Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Это приводит к переходу работы в теплоту, Обратный процесс превращения неупорядоченного движения в направленное без воздействия извне или создания каких-либо специальных условий мало вероятен. При переходе работы в тепло Ь У)0, к энтропии Я в таком процессе увеличивается. Хаотичное движение молекул является при данных условиях всегда более верояч'ным, чем движение организованное, поэтому величвна энтропии может быть представлена как мера вероятно-— сти данного состояния: ~чем более вероятно данное состояние газа, тем больше ~величина энтропиями. Так как при самопрцизвольных процессах таз всегда переходит из менее вероятного в более вероятное состояние, то самопроизвольные процессы идут с увеличением энтропии.
В некоторых случаях система при протекании какого-либо процесса остается всегда в наиболее вероятном состоянии; тогда прог цесс идет при постоянной энтропии. Обратимость в термодинамических процессах Последний вопрос, который мы рассмотрим с точки зрения второго закона термодинамики, является понятие о р а в н он ес н ы х и о бр ат немых п роцее с ах. Проследим, как может протекать, например, процесс сжатия газа. Если поршень, свободно перемещающийся в сосуде с нетеплопроводимыми стенками, нагружать грузами Ьб, увеличивающими давление газа на Ьр кг/см', то в каждый момент постановки нового груза равновесие системы поршень — газ нарушается и поршень начинает двигаться до тех пор, пока снова не установится новое состояние равновесия. Проследим такой процесс сжатия в координатах ро (фиг.
48). В момент постановки груза давление, соответствующее ему, возрастает скачком на величину АЬ, а'Ь' и т. д. Только после того, как газ сожмегся до нового, давления Ь, Ь' и т. д., по линиям Ьа', Ь'ао и т. д., установится новое состояние равновесия, Процесс сжатия будет описываться ступенчатой ломаной линией АЬсг'Ь'ааЬоаотЬа'В, а работа, 'которая затрачена грузами при сжатии газа от состояния А до состояния В, определится площадью под этой ломаной ,кривой.
Если провести теперь обратный процесс расширения газа от состояния В до состояния А, снимая те же грузы д6,~то при этом Фяг. 48. Необратимый я обратимый процессы сжатия и рас- шареяяя газа. процесс уменьшения давлений, совершающих, работу, изобраэится линией Вса'"с'пас"а'са'А. Работа расширения, полученная нашей системой от газа и определяемая площадью под кривой Вса"'стааспа'с"'А, будет меньше, чем работа, затраченная этой же системой при сжатии. Из этого следует, что замкнутая система, включающая в себя источник работы сжатия газа, при осуществлении процессов сжатия и расширения описанным выше способом не может вернуться в исходное состояние, так как запас энергии в источнике работы при возвращении системы в точку А будет меньшим, чем перед началом сжатия, а при повторении таких процессов может быть исчерпан вовсе.
Процессы, протекающие так, что изолированная система после осуществления прямого и обратного процессов не может вернуться н начальное состояние, называются необрагимыма. В рассмотренном нами случае необратимого сжатия и расширения газа величина потерь работы определяется площадью, заключенной между ломаными линиями процессов сжатия и расширения (заштрихована на фиг. 48). Сущность этих потерь такова.
В момент нарушения равновесия при необратимом процессе поршень, а~ следовательно, и расположенные рядом с ним частички газа приобретают кинетическую энергию, которая затем тратится на нагревание газа. Таким образом, температура газа после осуществления каждого цикла необратимого сжатия и расширения будет непрерывно повышаться за счет потерь работы, что также усугуб. ляет отклонение системы от начального состояния, т. е. необратимость процесса. Мы рассмотрели вопрос об обратимости процессов на примере сжатии и расширения газа при сообщении ему работы.
Однако понятие обратимости распространяется и на другие процессы. Так, например, подвод тепла также может происходить и обратимо, и необратимо. Для протекания обратимого процесса с теплообменом разность температур газа и источника тепла должна быть бесконечно мала, так же как и.разность давлений при обратимом процессе сжатия. Нетрудно видеть (см. фиг. 48), что потеря работы при совершении цикла сжатия и расширения зависит от степени нарушения ,равновесия при проведении процессов; чем больше нарушение равновесия, тем больший будет недостаток в работе расширенная, тем больше будут потери.
При уменьшении отклонений от равновесных состояний потеря работы будет также уменьшаться. В пределе, когда процессы сжатия и расширения пройдут через бесконечно большое число бесконечно мало отличающихся друг от друга состояний равновесия, т. е. когда процессы АВ и ВА будут изображаться совпадающими плавными кривыми, потеря работы станет ,равной нулю. В этом случае изолированная система при любом числе совершаемых циклов расширения и сжатия будет возвр ~ общаться в первоначальное состояние.
Процессы, протекающве так, что изолированная система при осуществлении прямого и обратного процессов может вернуться в начальное состояние, называются обратимыми. Особенностью обратимых процессов является то, что они протекают через бесконечную цепочку равновесных состояний. Равновесное состоя~и~не является наиболее вероятным для данной системы и соответствует максимуму энтропии. Адиабатичсские обратимые процессы, идущие без отвода или подвода тепла (ЬЯ =О), протекают при постоянной энтропии (дую=0). Такие процессы называются изоэнгропическими.
Подсчет численного значения энтропии Во многих случаях реальные адиабатические процессы, протекающие в тепловых машинах и, в частности, в ЖРД, в значительной мере приближаются к обратимым процессам, а отклонение от ни~к может быть учтено экспериментальными коэффициентами. 81 1п р = 2,3ОЗ 1д р, 8»=5о — 1,986 2 ЗО31д р=Зо — 4 67 1д р. (11. 42) Для смесей газов различного состава, какими являются продукты сгорания в ЖРД, энтропия смеси при температуре Т и общем давлении смеси ро, выраженная в ккал/кг'С или в кал!кз'С, равна Я, =~;Ю„.Мп 1 (П. 43) где М1 — число граммолей 1-того газа в 1 1сг смеси, илн так как М =Ма Р' (!1.
44) где Мо — общее число граммолей газа в 1 кг смеси их, 1000 Мо =— »г то З ~ь'З М, Ро, Ро г' 1 »1 Ре где 5»1 — энтропия индивидуального 1-газа прн его парциальном давлении р1. Вводя в (1!. 45) соотношение (!1. 42), получим (1!. 45) Юр — — ~~~~~(о»1 — 4,57!др1) Мо Р' ! Для,расчета таких процессов бывает необходимо вычислять вели,чину энтропии. Не приводя здесь сложных зависимостей для тео,ретического определения энтропии, абсолютное значение которой зависит от строения газа, т. е. от его химической природы, приведем только некоторые формулы для подсчета энтрапии, необходимые в дальнейших расчетах.
В таблицах термодинамических величин обычно бывают приведены значения энтропий данного индивидуального химического вещества (водорода, кислорода, водяных паров и т. д.) в зависимости от температуры при стандартном давлении, равном одной физической атмосфере. Эту величину будем обозначать Яо, обычно она дается в малых калориях на 1 граммоль вещества и на 1 градус С.
Для вычисления энтропии этого же газа при любом давлении р используют формулу 8»=Во — АИ 1п р (11. 41) или, учитывая, что А)т= — 848=1,986 кал1граммоль'С, 427 или М~ 5„~ — ~~~ ~(Бвр,— 4,57р, !ар,). (11. 46) Как мы увидим, этой формулой часто приходится пользоваться при тепловом расчете ЖРД. й ПЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ГАЗАХ Диссоциация продуктов сгорания 89 До сих пор |в основном мы рассматривали процессы в газах постоянного состава при неизменном запасе химической энергин в них.
Продукты сгорания топлив ЖРД представляют собой смесь химических веществ, между которыми могут протекать химические реакции. Большие количества тепла, которые выделяются в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, приводят к тому, что продукты сгорания находятся в ней при весьма высоких температурах (3000 — 3600' абс). В свою очередь высокие температуры вызывают значительную диссоциацию продуктов сгорания, которая выражается в том, что даже при наличии свободного кислорода продукты сгорания состоят,не только из продуктов полного сгорания, но также и из продуктов неполного сгораниями (СО; ОН) и исходных топливных элементов (Нз). В смесях с недостатком кислорода свободный От появляется в продуктах сгорания за счет их разложения.
При еще более высоких температурах становится заметным содержание в продуктах сгорания атомарных газов О, Н, )Ч, а также )ЧО. На образование всех указанных выше продуктов днссоциации (СО, ОН, О, Н, )Ч, )ЧО) из соответствующих молекулярных газов затрачивается некоторая энергия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
