1 Основи технічної термодинаміки

1.1 Властивості робочих тіл

1.1.1 Робоче тіло та його параметри

Технічна термодинаміка, застосовуючи основні закони до процесів взаємного перетворення теплоти і роботи, допомагає розробляти теплові двигуни, досліджувати процеси, що протікають у них і т.п.

Об'єктом дослідження технічної термодинаміки є термодинамічна система, якою можуть бути група тіл, тіло чи частина тіла.

Термодинамічна система являє собою сукупність матеріальних тіл, що знаходяться в механічній і тепловій взаємодії один з одним і з оточуючими систему зовнішніми тілами. Усе, що не входить до системи, називається навколишнім середовищем. Термодинамічні системи можуть бути:

• відкриті (є обмін з навколишнім середовищем і речовиною, і

енергією);

• закриті (є обмін з навколишнім середовищем тільки енергією);

• ізольовані (без будь-якого обміну з навколишнім середовищем).

Предметом технічної термодинаміки є вивчення процесів взаємного перетворення теплоти і роботи в різних теплових машинах. Ці перетворення здійснюються за допомогою робочого тіла. Робочим тілом можуть бути тверді тіла, рідини і гази. Найчастіше використовують гази і пари, тому що вони значно змінюють свій об’єм при зміні температури або тиску.

Фізичний стан робочого тіла визначається деякими величинами, які характеризують даний стан і називаються термодинамічними параметрами. Основними термодинамічними параметрами для газів є: абсолютний тиск, абсолютна температура, питомий об’єм.

Тиск із погляду молекулярно-кінетичної теорії є середній результат ударів молекул газу, що знаходяться в безупинному хаотичному русі, по стінках судини, у якій утримується газ. Тиск виміряється силою, яка рівномірно діє на одиницю поверхні, і являє собою відношення нормальної складової сили до поверхні, на котру сила діє

Р = N /F, (1.1)

де N – сила, Н;

F – площа поверхні, м².

У Міжнародній системі одиниць СІ тиск вимірюється у паскалях: 1 Па = 1 Н/м². Оскільки тиск в 1 паскаль є величина малою (1 ат = 98066,5 Па), зручніше використовувати більш великі значення тиску:

1 кПа = 10³ Па; 1 МПа = 10⁶ Па; 1 ГПа = 10⁹ Па. На практиці часто використовують позасистемні одиниці:

1 кгс/м² = 1 мм.вод.ст. = 9,8066 Па ≈ 10 Па; 1 мм.рт.ст. = 133,3 Па;

1 атм = 760 мм.рт.ст. = 101325 Па; 1 бар = 10⁵ Па;

Розрізняють тиск: атмосферний, надлишковий, розрядження (вакуум). Атмосферний тиск Р_атм – це тиск навколишнього середовища, якій вимірюють барометрами. Надлишковий тиск Р_над – різниця між тиском навколишнього середовища і тиском рідини чи газу за умовою, що він перевищує атмосферний тиск. Вимірюють надлишковий тиск манометрами. Вакуум (розрядження) Р_вак – різниця між тиском навколишнього середовища і тиском рідини чи газу у даному об’ємі за умовою, що він менше атмосферного тиску. Вимірюють розрядження вакуумметрами.

Тиск газу можна також вимірювати за допомогою висоти стовпчика рідини, яка стикається з даним газом, тобто за допомогою U-подібного манометра. Середовище з тиском газу Р_а з'єднується за допомогою металевої чи гумової трубки з одним коліном U-подібного манометра. Друге коліно манометра з'єднується з атмосферою, що має барометричний тиск Р_б (рис. 1.1).

У залежності від того, в якому коліні манометра ми маємо більш високий стовпчик рідини, ми отримуємо надлишковий тиск чи розрядження. Різниця висот рідини h в обох колінах дорівнює тиску середовища. У випадку надлишкового тиску висота рідини з боку атмосфери буде більше (рис 1.1). При цьому

Р_над = h ρ g, (1.2)

де ρ – густина рідини, кг/м³; g – прискорення вільного падіння, м/с².

Рисунок 1.1 – Вимірювання тиску U-подібним манометром

Як робочу рідину найчастіше використовують воду чи спирт. З рівняння (1.2) можна побачити, що при використанні води, для якої густина дорівнює 1000 кг/м³, висота стовпчика води h U-подібного манометра в міліметрах дорівнює тиску Р_над в міліметрах водного стовпа. Якщо це значення помножити на g = 9,8 м/с², то ми отримаємо значення тиску Р_над в паскалях.

Точність виміру тиску U-подібним манометром при правильному відліку рівнів рідини в трубках є досить високою. У зв’язку з тим, що рідина при підвищенні температури розширюється, висота стовпчика рідини, відповідна даному тиску, теж збільшується. Це слід враховувати при переводі в паскалі показань ртутних барометрів. Звичайно показання барометрів зводять до 0 ^оС за формулою

P₀ o_C = P_t o_C (1 - β t), (1.3)

де P0 o_C – барометричний тиск при 0 ^оС, мм.рт.ст;

Pt o_C – барометричний тиск при температурі t ^оС, мм.рт.ст; β – температурний коефіцієнт об’ємного розширення рідини (для ртуті β = 0,000172).

Термодинамічним параметром стану робочого тіла є тільки абсолютний тиск Р_абс, тобто тиск, якій вимірюється від абсолютного нуля тиску. Це пов'язано з тим, що атмосферний тиск постійно змінюється, отже, змінюється величина вакууму чи надлишкового тиску. При визначенні абсолютного тиску у будь-якої судині розрізняють два випадки:

• тиск у судині більше атмосферного:

Р_абс = Р_атм + Р_над ; (1.4)

• тиск у судині менше атмосферного:

Р_абс = Р_атм – Р_вак . (1.5)

Дуже наочно можна подати випадки виміру тиску, якщо відкладати значення абсолютного тиску у виді відрізків від лінії, прийнятої за нуль тиску (рис. 1.2).

B

Рисунок 1.2 – Графічне зображення абсолютного тиску та його складових

Відрізки АВ і СD відповідають тиску в судині, який виміряли від нуля тисків, тобто абсолютному тиску: перший – для випадку надлишкового тиску, другий – для випадку вакууму. Відрізок ЕВ відповідає перевищенню тиску газу над тиском атмосфери – це надлишковий тиск; відрізок FD відповідає вакууму, тобто розрідженню.

Температура з якісної сторони характеризує ступінь нагріву тіла, з кількісної сторони температура є мірою інтенсивності теплового руху молекул. У термодинаміці найчастіше використовують абсолютну температуру. У системі СI одиницею виміру абсолютної температури Т є кельвін (K). Абсолютна температура завжди позитивна. При температурі абсолютного нуля припиняється тепловий рух молекул. Це гранична мінімальна температура і є початком для відліку абсолютних температур.

Для виміру температури використовують різні властивості тіл: розширення тіл від нагрівання (рідинні термометри), зміна об’єму при постійному тиску чи зміна тиску при постійному об’ємі (у газових термометрах), зміна електричного опору провідника при нагріванні (термометри опору), зміна електрорушійної сили в ланцюзі термопари при зміні температури спаю, закони випромінювання твердих тіл (в оптичних пірометрах).

У термодинаміці крім шкали Кельвіна використовується також шкала Цельсія, у якій точкою відліку є потрійна точка води (точка, де рідка, пароподібна і тверда фази води знаходяться в рівновазі). Між температурою в кельвінах (Т) і температурою у градусах Цельсія (t) – існує наступне співвідношення

Т = t + 273,15. (1.6)

Градус абсолютної шкали Кельвіна чисельно дорівнює градусу шкали Цельсія.

Питомий об’єм (v) – це об’єм одиниці маси речовини, м³/кг, або величина, зворотна густині речовини:

v = V / m = 1 / ρ , (1.7)

де V – повний об’єм речовини, м³; m – маса речовини, кг; ρ – густина речовини, кг/м³.

Для порівняння питомих об’ємів різних газів їх приводять до однакових, так званих нормальних умов, а саме, до тиску, який дорівнює одній фізичній атмосфері (760 мм.рт.ст) при температурі 0 ^оС.