Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 35
Текст из файла (страница 35)
лившейся в процессе с трением. Приращение энтропии системы за цикл равно приращению зн. тропин от каждого из составляющих процессов ЛВ*=ЕЛЯ. Поте. ря работоспособности вследствие необратимости подсчитывается как произведение температуры окружающей среды на изменение энтропии системы: дй= Тсдзе. (16.13) Полезная работа в необратимом цикле а-Ь-с-с( ччах ТОД~ (! 6.14) причем Т,.=Я~ — с)з представляет собой работу в обратимом цикле, а ТсД — потерю работоспособности. Таким образом, полезная работа необратимого цикла меньше работы обратимого цикла на величину, равную произведению абсолютной температуры теплоприемника (т. е. окружающей среды) на приращение энтропии всей системы. Относительный эффективный кпд необратимого цикла т1,= =1— й тодз.
(16.15) Гмвх 1тах Если считать, что максимальная работа в цикле Карно А-В-С-0 ~,.зх=~г с — — ~г(1 — — ), Г т,)' где 1ч — количество теплоты, переданное рабочему телу от горячего источника; Т,— температура горячего источника; Т,=Те— температура окружающей среды, то Ти тхай (16.16) е При анализе потерь полезной работы необходимо помнить, что изменение энтропии рабочего тела за цикл равно нулю (цикл замкнут). И общая потеря равна сумме потерь работоспособности (эксергии), а не работы. Это имеет принципиальное значение для оценки совершенства действительных процессов в отдельных частях двигателя.
$182. пОтеРи РАБОтОспОсОБнОсти (эксеРГНН) потокА К оценке потерь в потоке может быть применен эксергетнческий метод, дл" этого необходимо лишь иметь значения эксергии в двух сечениях потока. Рассмотрим установившийся поток рабочего тела. Источник работы (поток) имеет на входе в канал параметры иь пь зь Ть Р~ и на выходе из канала паРаметРы иш пш зш Тх, Рз. ПаРаметРы внен1 ней среды обозначим через ие, оа, зо, Та, ре. 182 Максимальная работа, которую может совершить поток при отсутствии равновесия с окружающей средой, должна увеличиться на величину, потраченную на преодоление давления окружаюп(ей среды р,и,— рою,=и,(р,— р,).
Величина п~(р~ — ро) представляет собой работу проталкив ан ия в окружающую среду. Таким образом, учитывая выражение (16.5), удельная работа уртановившегося потока в результате обратимого перехода из состояния 1 в состояние 0 1 -=(п~ — по) — Ро(по — и ) — То(зо — зо)+п,(Р, — р,)= (И~+РР~) (по+Рот/о) — 7 о(зо зо)=Й, — йо) — 1' (з, — зо). (16,17) Если кинетическая энергия потока ге о/2 имеет значение, которым пренебречь нельзя, то при во=О 1тах=й~ "а+(юй2) 7 о(зо за). (16.18) Из формул (16.17), (16.18) видно, что максимальная работа представляет однозначную функцию состояния системы, зависящую от начальных параметров и параметров окружающей среды.
Снижение работоспособности между состояниями 1 и 2 вдоль пути установившегося потока кот 7 о Ыьо= Ьо — Тозо+ — ) ~ Ло Тоз,+ — ~. (16.19) Величина, на которую это снижение превышает работу, производимую над окружающей средой вне потока, является мерой необратимости любого адиабатного термодинамического процесса между состояниями 1 и 2. При этом о должны быть известны значения эн- / / тальпии и энтропии для начально- / У т, го и конечного состояний. г ч Диаграмма состояния в коорди- 4 / натах Ь, з (рис.
16.2) позволяет на- 5 / глядно представить потери эксергни потока. Пренебрегая изменением скорости, можно вычислить потери удельной эксергии потока меж- о ду состояниями 1 и 2 по формуле Рис. 16.2 — Ьео о=д(по= й, — (со — То(зо — зо). (16.20) Для определения этой величины воспользуемся следующим построением (рис.
16.2). Пусть точкой 7 изображено начальное состояние, а точкой 2 — конечное. В точке пересечения изобары р= ~(беш с изотермой То проведем касательную. Наклон этой касательной к оси абсцисс пропорционален температуре окружающей сРеды. Через точку 2 проведем прямую, параллельную касательНой до пересечения с изоэнтропой, проведенной через точку 1. 183 Отрезок этой изоэнтропы между найденной точкой пересечения к точкой 1 представляет собой снижение эксергии рабочего тела между состояниями 1 и 2.
При вычислении удельной эксергии потока для различных ра. бочих тел можно воспользоваться еЬ-диаграммами для единицн массы (рис. 16.3). Значение эксергии определим по формуле е=Ь вЂ” Ьо — То(з — за). (16.2! ) Рис. 16.3 Значения параметров окружающей среды (Ьо, зо, Т,) примем постоянными. еЬ-диаграмма (рис. 16.3) строится как разновидность косоугольной Ьз-диаграммы, в которой ось энтальпий расположена горизонтально, а ось энтропий выбирается так, чтобы угол наклона оси з в процессе з=Ыеш был взят при Ле=ЬЬ. При одинаковом масштабе шкал по осям е и Ь этому условию соответствует угол наклона, равный 135'. Следовательно, ось энтропий наклонена к оси энтальпий под косым углом.
Линии Ь=Ыеш в такой диаграмме располагаются вертикально, а е=Ыеш — горизонтально. Линии з=Ыеш перпендикулярны оси з. На еЬ-диаграмму наносится сетка изобар, изотерм, а также верхняя и нижняя пограничные кривые данного вещества. Харак тер еЬ-диаграммы определяется физическими свойствамн вещества, для которого она построена. Вид диаграммы, показанной иа рис. 16.3, характерен для воды, у которой Т,о)То. Эксергетический метод анализа использует как первый, так и второй законы термодинамики с учетом роли окружающей среды.
Такой метод исследования теплотехнических процессов получает все более широкое распространение, так как позволяет: оценить более широко термодинамическую эффективность раз личных процессов; количественно определить степень необратимости процессов при этом учесть качество теплоты; 184 учесть влияние изменений в окружающей среде на показатели установки; наметить пути термодинамического совершенствования процессов (для уменьшения необратимости процесса горения необходимо подогревать воздух; для уменьшения потерь от необратимости, теплообмена нужно осуществлять теплообмен с минимальным перепадом температур и 'т. п.).
Химическая термодинамика Химическая термодинамика занимается изучением химических процессов с термодинамической точки зрения и в отличие от техиической рассматривает явления, в которых происходят внутри- молекулярные изменения рабочего тела лри сохранении атомами молекул своей индивидуальности.
Образование новых веществ (рабочего тела) или разложение веществ осуществляется в результате химической реакции. Для химического процесса характерно изменение числа и расположения атомов в молекуле реагирующих веществ. В ходе реакции разрушаются старые и возникают новые связи между атомами. В результате действия сил связей происходит выделение или поглощение энергии. Энергия, которая может проявляться только в результате химической реакции, называется химической. Химическая энергия представляет собой часть внутренней энергии системы, рассматриваемой в момент химического превращения, ибо в запас внутренней энерГаи входит не только кинетическая и потенциальная энергия молекул, но и энергия электронов, энергия, содержащаяся в атомных ядоах, лучистая энергия. Отличительным признаком химической реакции является изменение состава системы в результате перераспределения массы между реагирующими веществами в изолированной системе.
Если же система не изолирована от окружаюгцей среды, то свойства ее должны зависеть также от количества вещества, введенного в систему или выведенного из нее. Если, например, в калориметрическую бомбу поместить смесь из двух объемов водорода и одного объема кислорода (гремучий газ), то, несмотря на отсутствие теплообмена, происходит реакция с образованием водяного пара 2Нз+Оз — 2Н О реакция протекает с заметной скоростью при температуре 600чС "лн в присутствии катализатора (платины) при комнатной тем- пературе. Этн условия представляют собой внешние воздействия, "о сама реакция протекает в условиях полной изоляции.
В ре- зультате реакции происходит перераспределение массы. Масса г1з и Оз УменьшаетсЯ, а масса НзО УвеличиваетсЯ. В реакции разложения 2НзО 2Н, +О, 185 масса НхО уменьшается, а масса Нз и Ое увеличивается. Такик образом, в химических реакциях масса является величиной, харак. теризующей состояние системы, т. е. для химических превращений масса является дополнительной координатой состояния. Процесс перераспределения массы в изолированной системе может про.
изойти только в результате внутренней неравновесности, и воз. никновение процесса в такой системе возможно лишь при сущест. вовании неравновесного поля потенциала, который был назван химическим. Неравновесное поле химического потенциала и явля. ется движущей силой химических реакций. В процессе перераспределения массы системы происходит изменение внутренней энер. гни, энтальпии, энтропии и ряда других функций состояния. Изменение внутренней энергии в ходе химической реакции мо.
жет проявляться только в виде теплоты или в виде работы. Так, результатом реакции гремучего газа после выравнивания температур будет отдача теплоты окружающей среде. Это термодинами. ческий процесс. Если же эту реакцию осуществить в цилиндре двигателя, то водяной пар совершит, воздействуя на поршень, определенную работу. Взяв состояние смеси до сгорания за начальс ное и состояние водяного пара после расширения в цилиндре за конечное, будем иметь дело с чисто термодинамическим процессом взаимодействия с окружающей средой. Таким образом, химичеСкая реакция может рассматриваться как термодинамический процесс.
В химической термодинамике основные законы термодинамики и общие методы исследования применяются для изучения химических процессов. При этом может быть установлен энергетический баланс химической реакции, направление ее возможного раз. вития, скорость реакции и т. п. Из химических процессов для авиационных специалистов наибольший интерес представляют реакции горения (процесс окисления топлив), ибо выделившаяся в процессе горения теплота в двигателях может быть преобразована в механическую работу. ГЛАВА 17 ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ К ХИМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ Химические реакции сопровождаются обычно выделением или поглощением теплоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
