Доклады, методические пособия

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Для самостоятельного изучения предмета

«Теоретические основы тепотехники» и выполнения контрольной работы

Методические указания составила Тусупбекова Алия Данияровна – преподаватель специальных дисциплин КГКП «Аксуского колледжа имени Жаяу Мусы».

            Методические указания для самостоятельного изучения тем и выполнения контрольной работы по предмету «Гидравлика и насосы» разработаны и составлены в соответствии с государственным образовательным стандартом для специальностей 0906000 «Теплоэнергетические установки тепловых электрических станций», типовой учебной программы и рабочей учебной программы.

            Методические указания предназначены для студентов – заочников по специальности 0906000 «Теплоэнергетические установки тепловых электрических станций».

Содержание

1	Пояснительная записка
2	Тематический план
3	Содержание учебной программы
4	Перечень лабораторно-практических занятий
5	Методические указания к выполнению контрольных работ
6	Контрольные вопросы
7	Экзаменационные билеты
8	Литератураи средства обучения

1 Пояснительная записка

Настоящие методическое   учебное пособие для самостоятельного изучения  дисциплины «Теоретические основы теплотехники» разработана на основе типовой учебной программы дисциплиныдля учебных заведений технического и профессионального образования Республики Казахстан по специальности 0906000 «Теплоэнергетические установки тепловых электрических станций», регистрационный № 537 от 17сентября 2010 года.

Методическое учебное пособие предусматривает изучение вопросов организации обслуживания, наладки и ремонта теплоэнергетического оборудования тепловых электрических станций (ТЭС), пуска и останова турбинных агрегатов:

• роль энергетики в народном хозяйстве;
• общие вопросы по использованию нетрадиционных источников тепла;
• параметры рабочего тела; меры ответственности за выполнениеучебной и производственной работы;
• правовые и нравственно-этические нормы в сфере профессиональной деятельности; состав смеси, и параметры смеси; свойства реальных газов;
• роль и значения новых технологий в профессиональном росте;
• роль энергетики в народном хозяйстве;
• процессы передачи тепла; меры ответственности за выполнение учебной и производственной работы;
• принципиальные схемы паротурбинных установок.

В целях контроля качества по предмету «Теоретические основы теплотехники» для студентов заочного отделения по специальности 0906000 «Теплоэнергетические установки тепловых электрических станций» предусмотрена контрольная работа – в 1 семестре и экзамен. Всего по предмету – 148 часов.

2Тематический план

№р/сп/п	Бөлімдермен тақырып атаулары/Наименование разделов и тем	Уақыт мөлшеріКоличествоучебного времени
барлығывсего	зтжлпз
Раздел 1. Основы технической термодинамики
1.1	Нетрадиционные источники тепла	2
1.2	Тепловая и механическая энергия	2
1.3	Основные термодинамические параметры состояния рабочего тела	2
1.4	Идеальный и реальный газ	2
1.5	Уравнение Менделеева–Клапейрона	2
1.6	Газовая смесь, её состав. Закон Дальтона	2
1.7	Теплоемкость и количество теплоты	2
1.8	Теплоемкость газовой смеси	2
1.9	Лабораторная работа №1 «Определение объемной теплоемкости воздуха при Р=const»		2
1.10	Первый закон термодинамики	2
1.11	Математическое выражение I закона термодинамики	2
1.12	Уравнение основных термодинамических процессов	2
1.13	Второй закон термодинамики	2
1.14	Идеальный цикл Карно, его изображение в PV-диаграмме	2
1.15	II закон термодинамики для обратимых и необратимых процессов	2
1.16	Энтропия изолированной системы	2
1.17	Изображение термодинамических процессов изменения состояния газа и цикла Карно в TS- диаграмме	2
1.18	Практическая работа  №1 «Расчет  термодинамического процесса»		2
1.19	Двигатели внутреннего сгорания. ДВС с подводом тепла при V и P=const	2
1.20	Газотурбинная установка. Циклы ГТУ с подводом тепла при V и P=const	2
1.21	Термодинамические основы работы компрессоров	2
1.22	Свойства реальных газов. Водяной пар как реальный газ	2
1.23	Насыщенный водяной пар. Перегретый пар	2
1.24	Пограничные кривые и критическая точка	2
1.25	PV,TS,iS-диаграммы для водяного пара.	2
1.26	Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара	2
1.27	Лабораторная работа №2 «Определение зависимости между Р и Т насыщенного пара»		2
1.28	Лабораторная работа №3 «Определение теплоты парообразования»		2
1.29	Лабараторная работа №4 «Определение степени сухости и энтальпии влажного насыщенного пара»		2
1.30	Основные процессы изменения состояния водяного пара	2
1.31	Изображение основных термодинамических процессов водяного пара в PV,TS,IS-диаграммах	2
1.32	Расчет процессов изменения состояния водяного пара с помощью таблиц и IS-диаграммы	2
1.33	Практическая работа №2 «Исследование процессов водяного пара в PV-диаграммах»		2
1.34	Работа проталкивания и располагаемая работа. Комбинированное сопло Лаваля	2
1.35	Дросселирование идеального газа и водяного пара.	2
1.36	Лабораторная работа №5 «Исследование процесса истечения водяного пара из сопла»		2
1.37	Лабораторная работа №6 «Исследование процесса дросселирования водяного пара»		2
1.38	Цикл Ренкина- идеальный пароводяной цикл ТЭС, изображение в PV,TS-диаграммах	2
1.39	Действительный цикл с необратимым адиабатным расширением пара в турбине	2
1.40	Термический КПД цикла Ренкина и его определение с использованием TS-диаграммы и термодинамических таблиц водяного пара	2
1.41	Удельный расход пара и теплоты	2
1.42	Регенеративный цикл паротурбинной установки	2
1.43	Регенеративный цикл с промежуточным перегревом пара	2
1.44	Термодинамические основы теплофикации	2
1.45	Бинарный и парогазовый цикл теплосиловых установок	2
1.46	Термический КПД парогазового цикла, изображение  цикла в TS-диаграмме	2
1.47	Лабораторная работа №7 «Исследование цикла Ренкина»		2
Раздел II. Основы теплопередачи
2.1	Передача теплоты теплопроводностью.	2
2.2	Закон Фурье	2
2.3	Лабораторная работа №8 «Определение коэффициента теплопроводности изоляционного материала методом трубы или шара»		2
2.4	Теплоотдача между плоской стенкой и жидкостью. Закон Ньютона-Рихмана	2
2.5	Основы теории подобия и моделирования	2
2.6	Теплопередача. Коэффициент теплопередачи, его физический смысл	2
2.7	Факторы, обуславливающие свободное движение жидкости	2
2.8	Теплоотдача при продольном обтекании гладких труб в турбулентном режиме	2
2.9	Процесс теплоотдачи при поперечном обмывании труб	2
2.10	Шахматное и коридорное расположение труб в пучках	2
2.11	Условия возникновения конденсации	2
2.12	Условия возникновения кипения	2
2.13	«Лабораторная работа №9» Определение коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы при свободном движении воздуха и вывод критериальных зависимостей	2	2
2.14	Лабораторная работа №10 «Определение коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении жидкости»		2
2.15	Лабораторная работа №11 «Исследование теплообмена в процессе конденсации пара»		2
2.16	Свойства теплового излучения.	2
2.17	Основные законы теплоизлучения	2
2.18	Теплообмен излучением между двумя параллельными поверхностями	2
2.19	Сложный теплообмен как совокупность одновременно протекающих процессов	2
2.20	Принцип работы теплообменных аппаратов	2
2.21	Уравнение теплового баланса и теплопередачи в теплообменном аппарате	2
2.22	Теплообмен конвекцией и излучением в теплообменных аппаратах	2
2.23	Коэффициент теплоотдачи при различных формах поверхности теплообмена	2
2.24	Определение конечной температуры теплоносителей и температуры поверхности теплообмена	2
2.25	Теплообменные аппараты, устанавливаемые на ТЭС	2
2.26	Лабораторная работа №12 «Определение коэффициента излучения твердого тела»		2
2.27	Лабораторная работа №13 «Исследование процесса теплопередачи в теплообменном аппарате		2
Итого	118	30

3 Содержание учебной программы

Нетрадиционные источники тепла.

Электрические станции,имеющие наибольшее значение в настоящее время, разделяют по следующим признакам:

1.По виду используемой природной энергии:

А)ГЭС

Б)ТЭС

В)АЭС

Г)Солнечные ЭС, ветровые ЭС, приливов и отливов  и т. д.

2.По виду отпускаемой энергии:

А)Тепловые электростанции, отпускающие только электрическую энергию – КЭС.

Б)Тепловые электростанции, отпускающие электрическую и тепловую энергию – ТЭЦ

Источником отпускаемого тепла является отработавший пар или отработавший газ теплового двигателя.

3.По виду теплового двигателя:

А) электростанции с паровыми турбинами – паротурбинные ТЭС, которые являются основным видом электростанций в нашей и за рубежом:

Б) электростанции с газовыми турбинами – газотурбинные  ТЭС:

В)электростанции с парогазовыми установками – парогазовые ТЭС:

Г) электростанции с двигателями внутреннего сгорания ДЭС:

4. 4. По назначению:

А) районные электростанции (общего пользования) , обслуживающие все виды потребителей района и являющиеся самостоятельными предприятиями: районные конденсационные электростанции – ГРЭС, районные теплоэлектроцентрали  — ТЭЦ: коммунальные электростанции.

Б) промышленные электростанции , входящие в состав производственных предприятий  и предназначенные в основном для энергоснабжения предприятий, а также прилегающих к ним городских и сельских районов.

Паротурбинные электростанции разделяют так же и по другим менее характерным признакам, а именно:

• По величине и мощности агрегатов;
• По начальным параметрам пара;
• По виду используемого топлива(на твердом, газе мазуте, смешанном топливе);
• По расположению относительно топливной базы(ТЭС на местном и привозном топливе);
• По стоимости топлива(ТЭС на дорогом и дешевом топливе);
• По источнику и системе водоснабжения;

• По технологической структуре(ТЭС блочного и не блочного типа);
• По типу компоновки оборудования и зданий (закрытого, открытого и полуоткрытого типа);
• По связи с энергосистемами и с другими ТЭС;
• По характеру нагрузки (базовые, пиковые и промежуточного типа).

Тепловая и механическая энергия.

Тепловая энергия — форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело. Тепловая энергия — это энергия механических колебаний структурных элементов вещества (будь то атомы, молекулы или заряженные частицы). 
           Тепловая энергия тела также называется внутренней энергией.
            Тепловая энергия может выделяться благодаря химическим реакциям (горение), ядерным реакциям (деление ядра, ядерный синтез), механическим взаимодействиям (трение). Теплота может передаваться между телами с помощью теплопроводности, конвекции или излучения.

Примерами того как механическая энергия может применяться человеком служат и изобретенные в древнейшие времена орудия (нож, копье и т.д.), и самые современные часы, самолеты, прочие механизмы.
             По своему агрегатному состоянию все виды органического топлива разделяют на твердое, жидкое и газообразное. ресурсов. 
Природный газ, являясь универсальным и экономичным видом топлива, способствует повышению производительности труда, улучшению производственного комфорта, созданию нового высокоэффективного оборудования и технологических процессов, снижению удельных расходов топлива. Квалифицированное сжигание газа защищает от загрязнения промышленных объектов и населенных пунктов. Снижение удельных расходов газа на единицу конечной продукции достигается применением новых технологических процессов и более экономичного оборудования.
Газифицированные котельные агрегаты, использующие современные конструкции газогорелочных устройств, наиболее рационально сжигающих газ, автоматизация процессов горения способствует обеспечению энергосбережения.       

Основные термодинамические параметры состояния рабочего тела.

     Термодинамика – это наука об энергии и ее свой­ствах, она представляет собой важнейшую отрасль естествознания. 

          Термодинамику в зависимости от круга рассматривае­мых, вопросов и целей исследования делят на физическую или общую, химическую и техническую. В физической термодинамике даются представления об общих теоре­тических основаx термодинамики и закономерностях превращения энергии в разнообразных физических явлениях, таких, как электрические, магнитные, поверх­ностные, капиллярные и др. В химической термодинамике изучаются тепловой эффект различных химических реакций, расчет химического  равновесия, исследуются свойства растворов и т. п.

           Техническая термодинамика изучает применение за­конов термодинамики к процессам взаимного превраще­ния тепла и работы. При этом, исходя из данных о действительном механизме процесса всегда можно схематизировать каждый из реальных процессов так, чтобы сделать осуществимым полный его термодинами­ческий анализ. Сущность этой схематизации состоит в том, что из совокупности всех участвующих в процессе тел выделяется рабочее тело, т. е. то, при помощи кото­рого осуществляется рассматриваемый процесс, а осталь­ные тела рассматриваются как источники (и поглотите­ли) тепла. Такая совокупность тел, находящихся во взаимодействии, называется термодинамической систе­мой.

            Важно отметить также, что для определения полез­ной работы процесса и количества переданного тепла, что составляет главное содержание прикладной части термодинамики, необязательно знать все особенности кинетики реального процесса.

Вполне достаточно, чтобы наряду с внешними условиями, в которых протекает процесс, были известны лишь начальные и конечные состояния всех участвующих в процессе тел. При этом для лучшего понимания физического смысла изучаемых процессов термодинамический метод анализа обычно со­четается с молекулярными и статистическими исследо­ваниями.

Идеальный и реальный газ.

Уравнение состояния идеального газа.

Идеальным называется газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Реальный газ при достаточном разрежении близок по своим свойствам к идеальному. Идеальный газ одно из двух идеальных систем,

для которых можно строго вывести уравнение состояния. Для всех других систем уравнения состояния получают эмпирически.

Рассмотрим идеальный газ, заключенный в сосуде. Молекулы газа непрерывно соударяются с его стенками, в результате чего оказывают давление на них. Рассмотрим взаимодействие молекул с одной стенкой (рис.1.15.1).

Рис.1.15.1.

Вследствие хаотичности движения молекул давление газа на различные участки стенок сосуда одинаково. Давление газа на стенки определяется

р=(суммарная сила взаимодействия молекул со стенкой) / (площадь стенки)

Молекулы соударяются со стенкой упруго, т.е. отскакивают от стенки зеркально (углы падения и отражения равно). В результате взаимодействия с одной молекулой, массы т, движущейся со скоростью  , стенка, расположенная перпендикулярно оси х, получает импульс  . Поскольку все направления движения равновероятны, за время dt со стенкой площадью  столкнется dN молекул, имеющих составляющую скорости  , dN=  , где  — число молекул в единице объема, имеющих скорости в интервале  . Величина  , п – концентрация молекул,  вероятность молекулам иметь скорость в указанном интервале. Тогда сила соударения молекул, имеющих скорость в указанном интервале.

Уравнение Менделеева–Клапейрона.

Газы нередко бывают реагентами и продуктами в химических реакциях. Не всегда удается заставить их реагировать между собой при нормальных условиях. Поэтому нужно научиться определять число молей газов в условиях, отличных от нормальных.

Для этого используют уравнение состояния идеального газа (его также называют уравнением Клапейрона-Менделеева):

PV = nRT

где n – число молей газа;

P – давление газа (например, в атм;

V – объем газа (в литрах);

T – температура газа (в кельвинах);

R – газовая постоянная (0,0821 л·атм/моль·K).

Например, в колбе объемом 2,6 л находится кислород при давлении 2,3 атм и температуре 26 ^оС. Вопрос: сколько молей O₂ содержится в колбе?

Из газового закона найдем искомое число молей n:

Не следует забывать преобразовывать температуру из градусов Цельсия в кельвины: (273 ^оС + 26 ^оС) = 299 K. Вообще говоря, чтобы не ошибиться в подобных вычислениях, нужно внимательно следить за размерностью величин, подставляемых в уравнение Клапейрона-Менделеева. Если давление дается в мм ртутного столба, то нужно перевести его в атмосферы, исходя из соотношения: 1 атм = 760 мм рт. ст.

         Давление, заданное в паскалях (Па), также можно перевести в атмосферы, исходя из того, что 101325 Па = 1 атм.

Газовая смесь, её состав. Закон Дальтона.

Смеси газов и их параметры.

               На практике зачастую необходимо исследование тепловых процессов, в которых участвуют смеси газов: поведение воздуха и испарившегося топлива в камерах сгорания различных двигателей, явления движения продуктов сгорания и взрыва, испарения и конденсации паров воды в воздухе и т. д. Для этой цели необходимо иметь модели смеси реальных газов.

              Следует отметить, что смеси реальных газов при малых давлениях и больших температурах, в том числе и воздух в обычных условиях, хорошо описываются модель идеального газа. Поэтому в дальнейшем все смеси реальных газов будем считать идеальным газом.

              Как известно, модель идеального газа основана на уравнении состояния вида 

                Здесь все параметры, кроме газовой постоянной R, могут быть определены опытным путем, поэтому задача построения модели смеси газов основана на определении газовой постоянной R для смеси.

                 Однако проще сначала определить не R, а киломольную массу смеси   , а затем найти R из равенства

               Здесь R_m — универсальная газовая поставная, R_m=8314 Дж/(кмоль×К). Рассмотрим основные свойства смеси идеальных газов, необходимые для определения   .

Закон Дальтона— основной закон газовой смеси.

             Основной закон газовой смеси — закон Дальтона (1801 г.): каждый отдельный газ ведет себя в газовой смеси так, как если бы он один при температуре смеси занимал весь объем смеси.

              Следствие из закона Дальтона: каждый отдельный газ в смеси оказывает на стенки сосуда такое давление, как если бы он один занимал объем смеси. Давление каждого компонента смеси называется парциальным давлением и обозначается для i— го компонента смеси как p_i.

             Это следствие из закона Дальтона можно записать так: давление газовой смеси p равно сумме парциальных давления p_i ее компонентов:

             Здесь k — число компонентов смеси;   — относительное парциальная давление i-го компонента смеси.

Теплоемкость и количество теплоты.

Теплоемкость тела – это количество тепла, подводимого к 1 кг или 1 м³ вещества рабочего тела для изменения его температуры на один градус .

Пусть при бесконечно малом изменении состояния тела количество теплоты dQ вызывает изменение температуры тела dT, тогда теплоемкость тела в данном процессе выразится отношением:

C=dQ/dT.

Единицей измерения теплоемкости в системе СИ является [Дж/К].

Теплоемкость зависит от характера процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты. Так например теплоемкость С_V отличается от удельной теплоемкости газов С_p, когда подвод тепла происходит при постоянном давлении.

Удельная теплоемкость есть отношение теплоемкости к массе вещества.

Молярная теплоемкость есть произведение удельной теплоемкости вещества на его молярную массу.

В зависимости от выбранной единицы рабочего тела различают три вида теплоемкости.

Существует две теории теплоемкости: молекулярно-кинетическая и квантовая.

Согласно молекулярно-кинетической теории теплоемкость не зависит от температуры, а только от вида процесса, то есть C=const . В данном случае массовая теплоемкость определяется выражением:

Теплоемкость газовой смеси.

Средняя теплоемкость определяет среднее количество подведенной теплоты при нагревании единицы количества газа на 1° в интервале температур от tx до t%: где q — количество теплоты, подведенной к единице массы газа при его нагревании от температуры tt до температуры t%.В зависимости от характера протекания процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты, величина теплоемкости   газа   будет   различной.Если газ подогревается в сосуде постоянного объема (V =» = const), то теплота расходуется только на повышение его температуры.Если газ находится в цилиндре с подвижным поршнем, то при подводе теплоты давление газа остается постоянным (р = = const). При этом, подогреваясь, газ расширяется и производит работу против внешних сил при одновременном увеличении его температуры. Для того чтобы разность между конечной и начальной температурами во время нагрева газа в процессе р = const была бы такой же, как и в случае нагрева при V = = const, количество затрачиваемой теплоты должно быть больше на величину, равную совершенной газом работы в процессе р = = const. Из этого следует, что теплоемкость газа при постоянном давлении ср будет больше теплоемкости при постоянном   объеме. Второй член в уравнениях характеризует количество теплоты, затрадиваемой на работу газа в процессе р = = const при изменении температуры на 1°.

Лабораторная работа №1 «Определение объемной теплоемкости воздуха при Р=const».

Цель работы – изучение процессов в идеальных газах, определение отношения теплоемкостей при Р=const.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ

1. Какой процесс называется адиабатическим? Какие существуют методы определения показателя адиабаты?
2. Какие существуют методы раздельного определения теплоемкостей С_vи С_р? Проанализируйте литературные данные, сделайте реферативное сообщение.
3. Почему непосредственное определение С_vболее затруднительно, чем С_р?
4. одинакова для молярных, удельных и других теплоемкостей? Ответ обосновать аналитически.gПочему величина
5. от температуры? Сделайте соответствующий литературный обзор.gКак зависит величина
6. Почему на практике сложно реализовать адиабатический процесс?
7. Почему различны показатели адиабаты для одноатомного, двухатомного и многоатомного газа? Ответ обосновать.
8. При накачивании воздуха в баллон его температура увеличивается. Каковы причины этого явления?
9. , завышают или занижают это значение и почему?gКак влияют пары воды в баллоне на величину измеренного значения
10. Почему при открывании крана Атемпература воздуха в баллоне понижается?
11. Является ли постоянным количество газа в баллоне? Как это учитывается в процессах, происходящих в эксперименте?
12. Есть ли в процессах, происходящих в баллоне, «квазизобарные»? Если есть, то укажите участок PV, на котором реализуется это явление.
13. Как вычислить количество газа в граммах, которое закачивается в баллон? Оцените это количество.
14. Почему разность столбов жидкости в манометре зависит от времени открывания крана? 
15. В данной работе нелинейный процесс аппроксимируют экспонентой. Какую погрешность вносят данным допущением? 
16. При обработке экспериментальных данных используют метод экстраполяции. Объясните, для чего это делают?
17. данным методом?gПроанализируйте возможные ошибки, возникающие при определении
18. При каких условиях график зависимости  является оптимальным?tот
19. Предложите методы, позволяющие оптимизировать эксперимент, улучшить воспроизводимость результатов.
20. Почему теплоемкость зависит от способа нагревания?

Первый закон термодинамики.

Первое начало (первый закон) термодинамики— это закон сохранения и превращения энер­гии для термодинамической системы.

Согласно первому началу термодинамики, работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах — джоулях (как и энергию).

Первое начало термодинамики было сформулировано немецким ученым Ю. Л. Манером в 1842 г. и подтверждено экспериментально английским ученым Дж. Джоулем в 1843 г.

Первый закон термодинамики формулируется так:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

ΔU = A + Q,

где ΔU — изменение внутренней энергии, A — работа внешних сил, Q — количество теплоты, переданной системе.

Из (ΔU = A + Q) следует закон сохранения внутренней энергии. Если систему изолировать от вне­шних воздействий, то A = 0и Q = 0, а следовательно, и ΔU = 0.

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.

Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение (ΔU = A + Q) записывается.

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Первое начало термодинамики может быть сформулировано как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника (т. е. только за счет внутренней энергии).

Действительно, если к телу не поступает теплота (Q — 0), то работа A’, согласно уравнению  , совершается только за счет убыли внутренней энергии А’ = -ΔU. После того, как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестает работать.

Следует помнить, что как работа, так и количество теплоты, являются характеристиками процесса изменения внутренней энергии, поэтому нельзя говорить, что в системе содержится опреде­ленное количество теплоты или работы. Система в любом состоянии обладает лишь определенной внутренней энергией.

Математическое выражение I закона термодинамики.

Первый закон термодинамики непосредственно связан с законом сохранения энергии, который устанавливает эквивалентность различных её форм: различные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных, всегда одинаковых соотношениях.

Из этого соотношения вытекает ряд следствий:

1) Для кругового процесса в котором ∆U = U₂ – U₁ = 0 , соблюдается равенство

Q= A.

2) Для изотермического процесса, в котором работа совершается против внешнего давления А= р∆V отсюда Q = ΔU + р∆V

3) Для изохорных процессов, где не происходит изменение объёма, то есть ∆V= 0 и работа А=0, Q = U₂-U₁ = ΔU

4) Для изобарных поцессов при Р = соnst:

Q = (U₂-U₁) +p(V₂-V₁) = (U₂ + pV₂) — (U₁+ pV₁); приращение функции U+ pV обозначим H, Q = Н₂ — Н₁ = ∆Н, где ∆Н – энтальпия – теплосодержание системы, но не количество теплоты в теле.

Её изменение, как и изменение внутренней энергии системы, не зависит от пути процесса, так как изменение объёма при постоянном давлении определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Разница между внутренней энергией U и энтальпией H относительно невелика для конденсированных состояний и для веществ в кристаллическом состоянии не превышат ≈ 5%.

Изменение энтальпии может иметь положительное и отрицательное значение.

Тепловым эффектом процесса называютсумму поглощаемой теплоты и всей работы, выполняемой средой над данной системой, за вычетом работы внешнего давления. Для изохорно-изотермических процессов тепловой эффект равен изменению внутренней энергии системы ∆U = U₂ – U₁, а для изобарно-изотермических — изменению энтальпии ∆H = H₂– H₁.

В термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты, так как тепловой эффект рассчитывается на 1 моль образовавшегося вещества. Например, для химической реакции

Н₂ + Сl₂ = 2НСl

термохимическое уравнение записывается так

1/2Н_2(г) + 1/2Сl_2(г) = НСl_(г) + 92,3 кДж или

1/2Н_2(г) + 1/2Сl_2(г) = НСl_(г); ∆Н = — 92,3 кДж.

Уравнение основных термодинамических процессов.

Основными процессами в термодинамике являются:

• изохорный, протекающий при постоянном объеме;
• изобарный, протекающий при постоянном давлении;
• изотермический, происходящий при постоянной температуре;
• адиабатный, при котором теплообмен с окружающей средой отсутствует;
• политропный, удовлетворяющий уравнению pvⁿ= const.

Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса.

При исследовании термодинамических процессов определяют:

• уравнение процесса в p—v иT—s координатах;
• связь между параметрами состояния газа;
• изменение внутренней энергии;
• величину внешней работы;
• количество подведенной теплоты на осуществление процесса или количество отведенной теплоты.

Изохорный процесс

Изохорный процесс в p, v— , T, s— и i, s-координатах (диаграммах).

Второй закон термодинамики.

Второй закон связан с понятием энтропии, являющейся мерой хаоса (или мерой порядка). Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает.

Существует два классических определения второго закона термодинамики :

• Кельвина и Планка

Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу. (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты)

• Клаузиуса

Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара)

Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает.

Второй закон связан с понятием энтропии (S).

Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии — стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое измение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако, энтропия вселенной при этом не уменьшается.

Для того, чтобы энергию можно было использовать, в системе должны быть области с высоким и низким уровнями энергии. Полезная работа производится в результате передачи энергии от области с высоким уровнем энергии к области с низким уровнем энергии.

• 100% энергии не может быть преобразовано в работу
• Энтропия может вырабатываться, но не может быть уничтожена

Идеальный цикл Карно, его изображение в PV-диаграмме.

В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов^[1]. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником^[2].

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году^[3][4].

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно

Рис. 1. Цикл Карно в координатах T—S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой {\displaystyle T_{H}}, холодильника с температурой {\displaystyle T_{X}} и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах {\displaystyle T} (температура) и {\displaystyle S} (энтропия).

1. 1. Изотермическое расширение(на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру {\displaystyle T_{H}}, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты{\displaystyle Q_{H}}. При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2. 2. Адиабатическое расширение(на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника {\displaystyle T_{X}}, тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
3. 3. Изотермическое сжатие(на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру {\displaystyle T_{X}}, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты {\displaystyle Q_{X}}. Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
4. 4. Адиабатическое сжатие(на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.