Тихомиров - Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция (1981)

К.В. Тихомиров

ТЕПЛОТЕХНИКА, ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ, 1981.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ТЕПЛОТЕХНИКА

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

§ 1. Предмет технической термодинамики Технической термодинамикой называется наука о свойствах тепловой энергии и законах взаимопреобразования тепловой и механической анергии. Техническая термодинамика положена в основу изучения и усовершенствования всех тепловых двигателей. Как известно из практики, во взаимопреобразовании тепловой и механической энергии участвует рабочее тело, в роли которого, как правило, выступают газообразные тела — газы и пары. Использование в качестве рабочего тела газов и паров объясняется тем, что они,  обладая большим коэффициентом теплового расширения, могут при  нагревании совершать гораздо большую работу, чем жидкости и твердые тела,

В термодинамике введено два понятия о газе, Газы, молекулы  которых обладают силами взаимодействия и имеют конечные, хотя и  весьма малые геометрические размеры, называются реальными газами. Газы, молекулы которых не обладают силами взаимодействия, а сами молекулы представляют собой материальные точки с ничтожно  малыми объемами, называются идеальными газами. Понятие об идеальном газе введено для упрощения изучения термодинамических процессов и получения более простых расчетных формул. Водяной «ар рассматривают как реальный газ, к которому нельзя применять законы, установленные для идеальных газов. Вес реальные газы являются парами тех или иных жидкостей; при этом, чем ближе газ к переходу в жидкое состояние, тем больше его свойства  отклоняются от свойств идеального газа.

§ 2. Основные параметры состояния газа и их единицы измерения

К основным параметрам состояния газов относятся: давление,  абсолютная температура и удельный объем. Давление. Давлением вообще называется сила, действующая на единицу площади поверхности тела перпендикулярно последней.  Давление газа есть средний результат силового воздействия громадного числа молекул газа на внутреннюю поверхность сосуда, в котором  заключен газ. Молекулы газа, находясь все время в движении,  ударяются о поверхность сосуда и тем самым «давят» на его стенки, В технике различают абсолютное давление, избыточное  давление  и разрежение. Под абсолютным давлением  подразумевается полное давление, под которым находится газ. Под избыточным  давлением понимают разность между абсолютным давлением, большим, чем атмосферное, и атмосферным давлением. Разрежение (вакуум)  характеризуется разностью между атмосферным давлением и  абсолютным давлением, меньшим, чем атмосферное.

Рассмотрим методы измерения давления с помощью U-образной трубки, залитой жидкостью и сообщающейся с атмосферным воздухом (рис. 1.1). Если давление в сосуде выше атмосферного (рис. 1.1,в), то жидкость в правом колене трубки прибора установятся выше, чем в левом, Давление в сосуде будет, очевидно, уравновешиваться давлением атмосферного воздуха и давлением столба жидкости, а трубке высотой.

Приборы, служащие, для измерения давления газа больше  атмосферного, называются манометрами к показывают избыточное  давление газа над атмосферным. В практике избыточное давление называют манометрическим давлением. Для измерения давлений меньше  атмосферного применяются вакуумметры, показывающие, насколько  давление газа ниже атмосферного. Устройство манометров и вакуумметров обычно основывается на уравновешивании усилий, передающихся от тела, давление которого измеряется массой жидкости или деформацией различного рода  пружин, и также нагрузкой на поршень.

Температура—параметр, характеризующий тепловое состояние  тела. Температура тела определяет направление возможного  самопроизвольного перехода тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Глава 2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И ГАЗОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

§ 5. Понятие о термодинамических процессах

В процессе преобразования тепла в работу участвует рабочее тело, состояние которого изменяется. Непрерывное изменение состояния  рабочего тела в результате взаимодействия его с окружающей средой называется термодинамическим процессом или сокращенно процессом. Различают равновесные (квазистатические) и неравновесные процессы. Процесс, протекающий при значительной разности те мл ер а тур и давлений окружающей среды и рабочего тела и создающий  неравномерное распределение температуры и давлений по всей массе рабочего тела, называется  неравновесным. Если же процесс происходит бесконечно медленно и при ничтожно  малой разности температур окружающей  среды и рабочего тела, то можно достигнуть равномерного распределения как температуры, так и. давления по всей массе  рабочего тела. Такой процесс называется равновесным. На рис. 1.3 изображен некоторый равновесный процесс изменения состояния газа. Равновесный процесс, проходящий в направлении от состояния  к состоянию 2 через промежуточные точки а, в, с и т, д. и связанный с расширением рабочего тела, называется прямым  процессом, а равновесный процесс, проходящий в направлении от состояния 2 к состоянию  через те же точки, что и в прямом процессе, но  связанный со сжатием рабочего тела, — обратным процессом.

Процессы, протекающие в прямом и обратном направлениях через одни и те же промежуточные точки, называются обратимыми. Для  обратимого процесса необходимы следующие условия: отсутствие  химических реакций в рабочем теле; отсутствие внутреннего и внешнего  трения; наличие бесконечно большого числа механических и термических равновесных состояний; бесконечно медленное изменение состояния рабочего тела.

 Примером такого идеализированного обратимого процесса может служить цикл Карно, рассматриваемый в § 12. Если в результате протекания прямого, а затем обратного  процессов происходят изменения, не удовлетворяющие условиям  обратимости процессов, и рабочее тело не приводится к, исходному состоянию одновременно с возвращением к этому состоянию всех взаимодействующим процессам относятся процесс сгорания топлива, передача тепла от  горячих тел к менее нагретым и т. д. Все реальные процессы протекают с конечной скоростью. Они сопровождаются трением, диффузией и  теплообменом при конечной разности между температурами системы и внешней среды. Следовательно, нес они неравновесные и необратимы. Степень необратимости разнообразных реальных процессов  различна. В предельном — идеальном — случае степень необратимости  становится бесконечно малой, а процесс обратимым, Связь между  обратимыми и действительными процессами устанавливают введением  поправочных коэффициентов, найденных экспериментально при изучении действительных процессов.

§ 6. Внутренняя энергия рабочего тела

В технической термодинамике под величиной внутренней: энергии понимают запас энергии в   теле, обусловленный тепловым  (хаотическим) движением молекул. Таким образом, внутренняя энергия зависит от интенсивности поступательного и вращательного движения  молекул, внутримолекулярных колебательных движений атомов молекул и от взаимного расположения (взаимодействия) молекул. Кинетическая энергия поступательного и вращательного движения молекул, а также энергия внутримолекулярных колебательных  движений атомов, как это доказывается в кинетической теории вещества,  зависят только от температуры. Если принять, что влияние сил  взаимодействия между молекулами равно нулю, т. е. рассматривать идеальный газ, то величина внутренней энергии.