5.3. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса 38

5.4. Фазовое равновесие в конденсированных системах 38

5.5. Интегрирование уравнения Клапейрона-Клаузиуса

для процесса парообразования 39

6. Термодинамические свойства многокомпонентных систем.

Растворы. Химический потенциал 42

6.1. Определения 42

6.2. Характеристические функции многокомпонентных систем 43

6.3. Однородные функции. Уравнение Гиббса-Дюгема 44

6.4. Условия равновесия в многокомпонентных

гетерогенных системах 45

7. Термодинамика смесей идеальных газов 46

7.1. Характеристические функции идеального газа 46

7.2. Химический потенциал газа в смеси идеальных газов 47

7.3. Энтропия смешения 47

Раздел II.

8. Системы водо - и теплоснабжения промышленных предприятий 49

8.1. Водоподготовка и водный режим 49

8.2. Методы водоподготовки 54

8.3. Теплоснабжение 64

8.4. Тепловое потребление 66

8.5. Системы теплоснабжения 69

8.6. Тепловые сети 75

9. Котельные установки и промышленные печи 78

9.1. Схема котельной установки 78

9.2. Паровой котел 83

9.3. Классификация промышленных печей 83

9.4. Области применения топливных и электрических печей 91

10. Топливо и его характеристики 92

10.1. Классификация топлив 92

10.2. Условное топливо 92

10.3. Состав и характеристики топлив 93

11. Основные теории теплообмена 95

11.1. Способы передачи теплоты. Основной закон теплопроводности 95

11.2. Теплообменные аппараты 96

12. Компрессорные машины 109

12.1. Компрессорные установки. Основные понятия 109

12.2. Поршневой компрессор 110

12.3. Центробежный компрессор 111

12.4. Вентиляторы 111

13. Принцип работы тепловых машин 112

13.1. Цикл паротурбинных установок 112

13.2. Цикл газотурбинных установок 113

13.3. Парогазовый цикл 115

Раздел I. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ.

1. Основные понятия

1.1. Система

Тело или группа тел, произвольно выделяемая нами из внешнего мира, называется системой. Все, что не входит в нашу систему, мы называем внешней средой или просто средой.

Изолированной или замкнутой системой называется такая система, которая не может обмениваться со средой веществом и энергией. Система называется адиабатической, если она не обменивается теплом с окружающей средой (адиабарос – греческое – непереходимый).

Система называется закрытой, если она не обменивается со средой веществом. Однако закрытая система может изменять свой состав, если в ней протекает химическая реакция, которую символически можно записать в виде: , где – некоторое химическое соединение, – стехиометрический коэффициент, причем для исходных веществ берется со знаком «-», для продуктов реакции со знаком «плюс», например: .

Это уравнение показывает, что в системе число молей водорода уменьшилось на 2, кислорода на 1, а число молей воды увеличилось на 2.

1.2. Параметры

Все признаки, характеризующие систему и ее отношение к среде, называются параметрами системы. Объем, показатель преломления, удельный вес, заряд, давление.

Термодинамическими параметрами называется объем, давление, температура, энергия, концентрация веществ и производные только от этих (теплоемкость, коэффициент расширения и т. д.). Все параметры делятся на два класса – внутренние и внешние.

Параметры, определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел, называются внешними параметрами. Объем системы, величина поверхности определяются расположением внешних тел. Напряжение силового поля зависит от положения источников поля – зарядов и токов, не входящих в систему.

Параметры называются внутренними, если они определяются совокупным движением и распределением в пространстве тел и частиц, входящих в нашу систему. Плотность, давление, энергия – внутренние параметры. Естественно, что величины внутренних параметров зависят от внешних параметров.

Кроме того, параметры можно разделить и по другому признаку. Назовем интенсивными параметрами такие, которые не зависят от количества вещества в системе, например, давление, температура, коэффициент теплопроводности и т. п.. Параметры, которые зависят от количества вещества в системе, назовем экстенсивными, к таковым относятся объем, энергия, энтропия и т. д.

Следует заметить, что отнесенные к единице количества вещества экстенсивные параметры приобретают свойства интенсивных, например, мольный объем, мольная энергия.

Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней.

;

где n - число молекул в единице объема;

m – масса молекул;

- средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.

В международной системе единиц (СИ) давление (р) измеряется в паскалях:

1 Па=1 Н/м2

Поскольку эта единица мала 1кгс/см2=1 ат=98066,5 Па удобнее использовать 1 кПа=1000 Па, 1 МПа=106 Па.

Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров. Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, представляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р измеряемой среды и атмосферным давлением ратм:

ризб = р - ратм

ратм – атмосферное давление, Па;

р – абсолютное давление, Па.

Приборы для измерения давления ниже атмосферного называются вакуумметрами; их показания дают значение разряжения (или вакуума) т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным:

рв = ратм – р

ратм – атмосферное давление, Па;

р – абсолютное давление, Па.

Температура - мера интенсивности теплового движения молекул.

Ее численное значение однозначно связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества:

;

где k – постоянная Больцмана, равная 1,380662 Дж/К

m – масса молекул;

- средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул;

Т – температура, К.

В системе (СИ) единицей измерения температур является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (0С). Соотношение между ними имеет вид:

Т, К=t, 0С+273,15

Удельный объем - это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем V, то по определению:

V - объем, м3;

М – масса вещества, кг.

В системе (СИ) единицей измерения удельного объема есть м3/кг.

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях, вводится понятие «нормальные условия»:

- физические: р=760 мм рт. ст.=101,325 кПа; К=273,15 К;

- технические: р=735,6 мм рт. ст.=98 кПа; t=150С.

1.3. Состояние

Этот термин обозначает данную совокупность значений параметров системы. Если изменяется хотя бы один, то изменяется и состояние системы. Состояние называется стационарным, если оно не меняется во времени.

Состояние называется равновесным, если в системе не только все параметры постоянны, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников, т. е. неизменность не обусловлена никакими внешними процессами.

1.4. Процесс

Процессом называется ряд последовательных изменений состояния системы. Процесс, после которого система возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом или циклом.

V = Const - изохорный (греческое chora – пространство),

p = Const - изобарный (греческое baros – тяжесть, вес),

t = Const - изотермический (греческое therme – жар, теплота),

Q = 0 - адиабатический.

Термодинамический процесс называется равновесным, если все параметры системы при его протекании меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации.

Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров системы должна удовлетворять соотношению:

,

где а – параметр, наиболее быстро изменяющийся в рассматриваемом процессе;

ср - скорость изменения этого параметра в релаксационном процессе;

- время релаксации.

Равновесные процессы являются процессами обратимыми.

В термодинамике обратимым называется такой процесс, при совершении которого в прямом и обратном направлениях не происходит остаточных изменений ни в самой системе, ни в окружающей среде.

Процессы, не удовлетворяющие условию , протекают с нарушением равновесия и являются неравновесными. Любой реальный процесс является в большей или меньшей степени неравновесным.

Неравновесные процессы необратимы.

1.5. Функции состояния

Свойство системы, не зависящее от предыстории системы и полностью определяемое ее состоянием в данный момент (т. е. совокупностью параметров), называется функцией состояния. Если Z – функция состояния и в состоянии 1 имеет величину , а в состоянии 2 величину , то ее изменение при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 очевидно равно: , где символ Δ обозначает, что из значения функции в конечном состоянии мы вычли значение функции в начальном состоянии.

Чтобы Z имела свойства функции состояния необходимо и достаточно либо , если равенство перекрестных производных.

Если процесс не круговой, то .

Изменение функции состояния не зависит от процесса перехода между 1 и 2:

, dZ = Xdx + Ydy обратное справедливо.

Иными словами, бесконечно малое изменение функции состояния dZ обладает свойствами полного дифференциала.

1.6. Уравнение состояния.

Изменение одного из свойств системы вызывает изменение, по крайней мере, еще одного свойства, т. е. имеется функциональная зависимость термодинамических параметров, которая носит название уравнения состояния.

Уравнение f(p,v,T) = 0 является уравнением состояния чистого вещества, если:

1) отсутствуют электрические и магнитные поля,

2) эн. гравитации и поверхности можно пренебречь,

3) v – раномерно заполнен объем,

4) во всех частях системы давление и температура постоянны.

Уравнени. состояния можно придать и другую форму:

- удельный объем, м3/кг;

Т – температура, К;

р – давление, Па.

Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул, и, следовательно ; получим:

- удельный объем, м3/кг;

Т – температура, К;

р – давление, Па.

Постоянную величину , отнесенную к 1 кг газа, обозначают буквой R и называют газовой постоянной.

.

- удельный объем, м3/кг;

Т – температура газа, К;

р – давление, Па;

R - удельная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/(кгК).

Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона (1834г.).

pV = nRT – частный случай. Уравнение состояния различных систем термодинамика берется в готовом виде.

2. Температура. I закон термодинамики

2.1. Понятие температуры

Введем следующие два постулата:

1) изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно из него выйти не может;

2) если две системы порознь находятся в равновесии с третьей, то они находятся и в равновесии между собой.

Возьмем две равновесные изолированные системы и дадим им возможность взаимодействовать друг с другом путем теплообмена. Очевидно, возможны два варианта: либо равновесное состояние обеих систем не нарушится, либо нарушится, но стечением времени эта двойная система (в целом изолированная) придет в новое состояние равновесия (постулат 1). Отсюда можно сделать вывод, что существует некоторый параметр, который может указать нарушается ли равновесное состояние систем при тепловом контакте друг с другом или нет. Этот параметр и называется температурой.

Итак: любая термодинамическая система обладает функцией состояния – температурой. Равенство температур во всех точках есть условие теплового равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы.

Очевидно, во-первых, чтобы узнать одинаковы ли температуры двух систем, совершенно необязательно их приводить в тепловой контакт друг с другом, можно, согласно постулату 2, их привести в тепловой контакт с некоей третьей системой, которую мы обычно называем термометром.

Во-вторых, мы совершенно условно принимаем, что температура той системы выше, которая при тепловом контакте уменьшает свою энергию.

В-третьих, единицей измерения температуры является кельвин, который обозначается буквой К. Международным соглашением приняты следующие величины температур основных и вспомогательных реперных точек:

МПТШ – 68 (ред. 1975 г.)

Ратм Т, К t, 0C

Н2 тройная точка 6,939·10-2 13,81 -259,34

Ne кипение 1 27,,048

О2 тройная точка 1,54·10-3 54,,789

кипение 1 90,,962

Ar тройная точка 0,680 83,,352

Н2О тройная точка 6,03·1,16 0,01

Н2О кипение 1 373,15 100

Sn плавление 1 505,1,9681

Zn плавление 1 692,73 419,58

Ag плавление 1 1235,08 961,43

Au плавление 1 1337,58 1064,43

вторичные реперные точки (ред. 1975 г.)

Ne тройная 0,4283 24,,589

N2 тройная 0,1236 63,,004

N2 кипение 1 77,,806

Ar кипение 1 87,,856

CO2 сублим,,476

Hg плавление 1 234,,836

H2O плавление 1 273,15 0

(С6Н5)2О тр. точка 1 300,02 26,87

С6Н5СООН тр. точка 1 395,52 122,37

In плавление 429,74 156,634

Bi плавление 544,,442

Pb плавление 600,,502

Hg кипение 1 629,81 356,66

S кипение 1 717,,674