11. Уравнение первого закона термодинамики для потока газа. Понятие технической работы. Первый закон термодинамики для потока

На практике при рассмотрении рабочих процессов машин, аппаратов и устройств, встречаются задачи изучении закономерностей движения рабочих тел (газов, пара и жидкостей). Уравнение 1-го закона термодинамики для потока газа при следующих допущениях:

• движение газа по каналу установившееся и неразрывное;

• скорости по сечению, перпендикулярному оси канала, постоянны;

• пренебрегается трение частичек газа друг другу и о стенки канала;

• изменение параметров по сечению канала мало по сравнению их абсолютными значениями,

имеет вид:

q = ∆u + ∆e + l_прот. + l_техн. , (5.1) где ∆e = (w²₂ – w²₁)/2 + g·(z₂ –z₁) – изменение энергии системы,  состоящий из изменения кинетической и потенциальной энергий; w₁ ,w₂ – скорости потока в начале и в конце канала; z₁ , z₂ – высота положения начала и конца канала.

1. l_прот. = P₂· ₂ – P₁· ₁– работа проталкивания, затрачиваемая на движения потока;

2. l_техн. – техническая (полезная) работа (турбины, компрессора, насоса, вентилятора и т.д.).

3.  

q = (u₂ – u₁) + (w²₂ – w²₁)/2 + g·(z₂ –z₁) + P₂· ₂ – P₁· ₁ + l_техн. 

Введем понятия энтальпии, который обозначим через величину:

h = u + Pх , (5.3)  h₂ = u₂ + P₂· ₂ ; h₁ = u₁ + P₁· ₁ .

Тогда уравнение 1-го закона термодинамики для потока газа будет иметь вид:

q = h₂ – h₁ + (w²₂ – w²₁)/2 + g·(z₂ –z₁) + l_техн. (5.5)

Полезную работу потока, совершаемую им при помощи подвижных элементов агрегата над внешним объектом наз. технической работой

12. Понятие энтропии идеального газа. Свойства энтропии.

Энтропия

Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия обозначается S размерность [Дж/К]

dS = dQ/T 

где dS – дифференциал энтропии; dQ – дифференциал теплоты; Т – абсолютная температура;

Удельная энтропия - отношение энтропии тела к его массе. Удельная энтропия s является справочной величиной. Удельная энтропия - функция состояния вещества, принимающая для каждого его состояния определенное значение:

s = f (Р, v, Т) [Дж/(кг x K)]

Основное свойство энтропии состоит в том, что ее величина увеличивается, если к телу тепло подводится, и уменьшается, если тепло отводится. Величину энтропии рабочих тел подсчитывают по особым формулам и приводят в таблицах и диаграммах

13. Тепловая диаграмма. Изображение термодинамических процессов в тепловой диаграмме

Тепловая Т- S диаграмма. 

Удельную энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров для графического изображения процессов. Аналогично тому как мы строили изменение объема в зависимости от изменения температуры мы можем изобразить некоторый процесс изменения энтропии и температуры в Т- S координатах. В этом случае любая точка на графической плоскости соответствует определенному состоянию рабочего тела, а линия от точки 1 до точки 2 отображает некий термодинамический процесс. Особенностью Т- S координат является то, что площадь под линией процесса соответствует количеству энергии отданной или полученной рабочим телом.

Рисунок 1. Т – S диаграмма цикла Карно.

На данной диаграмме (рисунок 1) представлен некий замкнутый цикл. Система последовательно переходит из точки 1 в 2 затем 3, 4 и снова в 1. Из графика видно, что процесс 1 => 2 является изотермическим (происходит при Т₁ = const) и процесс 3 => 4, также является изотермическим (происходит при T₂=const). Процессы 2 => 3 и 4 => 1 являются адиабатными, поскольку в них не происходит изменение энтропии то dS = 0, следовательно dQ = 0 или Q = const. Причем в процессе 2 => 3 происходит охлаждение  рабочего тела за счет совершения работы телом, а   в процессе 4 => 2 происходит нагрев рабочего тела,  за счет совершения работы над телом.

Количество тепла подводимое к системе: Q₁ = T₁ × (S₂-S₁) - площадь прямоугольника 1-2-S₂-S₁-1 (вся область закрашенная голубым и зеленым).

Количество тепла отдаваемое системой: Q₂ = T₂ × (S₂-S₁) площадь прямоугольника 3-S2-S1-4-3 (область закрашенная голубым цветом).

Работа цикла - разность подведенной и отведенной теплоты: L = Q1 - Q2 (область закрашенная зеленым).

К.П.Д цикла:

Главной особенностью данного цикла является то, что при данном перепаде температур у любого другого цикла КПД будет меньше. Другими словами максимально возможным КПД при данном перепаде температур является КПД цикла Карно. Диаграмма Т-S дает наглядное доказательство этого утверждения. Любой другой цикл в диапазоне температур Т₁-Т₂, на диаграмме будет иметь соотношение площадей меньшее чем соотношение площадей прямоугольников. В связи с площадями на диаграмме возникло выражение - степень заполнения цикла – насколько площади работы цикла близки к площадям прямоугольников

Важным следствием из формулы для КПД цикла Карно является то, что для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру подвода тепла T₁, и снижать температуру отвода тепла T₂. На любых энергетических установках с паро - водяным циклом, использующих в качестве конечного поглотителя, тепла окружающие пространство, (АЭС, ТЭЦ) зимой к.п.д. выше за счет снижения температуры окружающей среды T₂.