1.1.3 Газдардың қоспалары

жұмыстық дене ретінде жылу қозғалтқыштары мен қондырғыларында газ қоспалары жиі қолданылады. газ қоспасы – отынның толық жануындағы өнім, екі және одан көбірек компоненттерден тұратын негізінде көмірсутегінің қоспасы: метан, пропан, бутан, азот, оттегі, көмірқышқыл газы, бір немесе көп атомдық газдар, су булары. газ қоспасы деп – бір-бірімен химиялық реакцияларға түспейтін жекелеген газдардың қоспасын айтады. сондықтан практикалық есептерді шығару үшін газ қоспасының негізгі параметрлерін анықтауды білу қажет.

газ қоспасы жұмыстық дене болып есептеледі, сондықтан газ қоспасына идеал газдардың күй теңдеуін (клапейрон теңдеуін) қолдануға болады.

_{қос· қос= қос· қос· қос} (1.1.10)

газ қоспасының «мінез құлқын» анықтайтын негізгі заңды дальтон заңы деп атайды: идеал газдар қоспасының толық қысымы қоспаға кіретін барлық компоненттердің париалдық қысымдардың жиынтығына тең.

_{қос + +...... = ,} (1.1.11)

мұндағы _, ...., р_n - әртүрлі компаненттердің парциалдық қысымдары.

газ қоспасының құрамы массалық, көлемдік және мольдік үлестермен берілуі мүмкін.

массалық үлес деп әр газдың массасының қоспаның жалпы массасына қатынасын айтады

(1.1.12)

қоспадағы массалық үлестердің қосындысы бірге немесе (100%) тең болады.

(1.1.13)

көлемдік үлес деп газдың келтірілген (парциалды) көлемнің қоспаның толық көлеміне қатынасын айтады.

(1.1.14)

көлемдік үлестің қосындысы бірге тең болады:

(1.1.15)

қоспаны мольдік үлеспен беру оны көлемдік үлеспен бергенмен бірдей. егер мольдік санын -мен белгілесек, онда

(1.1.16)

массалық және көлемдік үлестердің арасындағы қатынастар төмендегі формула бойынша анықталады:

(1.1.17)

газ қоспасының газ тұрақтысы және орта молярлық массасы төмендегідей формуламен анықталады.

(1.1.18)

(1.1.19)

ГАЗ ҚОСПАЛАРЫНЫҢ ЖЫЛУСЫЙЫМДЫЛЫҒЫ

егер қоспа массалық үлеспен берілсе, онда оның массалық жылусыйымдылығы келесі жалпы көрініспен анықталады.

дж/(кг·к) (1.1.20)

егер қоспа көлемдік үлеспен берілсе:

(1.1.21)

қоспаның құрамындағы молярлық жылусыйымдылықтарды біле отырып, қоспаның мольдік жылусыйымдылығын анықтауға болады.

дж/(моль·к) (1.1.22)

қоспаның құрамына кіретін компоненттердің парциалдық қысымын былайша анықтауға болады:

егер массалық құрам белгілі болса;

(1.1.23)

егер көлемдік құрам белгілі болса,

(1.1.24)

ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ ЗАҢЫ ДӘРІС КОНСПЕКТІCІ. термодинамиканың бірінші заңы жылу құбылыстары үшін қолданылатын жалпы энергияның сақталу және (айналу) өзгеру заңының дербес жағдайы болады. термодинамикалық жүйелердегі өтетін жылулық құбылстарға немесе процестер сәйкес, бұл заң бойынша энергия жоғалмайды және жаңадан пайда болмайды, ол физикалық және химиялық процестерде бір түрден екінші түрге айналады.бұл заң жылу жұмысқа - жұмыс жылуға айналуын белгілі қалыпқа келтіру (орнату) заңы.техникалық термодинамикада энергияның жылу q және механикалық жұмыс l түрінде өзгеруін қарастырады. демек термодинамиканың 1- ші заңына сәйкес, жүйеде басқа ешқандай өзгерістер болмағандықтан энергияның сақталу заңы бойынша

dq=du+dl=du+pdv (1.2.1)

немесе q=δu+l=(u₂-u₁)+ pdv. (1.2.2)

(1.2.1) және (1.2.2) теңдеулерден жұмыстық денелерге берілген энергия жылу түрінде дененің сыртқы жұмысына pdv (dl) және ішкі энергияларды дu (du) өзгертуге жұмсалады.газдардың ішкі энергиясының дu өзгеруі процестің өзгеруіне өзгешілігіне немесе күйіне байланысты емес, сондықтан ішкі энергия дененің бастапқы және соңғы күйлерімен анықталады.

дu=u₂-u₁=f₂ (p₂,v₂, t₂)-f₁( p₁, v₁, t₁) (1.2.3)

барлық термодинамикалық процестердегі жұмыстық дененің ішкі энергиясының өзгеруін мынандай жалпы формуламен анықтайды.

du=c_v dt немеседu=c_v(т₂-т₁) (1.2.4)

көлемі шексіз аз өзгерергендегі dv ауданды, 1.2-суретте көрсетеілген жүйедегі дененің күйі тепе-тең өзгерудегі пайда болған элементтарлық жұмысты мына формула мен анықтайды.

dl=pdv (1.2.5)

сондықтан, толық жұмысты жүйдегі көлемнің соңғы тепе-тең өзгеруі процесінде 1-2 қыйсық сызықпен анықтайды және ол мынаған тең

l= pdv=1.2.3.4 ауд. (1.2.5’)

1.2-сурет .егер v₂ >v₁ – болғанда газ ұлғаяды, мұнда dv>0 болады, ал жасалған жұмыс шамасы оң болады, онда l_ұлғ>0, себебі дене жұмысты өзі істейді.егер v₂ < v₁, болғанда газ сығылады, мұнда dv< 0 болады, ал жұмыс мәні теріс болады.істелген жұмыстың оң немесе теріс болуының физикалық мағынасы, газ ұлғайғанда сырттан әсер етуші күшке қарсы жұмыс жасалады, ал сығылғанда сырттан әсер етуші күшке қарсы газ жұмыс жасайды.жылу және жұмыс - процестің функциясы, олардың элементтарлық шамалары dq және dl мәндері толық дифференциал бола алмайды, ал ішкі энергия күйдің функциясы болады, сондықтан du-толық дифференциалы болады.өткен ғасырда атақты физик гиббс, кейін каммерлинг-оннес, жылу аппаратарына жылулық есептеуде, жұмыстық дененің күйін анықтау үшін жаңа функция ретінде энтальпия деген ұғымды енгізді.термодинамикада энтальпия (н) деген ұғым үлкен орын алады, ол жүйенің ішкі энергияның және қысым мен көлемнің көбейтіндісінің қосындысына тең.

н=u+pv (1.2.6)

меншікті энтальпия h әртімен белгіленіп h= , 1 кг заты бар жүйенің энтальпиясын көрсетеді, ал өлшем бірлігі дж/кг болады да келесі теңдеумен анықталады

h=u+pυ (1.2.7)

энтальпия күйдің функциясы бола турып, энтальпияға u,p,v шамалары да кіреді әрі ол күй параметрі (функция) болып есептеледі.сонымен энтальпия кейбір күй функциясы және термодинамикалық функцияны көрсетеді, толық мәнде (ішкі u және сыртқы p,v) жүйелік энергияны және денедегі жылуды сиппатайды.термодинамиканың бірінші заңын энтальпия арқылы былай жазуға болады.

dl=du+pdv=du+d(pv)-vdp=d(u+pv)=dh-vdp (1.2.8)

немесе q_1-2=h₂-h₁- vdp, (1.2.9)

мұндағы dl_тех=-vdp (1.2.10)

не былай жазуға болады l_тех= - vdp= =vdp, (1.2.11)

мұндағы l_тех – қысымы өзгергендегі дененің меншікті техникалық жұмысы.

1.3-суретте алынған тәуелділік, pv-диаграммада график түрінде көрнекті бейнелеген.

1.3 - сурет

кинетикалық энергияның ағыны немесе газдардың қысымы өзгергенде техникалық жұмыс l_тех пайда болады.

егер аппараттағы қысым азайса (мысалы турбинада), онда dp<0, олай болса - vdp>0, демек техникалық жұмыс l_тех >0 оң болады.бұнда жұмыс сыртқы нәрсеге қарсы ағын түрде пайда болады.

егер керсінше, қысым аппаратта көбейсе (мысалы компрессорда) онда dp>0, демек - vdp>0, техникалық жұмыс теріс болады. бұл жағдайда жұмыс сыртқы двигательмен ағынға қарсы әсер етеді.

1.2.8 теңдеуге кіретін техникалық жұмыс l_тех – бұл сұйық не газ ағындарында орналасқан қандайда бір агрегеттардың (мысалы турбиналар, компрессорлар, насостар мен желдеткіштер), пайдалы жұмысы. егер мұндай ( немесе осы сияқты) агрегет болмаса l_техн=0

ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ ЕКІНШІ ЗАҢЫ ДӘРІС КОНСПКТІСІ

ЖЫЛУ ЖӘНЕ ТОҢАЗЫТҚЫШ МАШИНАЛАРЫНЫҢ ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ ЦИКЛДЕРІ.егер термадинамиканың 1^ші –заңы жылу q және механикалық жұмыс l арасындағы өзара байланыстарды (жылудың жұмысқа, жұмыстың жылуға айналуы, бірақ бұл кезде өзгеру ешқандай шартсыз болуы мүмкін) қарастырса, термодинамиканың екінші заңы жылу және термодинамикалық процестердің бағытын сипаттайды және жұмыстың жылуға айналуы мүмкін деп шарт қояды.

термодинамиканың екінші заңы бойынша әртүрлі ғалымдардың айтқан бірнеше тұжырымдамалары бар (ломоносовтың, карно, клаузиус, томсон және де басқалар) 1824 жылы карно термодинамиканың екінші заңының мағынасын былай деп тұжырымдады. жылу жұмысқа айналу үшін, кем дегенде екі жылу көзі қажет, әр түрлі температураларда.1850 жылы клаузиус термодинамиканың екінші заңына мынадай тұжырым жасады: “жылу суық заттан ыстық затқа өздігінен өте алмайды қосымша энергия жұмсалмай”,-деген. осыған байланысты табиғатта біріңғай өздігінен жүріп жатады, бірақ олар қоршаған орта мен теңдеусіз күйде кері жүруі мүмкін емес, қосымша өтем болмай. термодинамиканың екінші заңы жалпы түрде “өздігінен өтетін құбылыстар қайтымсыз” – деп тұжырымдайды.термодинамиканың екінші заңының ең маңызды тұжырымдасы ол термиялық п.ә.к.-ті бірге тең жылу қозқғалтқышын жасау мүмкін емес, басқаша айтқанда жылуды толық механикалық жұмысқа айландыратын мәңгілік қозқғалтқышты жасауға болмайды.жылу машинасындағы жылудын жұмысқа айналу процесінің жетілдіру дәрежесін термодинамиканың екінші заңы бойынша анықтауға болады. жұмыстық цикл кезінде оң айналымдық жұмыс болса, онда оны тура цикл деп немесе жылу қозқғалтқышының циклы деп атайды, демек l_ұлғ > l_сығ. (1,4-сурет).сағат тілі бағатымен өтетін pv- диаграммасында (1.4-сурет) тура айналымның (циклдың) 1 а 2- процесі ұлғаю жұмысын (l_ұл), ал 2б1 процесі сығымдау жұмысын (l_сығ) көрсетеді. сонымен сығылу сызығы 2-б-1, ұлғаю сызығының 1-а-2 астында орналасады, бұл жағдайда циклдегі жұмыс l_ц оң болады.l_ц=l_ұл - l_сығ > 0

1.4 – сурет.цикл кезіндегі жұмсалатын жұмыс кері жүрсе, кері айналым немесе тоңазытқыш машиналар циклы деп аталады, демек l_сж > l_расш, бұл кезде сығылу процесінің (2- а-1) ұлғаю процесінің (1-б-2) сызығынан жоғары орналасады (1.5-сурет).

1.5-сурет.егер сығылу сызығы 2-а-1, ұлғаю сызығының жоғары орналаса, онда циклдағы газдың жұмысы керсінше (теріс) болады.термодинамикалық циклдардың тура және кері циклдары болады.тура циклда жылу қозғалтқыштары жұмыс істейді де, кері циклда тоназытқыш машиналары жұмыс істейді. жылу қозғалтқыштарында жылу жұмысқа ауысады. бұл кезде сыртқы (т₁, q₁) жоғарғы температура көзінең жылу беріледі және төменгі температура көздерінен жылу алынады(т₂ q₂). практикада жылу қозғалтқыштарында қолданылатын жылудың ыстық көзі ретінде отынды жағудың химиялық реакциясын, ал жылудың салқын көзі ретінде – қоршаған ортаны айтуға болады.энергияның сақталу заңына сәйкес, жылу қозғалтқышынан алынған циклдік жұмысты l_ц > 0 және оның мағынасын түсіндіру үшін жылу қозғалтқыштың термодинамикалық схемасын қарастырайық (1.6-сурет)

1.6-сурет

іс жүзінде барлық жылу двигательдеріндегі жылу көзі ретінде отынды жаққанда жүретін химиялық немесе ішкі ядролық реакциялар қолданса, ал салқын жылу көзі ретінде қоршаған ортаны – атмосфераны қолданады. жұмысшы дене ретінде газ не бу пайдаланылады. тура циклдардың нәтижелілік сиппатамасы болып термиялық пайдалы әсер коэффициент (пәк) болып есептеледі.циклде двигатель жасаған жұмыстың l_ц берілген жылу мөлшеріне қатнасын циклдың термиялық пайдалы әсер коэффициенті деп η_t атайды.

η_t= (1.3.1)

тоңазытқыш машиналарында жылуды тасымалдау процесі төменгі температурадағы жылу көзден (t₂, q₂) жылулықты жоғарғы температурадағы жылу көзге (t₁, q₁), тасымалдау арқылы іске асады, себебі бұл процесті іске асыру үшін тоңазытқыш машинаға жұмсалған жұмыс сырттан беріледі. сонда төменгі жылу көз q₂ мөлшердегі жылулықты береді, ал жоғарғы жылу көз q₁= q₂+l_ц мөлшердегі жылулықты алады, сонымен тоңазытқыш машина жұмысы l_ц<0. (1.7- сурет). тоңазытқыш машинаның термодинамикалық схемасы.

1.7-сурет

кері циклда жұмыс l_ц жылуға q₁ ауысады немесе оның жетілдік дәрежесі тоңазытқыш коэффициентімен ε анықталады.тоңазытқыш коэффициент тоңазытқыш камерадан цикл бойынша алынған жылу мөлшерінің, осы циклда жұмсалған жұмысқа қатнасы арқылы таблады.

ε= (1.3.2)

КАРНО ЦИКЛЫ.теориялық циклда т₁ және т₂ температуралары аралығындағы термиялық п.ә.к. ең жоғары болуы мүмкін болатынын француз ғалымы сади карно 1824 ж. айтқан болатын. тура карно циклы (1.8, а - сурет): екі изотермадан 1-2, 3-4 және екі адиабаттан 2-3, 4-1 турады. 1.8, а суреттегі 1-2 сызығының жолында тұрақты температурада т₁ жылу q₁ беріледі де, ал 3-4- жолында q₂ жылу қабылдағышқа жіберіледі.

1.8 а, б – сурет. карно циклы: а) тура; б) кері

карно циклі тура өтіп қана қоймайды, сонымен қатар ол қайтымды (кері) циклдеде өтеді.(1.8, б - сурет). карноның кері циклің іске асыру үшін, әр түрлі температурадағы екі жылу көзі қажет – жылу бергіш (q₂) және жылу қабылдағыш (q₁) тура карно циклінің термиялық п.ә.к. η=1-т₂/т₁ , ал карноның кері циклдағы тоңазытқыш коэффициенті е=т₂/т₁-т₂= .

тура карно циклі жылу двигательдерінің кез келген циклдарын жетілдіруде баға беру үшін қолданалады. карноның тура циклының термиялық п.ә.к.-ті және кері циклінің тоңазытқыштық коэффициентті заттардың қасиетіне тәуелді емес, бірақ жылу беру және жылу қабылдауыштардың абсолюттік температураларына байланысты болады. бұл карно теоремасының негізгі мағынасы.тоңазытқыш және жылыту техникалында кері циклдарындың салыстырмалы нәтижелегіп анықтау үшін карноның кері циклі үлгі ретінде (эталон) қолданылады.сонымен карно циклы – жылуды жұмысқа (немесе жұмысты жылуға) толық айналдыратын қайтымды айналмалы процесс.