16. Визначення і аналітичний вираз першого закону термодинаміки.

Перший закон термодинаміки—це застосування загального закону збереження матерії щодо видів енергій, має філософське і важливе технічне значення, тому існує ряд визначень:

1. Енергія безслідно не зникає і не виникає із нічого, а лише переходить з одного виду в інший.

2. Неможлива робота вічного двигуна першого роду, тобто двигуна, до якого періодично підводився любий вид енергії.

3. Кількість підведеної теплоти до термодинамічної системи йде на зміну внутрішньої енергії робочого тіла і виконання зовнішньої корисної роботи цим тілом.

,

кількість підведеної теплоти, Дж; зміна внутрішньої енергії робочого тіла, Дж; зовнішня корисна робота, виконана системою, Дж.

Предметом дослідження першим законом термодинаміки є термодинамічний процес.

Аналітичний вираз першого закону термодинаміки описується наступними рівняннями

17. Визначення і аналітичний вираз другого закону термодинаміки.

1) Довільно, сама собою теплота не передається від тіл з вищою температурою до тіл з нижчою, тобто передача теплоти здійснюється до досягнення рівності температур.

2) Перетворення теплоти в корисну роботу в теплових машинах відбувається лише при переході теплоти від нагрітого тіла до холодного.

3) Неможлива робота вічного двигуна другого роду, в якому вся теплота від верхнього джерела теплоти перетворювалась би в зовнішню корисну роботу, частина теплоти обов’язково передається нижньому джерелу теплоти.

Аналітичним виразом другого закону термодинаміки є:

де знак „=” для ідеальних циклів, а знак „<” для реальних. Цей інтеграл в термодинаміці відомий як інтеграл Клаузіуса.

18. Витікання і дроселювання газів парів. Сопло Лаваля.

В елементах теплових машин для збільшення швидкості витікання застосовують сопла Лаваля (класичне, комбіноване). Сопло Лаваля в проекції на площину має різке звуження після вхідного отвору на невеликій довжині і далі повільне розширення на значно більшій довжині.

Схема сопла і графіки зміни швидкості витікання і

місцевої швидкості звуку а

F₁—площа перерізу вхідного отвору, м²; F₂—площа перерізу вихідного отвору, м²;

F_min—мінімальна площина перерізу сопла, м².

У літературі наведені рівняння для визначення геометричних розмірів сопла при різних вхідних параметрах середовища (P,V) і різних фізичних властивостях середовища.

Найширше використання мають комбіновані сопла Лаваля, у яких довжина частини сопла, що звужується, рівна діаметру вхідного отвору, а кут конусності частини, що розширюється—10-12 град.

19.Поняття і визначення термічного к.К.Д. І холодильного коефіцієнта φ.

Термічний ККД—вказує на ефективність перетворення підведеної теплоти в зовнішню корисну роботу

де кількість підведеної теплоти до термодинамічної системи від верхнього джерела теплоти, Дж/кг; кількість відведеної теплоти від термодинамічної системи до нижнього джерела теплоти, Дж/кг; питома зовнішня корисна робота виконана за цикл, Дж/кг.

Холодний коефіцієнт (ХК)—вказує на ефективність даної холодильної машини і дорівнює відношенню підведеної теплоти від нижнього джерела теплоти (холодильна потужність) до роботи підведеної із зовні для здійснення циклу де кількість теплоти, що відводиться від машини до верхнього джерела теплоти, Дж/кг; кількість теплоти, що підводиться до машини Дж/кг; питома робота, Дж/кг.

20. Прямий і обернений цикли Карно. Теорема Карно.

Зображення циклу Карно в PV i TS-координатах.

Ділянка 1-2—адіабатний процес розширення робочого тіла (робочий процес);

2-3—ізотермічний відвід теплоти q₂ від системи до нижнього джерела теплоти;

3-4—адіабатний стиск робочого тіла;

4-1—ізотермічний підвід q₁ від верхнього джерела теплоти до термодинамічної системи.

1. Термічний ККД ідеального цикла Карно залежить лише від значень абсолютних температур T₂ i T₁. зростає із збільшенням і зменшенням .

2. Уся теплота q₁ не може бути повністю перетворена в роботу.

3. Якщо T₁=T₂ , то отже якщо всі тіла системи мають однакову температуру, то неможливе перетворення теплоти в роботу.

4. Теорема Карно. Термічний ККД не залежить від конструкції двигуна і фізичних властивостей робочого тіла, а залежить лише від значень T₁ i T₂.

21. Фазова PV – діаграма води і водяної пари..

Насичення води—кипіння, тобто випаровування рідини по усьому її об’єму.

Насичення пари—це коли завершується процес пароутворення і пара із вологої перетворюється у суху. Із збільшенням температури насичення води або її пари тиск, що відповідає цим температурам зростає.

Фазова PV діаграма

І—область льоду;

ІІ—область рідини (вода);

ІІІ—область вологої насиченої пари;

IV—область сухої перегрітої пари.

Точка А—стан речовини, який відповідає одночасному перебуванню її в трьох агрегатних станах (потрійна точка стану води): Т_а=273,16 К; Р_а=750 мм.рт.ст.; К—критична точка, в якій одночасно можуть існувати вода і водяна пара: t_к=374,15 °C; Р_к=22,129 МПа. В критичному стані густина води і пари рівні.

Лінія ВА—перехід води із твердого у рідкий стан.

Лінія АК—лінія насичення води, тобто її кипіння.

Лінія КС-- лінія насичення пари, завершується процес пароутворення; пара із вологої перетворилась у суху перегріту.

Для АК x=0, KC x=1, де x—степінь сухості пари—відношення маси сухої перегрітої пари до загальної маси вологої пари, який змінюється від нуля до одиниці

22. HS – діаграма водяної пари. Аналіз процесів, які відбуваються з робочим тілом в елементах паросилової установки з допомогою HS – діаграми.

За початок прийнята потрійна точка стану води. Наноситься нижня і верхня пограничні криві, точки сталих питомих об’ємів v, сталих тисків p, сталих температур t і сталих ступеней сухості пари x.

p₁, p₂, p₃—лінії сталих тисків (ізобари);

v₁, v₂, v₃—лінії сталих питомих об’ємів (ізохори); температура вологої насиченої (сухої перегрітої) пари в °С.

Зручність користування hs-діаграмою полягає в тому, що по двох відомих параметрах можна визначити місце знаходження точки і відповідно усі інші параметри пари, що відповідають даному її стану (p, v, t, h, s, x).

За допомогою hs-діаграми можна розрахувати теплові потужності пароперегрівача, турбіни і конденсатора.

Принципова схема паросилової установки (ПСУ)

1—теплогенератор;

2—пароперегрівач;

3—парова турбіна;

Отже, за допомогою діаграми можна розрахувати теплову потужність 2, 3, 5 елементів ПСУ. Процес перегріву пари в пароперегрівачі протікає при сталому тиску створюваному сітковим насосом і на hs-діаграмі зображається лінією 1-1’. Кількість теплоти, що підводиться до водяної пари в пароперегрівачі еквівалентна довжині відрізка , а не площі фігури.

Процес дроселювання пари в паропроводах при її русі від 2 до 3 позначається пунктирною горизонтальною лінією при сталій ентальпії 1’-2.

Процес розширення пари в турбіні відбувається по політропі 2-3, а для спрощених розрахунків його вважають адіабатним (S=const) 2-3’.