Основы термодинамики, теплотехники и рабочие процессы ГТУ. Циклы ГТУ в координатах Р-V, T-S диаграммах

 

Термодинамика – одна из областей физики – наука о закономерностях превращения одних видов энергии в другие (причем любых видов энергии, а не только тепловой). Для обеспечения непрерывной работы ГТУ её процессы должны идти по кругу. В термодинамике круговые процессы называются циклами. Таким образом, термодинамической базой тепловых машин является термодинамический цикл.

Термодинамический цикл ГТУ – совокупность процессов расширения и сжатия с подводом и отводом тепла, в результате которого получается полезная работа, а рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Первым проанализировал термодинамический цикл французский инженер С. Карно в 1924 году. Это был цикл для идеального газа. Такое понятие было введено для упрощения изучаемых свойств рабочих тел.

Идеальный газ – совокупность молекул, обладающих исчезающе малыми объемами и лишенных сил взаимодействия (взаимного притяжения и отталкивания).

Именно из этого цикла была выведена зависимость к.п.д. только от температуры (теплоты) и ни от чего больше.

Исходными аксиомами термодинамики служат так называемые «начала».

Первое начало термодинамики (по существу является законом сохранения энергии) – количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение системой работы:

Второе начало термодинамики (лежит в основе устройства тепловых машин) – невозможно получить от двигателя непрерывную работу без отдачи теплоприемнику (в нашем случае окружающей среде) части тепла подводимого к рабочему телу, то есть невозможно всю подведенную теплоту превратить в работу.

Таким образом, к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше единицы.

Пути увеличения к.п.д.:

- увеличение степени сжатия;

- увеличение T1(Q1) (ограничение по жаропрочности материалов);

- уменьшение T2(Q2) (применение систем регенерации тепла) – система утилизации тепла.

Состояние термодинамической системы описывается параметрами ее состояния.

Параметры состояния – физические величины, характеризующие состояние системы и поддающиеся непосредственному измерению. Для газа параметрами состояния являются: температура, давление, плотность.

1. Температура – мера нагретости вещества (тела). На практике используются две температурные шкалы – Цельсия и Кельвина:

Т (К) = t 0C + 273, 15 K.

2. Давление – это сила, действующая на единицу поверхности:

Н/м или Па.

1 Па – давление, вызванное силой 1 Ньютон, распределенной по нормали к поверхности площадью 1 м2;

1 атм = 101325,1 Па = 1,033228 кгс/см2 = 760 мм рт. ст.;

1 бар = 100000 Па = 1,0197 кгс/см2 = 750 мм. рт. ст.;

3. Плотность – масса единицы объема – отношение массы газа к занимаемому объему:

кг/м3 или г/см3.

Величина, обратная плотности – удельный объем – объем единицы газа.

4. Удельная теплоемкость газа (с) – количество теплоты, которое нужно сообщить количественной единице газа (/м3, /кг) при нагревании его на 10.

Теплоемкость газов зависит от условий протекания процесса.

– ср – удельная изобарная теплоемкость при Р = const;

– сν – удельная изохорная теплоемкость при V = const, причем ср > сν.

Термодинамический процесс – изменение состояния термодинамической системы, то есть ее параметров состояния, зависимость между которыми определяется уравнением состояния.

Экспериментальным путем установлено, что поведение реальных газов при сжатии, нагревании и других процессах подчиняется простым законам, а именно:

- при T = const PV = const (изотермический процесс) – закон Бойля-Мариотта, 1662-1679 г.

- при P = const V/T=const (изобарный процесс) – закон Гей-Люссака, 1802 г.

- при V = const P/T = const (изохорический процесс) – закон Шарля, 1787 г.

Термический процесс, при котором один из параметров состояния постоянен, называется изопроцессом.

Адиабатический процесс – процесс, при котором нет теплообмена PVk = const.

Политропный процесс – удельная теплоемкость остается постоянной PVn.

Частными случаями политропного процесса являются процессы: изобарический P(n=0), изотермический T(n = 1), адиабатический (n = k = cp/ cν), изохорный V(n =±∞).

Удельная теплоемкость С для идеального газа Rn равна

На основании сопоставления изопроцессов было выведено знаменитое уравнение состояния газа для единицы массы (уравнение Менделеева-Клайперона):

  где   R   – газовая постоянная,
  – молекулярный вес газа.

Например, для метана.

Реальные газы в условиях рабочих процессов ГТУ подчиняются законам идеального газа с погрешностью 2-3%.

Теплоемкость.

Теплоемкостью тела называется количество теплоты, необходимое для нагрева тела на один градус.

Теплоемкость единицы количества вещества называется удельной теплоемкостью:

где t1 – начальная температура,
  t2 – конечная температура,
  q1-2 – теплота, подведенная к единице массе.