Lektsii_Lavrova_NOK (1) (Все лекции ), страница 2

Обладает теми жесвойствами, что и гелий 4, и в перспективе может быть использован кактопливо в термоядерной реакции вместо водорода.Гелий-3 содержится в лунной атмосфере.Водород.Получение: из природного газа или попутных нефтяных газов(каталитическая конверсия в водяном паре), электролиз воды (внебольших количествах).Самый лёгкий газ, горюч в присутствии воздуха или кислорода –пожароопасен при 4-75%, взрывоопасен 18-65%, особая опасностьвзрыва в жидком состоянии при контакте с твёрдым воздухом иликислородом.Обычный водород при нормальных условиях имеет двемодификации: ортоводород и параводород. Эти две модификацииразличаются направлением спина.При нормальных условия доля ортоводорода 75 %, параводорода –25%, при понижении температуры до 20 К доля параводорода растётдо 99,8 %.Орто-пара конверсия.Процесс идёт с выделением теплоты (706 кДж/кг при температуременее 70 К), что больше теплоты испарения.Потери жидкого водорода: 18 % за первые сутки, 40 % через 100часов.Поэтому при ожижении водорода в состав ожижителя входит ортопара конвертор на платиновых катализаторах, в которых теплотаорто-пара конверсии снимается теплотой испарения жидкоговодорода, охлаждающего конвертор.Нормальный водород, имеющий равновесный орто-пара состав,соответствующий нормальным условиям имеет следующие свойства.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииВодород20,39 К13,96 К33,24 К1,297 МПа13,95 К7,2 кПа204 КПлотностьльдажидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:кг/м386,770,80,08374Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:447 кДж/кг58,7 кДж/кг9,7 кДж/кг*К14,85 кДж/кг*КТопливо в жидкостных ракетных двигателях;Вакуумные камеры (Т=20К);Водородные пузырьковые камеры;Перспективный заменитель угля и нефти (экологическое топливо);Понятие температуры.Температуры – физическая величина, характеризующая степеньнагретости тела и скорость движения его молекул.(косвенно измеряемая величина, т.е.

для её измерения требуетсянекоторое рабочее тело и основанная на свойствах того рабочеготела шкала.Первой технически применимой шкалой является шкала Цельсия,основанная на физических свойствах воды.0 ℃ - кристаллизация, плавление воды при 1 атмосфере;100 ℃ - кипение воды при 1 атмосфере;В англоязычных странах – Фаренгейт, имеющая те же самыереперные точки, но другие числовые значение температуры.32 ℉ - кристаллизация, плавление воды при 1 атмосфере;212 ℉ - кипение воды при 1 атмосфере;Формулы перевода температуры: = 32 + 1,8 ∙ = 0,555 ∙ − 17,778Однако шкалы Фаренгейта и Цельсия не выясняют физическогосмысла температуры, прежде всего абсолютного нулятемпературы.С точки зрения термодинамики абсолютным нулём называетсятакая температура холодного источника идеальной тепловоймашины Карно, при которой вся подводимая теплотапревращается в работу.Рисунок 3.

Иллюстрация к работе машины Карно.Коэффициент полезного действия машины Карно: ==1−=1− ;При = 0 К, = 1.Шкала Кельвина (Томпсона).Две реперные точки шкалы: абсолютный ноль (0 К) итемпература тройной точки воды (273,16 К).Градуировка шкалы Кельвина аналогична шкале Цельсия, т.е.между плавлением льда при 1 атм и кипением воды при 1 атминтервал в 100 градусов.Температура тройной точки воды по Цельсию (0,01 ℃ )Перевод шкалы Цельсия в шкалу Кельвина: = 273,15 + Шкала Ранкина.Имеет те же реперные точки, что и у шкалы Кельвина, ноградуировка шкалы аналогична шкале Фаренгейта. = 459,67 + Закон сохранения массы.Криология рассматривает нерелятивистские системы, т.е.скорость системы и частиц много меньше скорости света.Типы систем: Изолированная система – система, не обменивающаяся сокружающей средой (другими системами) материальнымипотоками ( массой) и энергией ( теплотой, работой). Закрытая система – система, не обменивающаяся сокружающей средой (другими системами) материальнымипотоками ( массой), но обменивающаяся с ней энергией. Открытая система – система, обменивающаяся сокружающей средой и материальными и энергетическимипотоками.Рисунок 4.

Типы систем: а – изолированная, б – закрытая, в– открытая.Под системой следует понимать область пространства, ограниченнуюот окружающей среды контрольной поверхностью.Масса изолированной и закрытой системы всегда остаётсяпостоянной.Для открытой системы закон сохранения массы можно записать в двухвариантах.Стационарный режим (основные параметры системынеизменны во времени):∑ − ∑ = 0Нестационарный (неустановившийся) режим (материальные иэнергетические потоки изменяются во времени):∑ − ∑ =(изменение массы системы во времени)Где − материальные потоки, входящие в систему; − материальные потоки, выходящие из системы;Если= , то режим называется нестационарным установившимся.Газовые смеси.Совокупность нескольких разнородных газов, не вступающих междусобой в химическую реакцию.Состав газовой смеси определяется либо долями, либоконцентрациями.Долей называется отношение количества компонента газовой смеси каналогичному количеству всей смеси.Массовая доля i-того компонента в смеси:кг ==[ ]смкгМольная доля i-того компонента в смеси:моль ==[]сммольОбъёмная доля i-того компонента в смеси:м3== [ 3]сммТ.к.

объём зависит от давления и температуры, то объёмную долюзаписывают при каких-либо определённых давления и температуры.Обычно объёмную долю записывают при нормальных условиях (20градусов Цельсия, 1 атмосфера).В качестве объёма принимается парциальный объём ( какой объёмимел бы компонент, если бы его давление было равно давлениюсмеси)Лекция 3.Концентрации.Отношение количества компонентов смеси к общему объёму смеси.1) Массовая концентрация – парциальная плотностькомпонента:кг == [ 3]смм2) Объёмная концентрация:м3 == [ 3 ] = смм3) Мольная концентрация:кмоль ==[]смм3По умолчанию все концентрации считаются при нормальных условиях.Особенность использования законов сохранения массы длявсего потока в целом, а также по каждому компоненту смеси.Пример: Воздухоразделительная установка (ВРУ)Рисунок 5.

Схема воздухоразделительной установки.ВРУ работает по следующим принципам:1) Низкотемпературная ректификация – воздух ожижают иподают в воздухоразделительную колонну.В ректификационной колонне поднимающийся к верху паробогащается низкокипящими (азот) компонентами, аопускающаяся вниз жидкость обогащается высококипящими(кислород) компонентами.Рисунок 6. Схема ректификационной колонны.2) Абсорбция - поглощения газообразного компонентажидкостьюАдсорбция – поглощение газообразного компонента твердойфазой (активированный уголь, цеолиты)3) Дисцилляция (выкипание низкокипящего компонента)4) Получение обогащённого кислородного потока при помощисепарации магнитосодержащей смеси.Получившиеся обогащенные потоки оцениваются по наличию в нихпримесей.

Величины объёмных концентраций или долей чистых ивысокочистых смесей выражается не в процентах, а в единицах:ppm(parts per million)ppb(parts per billion)1 ppm = 10-6 или 10-4 %1 ppb = 10-9 или 10-7 %кгЗадача: в ВРУ подаётся воздух расходом G=100 , при н.у.: из ВРУчвыходит три потока: азота, кислород, аргон при н.у. и с известнымиобъёмными концентрациями.Необходимо определить расходы потоков, выходящих из ВРУ.

Воздухпринимается тройной смесью (азот, кислород, аргон)Рисунок 7. Иллюстрация к задаче. В – поток воздуха, А – потоказота, К – поток кислорода, Ар – поток аргона.В78211 , % , % , %А99,9990,0010Ар4492К0,399,70Решение: (из справочника определяем значения плотностей воздуха,азота, кислорода и аргона) при нормальных условияхВ1,205кг, мА1,165Ар1,66К1,331Составим уравнение материального баланса по каждому компоненту,входящего и выходящих потоков:АрВ2 = А2 + 2 + К2АрВАК= + + АрВАК{ 2 = 2 + 2 + 2Поделим каждое уравнение на соответствующую плотностьАрВ2 А2 + 2 + К2=22АрВАК+ + =АрВ2 А2 + 2 + К2=2{ 2Заметим, чтоВ2= ̇В22Ар̇В2 = ̇А2 + ̇ 2 + ̇К2̇ В = ̇ А + ̇ Ар + ̇КАрВАК{ ̇ 2 = ̇2 + ̇ 2 + ̇2Объёмная доля по определению:В2̇В2=ВАрВ2 ∙ ̇ = А2 ∙ ̇А + 2 ∙ ̇Ар + К2 ∙ К̇АрВАК∙ ̇ = ∙ ̇А + ∙ ̇Ар + ∙ К̇АрВА̇ + К ∙ К̇{ 2 ∙ ̇ = 2 ∙ А̇ + 2 ∙ Ар2̇ =ВВА̇ ≈АА̇ ≈АрК̇ ≈АрАрККВАКАр Ар= А2 ∙+ 2 ∙+ К2 ∙ВААрКВАКАр АрВАК∙= ∙+ ∙+ ∙ВААрКВАКАр АрВ2 ∙= А2 ∙+ 2 ∙+ К2 ∙ВААрК{В2 ∙Ар100АК= 0.99999 ∙+ 0.04 ∙+ 0.003 ∙1.2051.1651.661.331Ар1000.01 ∙= 0.92 ∙1.2051.66Ар100АК0.21∙=0.00001∙+0.04∙+0.997∙{1.2051.1651.661.3310.78 ∙64.73 = 0.858 ∙ А + 0.0241 ∙ Ар + 0.00225 ∙ К0.83 = 0.554 ∙ Ар{17.43 = 0.00000858 ∙ А + 0.0241 ∙ Ар + 0.7491 ∙ КАр =0.83кг= 1.490.554ч64.73 − (0.858 ∙ А + 0.0241 ∙ 1.4982)= 28752.8 − 381.3 ∙ А = К0.0022517.43 = 0.00000858 ∙ А + 0.0241 ∙ 1.4982 + 0.7491 ∙ (28752.8 − 381.3 ∙ А )А =21521.3кг= 75.27285.6чК = 28752.8 − 381.3 ∙ 75.3547 = 23.24кгчЛекция 4.Три начала термодинамики.Параметрами состояния называются физические величины, которыеопределяют состояние системы, обычно их можно измеритьприборами.(Температура (Т), объём (V) и удельный объём (v), паросодержаниесмеси (x), параметр состояния двухфазной области)Для однокомпонентной и однофазовой системы, например газ,необходимо определить два параметра , обычно это давление итемпература ( иногда объём), для того чтобы однозначно знатьсостояние системы.В двухфазной области изобары совпадают с изотермами, поэтому дляполного задания системы, необходимо знать пару p и x, либо пару p иv.Функция состояния – физическая величина, изменение которойсвязано с внешним воздействиями, действующими на систему.Функция состояния – энергетическая характеристика системы ивыражается в единицах энергии или удельная энергии.U – внутренняя энергия, Джu – удельная внутренняя энергия, Дж/кгH – энтальпия, Дж (H = U + pV)h – удельная энтальпия, Дж/кг (h = u + pv)S – энтропия, Дж/Кs – удельная энтропия, Дж/(кг*К)Внутренняя энергия (U) используется как энергетическаяхарактеристика закрытой системы.Энтальпия (H) используется как энергетическая характеристикаоткрытой системы.

Также достаточно широко используется: дляописания термодинамических процессов низкотемпературных систем– свободная энергия Гельмгольца и Гиббса.F = U – TS -изохорно-изотермический потенциал используется прианализе термодинамических процессов, ДжG = H – TS – изобарно – изотермический потенциал при изменениитемпературы и давления.Нулевое начало термодинамики.Определяет области применения основных начал термодинамики.Вводится понятие равновесие системы хотя бы на макро уровне.Изолированная термодинамическая система с течением временисамопроизвольно переходит в состоянии термодинамическогоравновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешниеусловия сохраняется неизменным.Первое начало термодинамикиПервое начало термодинамики является следствием всеобщегозакона сохранения энергии в нерелятивистских системах длярассмотрения термомеханических систем.Изменение энергии системы за некоторое время равноалгебраической сумме подведённых к системе теплоты и работы.1) Закрытая система∆ = + или ∆ = + 2) Открытая система∆ = + или ∆ℎ = + Правило знаков, используемое в низкотемпературной технике дляпервого начала термодинамики:Работа положительна, если совершается над системой, работаотрицательна если совершается системой.Теплота положительна, если она подводится к системе, теплотаотрицательна если она отводится от системы.Рисунок 8.