Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Следует отметить, что эти уравнения справедливы лишь в том случае, когда газ при своем движении совершает работу расширения (например, вращение рабочего колеса турбины) и не совершает полезной — технической работы. При совершении потоком технической работы уравнение первого закона термодинамики (3.54) должно записываться в виде Ауь2=би+д(рв)+Ф„„+ — =дл+Ж„, + —, (3.57) 2 2 ез — м~ рбмк+ Р1""'1 Рз~2+ 2 (3.58) з этого уравнения видно, что техническая работа складывается "з Работы деформации, разности работ вытеснения на входе и ыходе из машины (р1о1 — рзпз) и разности кинетических энергий в машине. 45 где !тех — техническая работа.

При совершении потоком технической работы работа деформации при расширении отдается внешнему потребителю, тогда как в каналах она воспринимается соседними элементами и изменяет их кинетическую энергию. Из сравнения уравнения (3.54) с уравнением (3.9) первого закона термодинамики, записанного для выделенного элемента потока, который деформируется, но не перемещается, получим в интегральной форме Если изменение кинетической энергии' рабочего тела практиче, ски равно нулю, то 1гег ~ Рбп+РРг Ргггг (3.59~ Термин «техническая работа» в дальнейшем будет применятьсг для этого случая (гл.

10). Для процесса течения газа одновременно с уравнением (3.54~ сохраняет силу и уравнение (3.18) для элемента потока: бд=бЬ вЂ” и бр. Подставив последнее уравнение в формулу (3.55), получим лггг бй — одр=дл+ —; 2 дюг — = — о др. 2 Приращение внешней кинетической энергии тела, равног 2 — ~ пар, называется раслолаааемой работой, которая может быть использована в машинах и превращена в другие виды энергии. Обозначим располагаемую работу через 1м тогда Жо — — — — — гв дог = — о др. 2 (3.60) Этот же результат можно получить, если сравнивать уравнения (3.55) и (3.18) при 1„,=0.

Таким образом, работа, затрачиваемая на проталкивание потока о(ро), на изменение кинетической энергии потока шйв, на техническую работу о(„„, на преодоление сил трения б(„, совершается за счет работы расширения газа (пара), движущегося в потоке, так что р до=б (ро)+агбиг+61„, + И, +дбз. (3.61) Соотношения этого параграфа будут использованы в гл. 9. ГЛАВА 4 ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 46 Ниже рассматриваются основные равновесные термодинамиче. ские процессы идеального газа; приводятся связи между термическими и калорическими параметрами в процессе. Дается анализ термодинамических процессов.

ф 4Л. РАВНОВЕСНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ОБРАТИМОСТЬ Уравнение состояния справедливо только для газа, находящегося в равнозесии. В зтоы случае температура и давление одинаковы во всем объеме газа. йслн газ не изолирован от внешней срелы, то равновесное состояние возможно только при условии полного равновесия с окружающей средой. Достаточными условиями термомеханического равновесия являются: 1) равенство давлений газа и окружающей среды; при равенстве давлений газ не изменяет объем и, следовательно, передача энергии путем работы отсутствует.

Это равенство давлений обеспечивает механическое равновесие; 2) равенство температур газа и окружающей среды; прн равенстве температур, т. е. при термическом равновесии, не возникает передача энергии путем теплообмена. Всякий термодинамический процесс может возникнуть только при нарушении механического илн термического равновесия, т. е. при сжатии или расширении газа (давление среды больше или меньше давления газа), при нагреве или охлаждении газа (температура среды больше или меньше температуры газа).

Чем сяльнее нарушается равновесие, тем быстрее в общем случае проходит процесс н тем более резко будет нарушаться состояние покоя газа: в газе возникают конвекционные тони, вызываемые разностью температур в массе газа, и вихревые движения, вызываемые разностью давлений. Для газа, находящегося в таком неустойчивом состоянии, уравнение состояния не может быть применено до тех пор, пока газ не придет в состояние равновесия. Для того чтобы во время изменения состояния газа уравнение состояния было справедливо, необходимо, чтобы газ во всей своей массе имел одинаковые давление и температуру, а для этого необходимо, чтобы изменение его состояния происходило очень медленно, вернее, даже бесконечно медленно. Бесконечно медленное изменение состояния газа возможно только при условии наличия бесконечно малых разностей давлений и температур газа и окружающей среды. Процессы, происходящие при бесконечно малых разностях давлений и температур, называются равновесньгми, а так как они протекают бесконечно медленно, то их называют и«огда квазистатическими (дословный перевод с латинского: почти равновесными).

равновесные процессы могут одинаково идти в противополож"ых направлениях, так как для изменения направления достаточно только на бесконечно малую величину изменить давление или температуру газа или окружающей среды. Такое свойство равно- и ав весных процессов называется обратимостью; при обратном нар'аленин обратимого процесса газ последовательно, но в обрат"о" направлении, проходит те же состояния, которые он прохо- дил в' прямом процессе. Обратимый процесс, осуществленный обоих направлениях, не производит изменений в окружающен среде.

Вышесказанное приводит к заключению, что для полной обратимости процесса необходимы следующие условия: 1) механическое равновесие, т. е. равенство давлений газа а среды; 2) термическое равновесие, т. е. равенство температур газа а среды; 3) отсутствие диссипативных эффектов, таких, как трение, турбулентность и т. п. В термодинамическом процессе будут меняться равновесные параметры системы (тела), связь между которыми дается уравнением состояния 1(р, У, Т) =О, и внутренняя энергия, изменение которой можно определить по уравнению вида 1(11, Т, У) =О.

Изменение внутренней энергии определяется характером энергообмена между системой и окружающей средой. Для термомеханической системы изменение внутренней энергии определяется механическим и тепловым эффектами процесса. Для установления этих зависимостей необходимо знать уравнение процесса в какой-либо системе координат. Наиболее распространенной является система координат (или диаграмма) ,и, и. При изображении процесса на рп-диаграмме работа газа определяется площадью, ограниченной кривой процесса, осью абсцисс и крайними ординатами.

Для любой точки процесса из диаграммы известны давление г р и удельный обьем и, а температура газа в этой точке процесса определяется из уравнения состояния. Графическое изображение процесса позволяет яснее предста- а вить разницу между функциями состояния и функциями процесса. Например, на рис. 4.1 даны точки 1 и 2, характеризующие к начальное и конечное состояния газа в Рис. 4Л процессе. Между этими двумя точками можно провести сколь угодно разных кривых, и каждая кривая будет представлять собой процесс; причем работа газа в каждом процессе будет определяться (как указано выше) площадью, ограниченной кривой процесса а или б, или в, или г, в то же время изменение внутренней энергии и энтальпии определяется только состоянием газа в точках 1 и 2 независимо от того, какой процесс был газом совершен. 'При изучении тепловых машин большое значение имеют круговые процессы, или циклы.

Циклами называются замкнутые термодинамические процессы, в ходе которых рабочее тело, пройдя целый ряд состояний, возвращается в первоначальное. Цикл, 48 состоящий из обратимых процессов, называется обратимым. Если один из процессов, входящий в цикл, необратим, то цикл называется необратимым. Так как в результате совершения цикла газ приходит в начальное состояние, то изменение любого термодииамического параметра за цикл равно нулю, т. е. ф бр=О, ф б(1=0, ф 6Т=О, ф дй=О.

Если цикл (рис. 4.2) протекает по движению часовой стрелки 1-2.8-4-1 — это прямой цикл; цикл, проходящий в направлении 1-4-8-2-1 (против движения часовой стрелки), называется обратным. Обратимые процессы — это чисто теоретические процессы; действительные процессы всегда в большей нли меньшей степени необратимы, т. е. они могут идти самостоя- Р тельно только в одном направлении. Для обратного протекания процесса не- 1 обходима затрата извне некоторого коли- г честна энергии.

Ряд простых примеров подтверждает эти выводы. Газ всегда вытекает из резервуара в окружающее пространство, если в этом пространстве давление ниже, чем в резервуаре. Для подачи газа в резервуар необходимо использовать компрессоры, потребляющие извне механиче- Рис. 42 скую работу. Теплота может переходить только от горячего тела к холодному, но для обратного направлений теплового потока необходимо применение холодильных машин, которые, получая извне механическую работу, заставляют теплоту перетекать от холодного тела к теплому.

Из этих параметров видно, что обратное направление любого действительного (необратимого) процесса возможно только при условии подведения к системе, в которой происходит этот процесс, дополнительного количества энергии извне. Рассмотренные примеры действительных процессов показывают, что все явления в природе проходят в направлении, приводящем к равновесию в системе; эти явления идут в направлении Уравнивания давлений и температур. Особо следует отметить естественное направление процессов преобразования механической Работы в теплоту.

Характеристики

Список файлов книги