Термодинамика реальных газов и паров (В.К.Кошкин, Т.В.Михайлова. Москва, 1982 г)

Э Э '! й ° ° ° ° в ° ° ° Э ° Э Э'! Э ы к. кошкин, Т В. МИХАЙЛОВА ТЕРМОДИНАМИКА РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ И ПАРОВ М О СКВО-1вег МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕПИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮПИИ АВИАПИОННЫЙ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ В.К. КОШКИН, Т,В. МИХАЙЛОВА ТЕРМОДИНАМИКА РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ И ПАРОВ Программированное учебное пособие ( Дпя дневной и вечерней форм обучения ) Утверждено на заседании редсовета 1 нюня 1981 г.

МОСКВА 1082 УДК: 836.23 (078.8) ПРВДИСЛОВИЕ У чебное пособие посвящено воп осам реальны х газов и паров. ено вопросам термодинамики В к ниге изложены основнь е рассматриваются а н понятия еа р пьного газа, ся уравнения состояния реацьного цесс парообразов н о о газа, проВесь мате а ия водяного па а п р, рямые паровые циклы. атериап дается с единой позиции п ог а го метода обучени . П ии программированноветств ю е уч ния. о кажцом аз у р деду разработаны сооту щие контрольные вопросы. Московский авиационный институт, 1982 г. Д М к С М к 836(078) К762 Программированное учебное пособие по курсу термодинамики "Термодинамика реальных газов и паров" представляет собой часть курса термодинамики, написанную в соответствии с утвержденной учебной программой дпя студентов факультета двигателей летательных аппаратов МАИ.

Учебное пособие призвано помочь читателю, который приступает к изучению термодинамики и знаком с математикой, физикой и химией. Бель пособия — помочь освоить основные положения термодинамики реальных газов и паров в объеме, достаточном дпя выполнения различных термодинамических расчетов и правильного испопьзования результатов этих расчетов. Дпя улучшения восприятия изпагаемого материала в пособии испопьзоваи один из вариантов программированных методов обучения. Это способствует более глубокому пониманию материала и интенсификации процессов обучения, т,е. сокрашению времени, необходимого дпя усвоения учащимся определенного объема знаний. Такой эффект достигается путем расчпенения процесса обучения на отдельные этапы и осушествпения проверки и самопроверки обучения в конце каждого этапа.

Учебное пособие содержит 16 контропьных карточек(56 контрольных вопросов, к каждому из которых приведено нескопько вариантов ответов). Правипьных ответов на контрольный вопрос может быть несколько. Ответы приведены в конце учебного пособия, Чаще всего методы программированного обучения применяются тогда, когда от обучаемого требуется запоминание определенного объема информации ипи выработка ряда навыков. Программированное изпожение материапа по термодинамике может оказаться полезным потому, что позволяет проверить правильность восприятия основных идей и понятий по ходу изучения материала курса, поскольк у применять эти поняти мая их смысл.

ия можно и лишь глубоко пониПри написании пособия авто го опыта препода авторы нсхо ил вания курса термодина авто д и иэ многолетнеЛанное чеби р динамики студентам МАИ. нием к лекциям чнтае Поскольк пос б нтаемым по к с т ся нео ходимым дополнеур у термодинамики. л ку посо не является одной нэ п программированного о нэ первых попыток о наложения тевмодин эов и паров а б авторы будут рады пол чнт р одинамики реальных г— во пособии и с благода получить отзывы читателей с лагодарностью примут все э се замечания. ВВВДВНИВ Учебное программированное пособие посвящено разделу термодинамики реальных газов и паров.

Принципиального различия между паром и реальным газом нет. Под реальным газом подразумеваются пары жидкости, находящиеся при ис- следуемых условиях далеко от состояния насьцпения. Поэтому обычной дпя реальных газов является тем- пература, значительно большая их критической темпера- туры. В термодинамических процессах реальный газ является устойчивым рабочим телом, не меняющим своего агрегатно- го состояния.

В отличие от газов пары при сравнитецьно незначительных изменениях своего состояния могут перехо- дить в жидкое состояние и обратно. Поэтому пар является неустойчивым рабочим телом и сравнительно легко меняет свое агрегатное состояние. Реальные газы и пары при не очень малых плотностях имеют свойства, отличающиеся от свойств идеальных газов. Из уравнения состояния идеальных газов следует, что ,эб отношение Я 1. В действительности же дпя реаль- УТ ных газов это отношение является переменной величиной, принимающей в зависимости от давпения и температуры значения и большие и меньшие единицы, и топько при малых давлениях оно для реальных газов приближается к единице. Отличие свойств реальных газов от свойств идеальных газов обнаруживается не только при изучении уравнения со- стояния, но также и при анализе других свойств газов, на- пример их теплоемкостей, Теплоемкости Сь и С, идеального газа не зависят от давления и являются функциями только температуры.

В дей- ствительности же теплоемкости всех реальных газов зави- сят и от давдения (или объема). Таким образом, из анапиза теоретических и эксперимен- тальных данных следует, что свойства реальных газов не Я ТОЛЬКО В КОЛИ чествеином, но н в качественном отношении существенно отличаются от свойств идеальных газов. Поэтому все результаты, вытекающие из теории идеальных газов, нужно рассматривать как приближенные, справедливые для реальных газов лишь при очень малых их плотностях.

Г лава 1. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ й 1. Реальные газы (па ы) П о свойствам реальные газы (пары) значительно отличаются от идеального газа. Многие основоположники термодинамики указывали на зти отличия. Так, еще М.В. Ломоносов. в 1746 г. в своей работе "Размышпеныя об упругой силе воздуха", наложил выводы уравнения Бойля с точки зрения кинетической теории впе— ° Р- вые в истории термодинамики указав на отступления этого уравнения дпя реальных газов. Большие успехи в деле изучения реальных газов были достигнуты Менделеевым. В труде "Основы химии" (1871 г.) Менделеев впервые установил н изучил "критическое состояние" реальных газов.

Еше в 1860 г, Менделеев достаточно подробно изучил н экспериментально доказан наличие температуры, выше которой газ ни при каких давлениях не может быть превращен в жидкость, Эту температуру Менделеев назвал "температурой абсолютцого кипения", а теперь она называется критической температурой. В 1869 г, Эндрюс, проводя опыты по изотермическому сжатию углекислого газа, пришел к аналогичным выводам. В наше время имеются многочисленные работы, посвященные изучению термодинамики реальных газов и паров. Итак во-первых, реальный газ не сохраняет условий идеальности (имеются силы взаимодействия между молекулами> молекулы Обладают конечным объемом и т.п.); вовторых, реальный газ (пар) — неустойчивое рабочее тело, которое в ходе термодинамического процесса может менить овое агрегатное состояние.

Вместе с тем пары многих жидкостей (воды, аммиака, фреона, щелочных металлов и др.) являются одним из основных видов термодинамического рабочего тела, при помощи которого возможно трансформирование теплоты в механическую работу или обратно в целом ряде теплотехнических 6 установок (паровые турбины, тепловые трубы, холодильные установки> МГД-генераторы). й 2. У ввнеиие состояния Ввн-де -Вввльсв Урввненые состояния и явленыя переносе в реальных газах и жидкостях тесно связаны с силами, действующими между молекулами. Мопекулярно-статистическая теория, связывающая общие свойства с межмолекулярными силвмн, сейчас хорошо разработана дпя разреженных газов и в меньшей степены — для плотных газов и жидкостей Вместе с тем нэмереные макроскопических свойств позволяет в принципе определить закон, по которому дййствуют силы между мопекупвми.

Более того, если вид взаимодействии опредепен, то становится возможным подучить урвэненые состояныя ипи коэффициенты переносе, дпя реапьных газов. Дця идеальных газов уравнение состояния /)и' (>Т нли ри (1.1) У~ Это соотношеные совершенно точно в том случае, когда газ весьма разрежен или его температуре срввнитепьио высока. Однако уже при атмосферных дввпенны и температуре отклрненыя от этого закона для реального газа становятся ощутимыми. Ван-дер-Вавпьс сделал первую попытку описать эти отклонения, получив уравненыя состояныя дця реального газа.

Действительно, если уравненые состояныя идеального газе ри РТприменыть к реальным,газам, то, во-первых> под объемом, могущим изменяться до нуля, необходимо понымать объем межмолекулярного пространстве, твк квк только этот объем, как и объем идеального газа, может уменьшаться до нуля прн неограниченном возрвствныи давления. Действительно, из уравнения состояния идеальных газов следует, что Р1' (1.2) и р Спедовательно> при р — е, б О, что хорошо согласуется с понятием идеального газа, мопекупы которого не имеют объема.

При переходе к реальным газам необходимо учитывать объем, занимаемый молекулами. Поэтому для молекул реальных газов то свободное пространство, в котором они движутся, уже ие будет равно объему сосуда У, в будет мень- ше на величину, зависящую от объе о ема самих молекул. Мопекупы реапьн тепьности не в в ку р пьных газов могут двигаться в й в де ствиво всем объеме сосуда, так квк часть объема занята самими мопекупвми. Нв первый взгляд кажется, что нужно из занымаемого газом объема сос а е' ема сосуда е просто вычесть сумму объемов всех молекул — Ф' . О по обстоит не твк п осто. Екех ное ' днако нет е твк просто.