Жылу қондырғылары және олардың еліміздің мұнай саласындағы ролі
1. Жылу қондырғылары.
2. Жылутехника пәні
3. Жылу жүйесіндегі факторлар
2. Жылутехника пәні
3. Жылу жүйесіндегі факторлар
Жылу қондырғылары.Жылутехника (термодинамика)пәні.
Жылу құбылыстарын, жылу алу жолдарын, оның өзгерісін, жылу алмасуын, қолданылуын және оның іс – әрекеті мен құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты жылу және бугенераторларын, жылу машиналарын, аппараттар мен қондырғыларды зерттейтін ғылым –жылутехника деп аталады. Жылутехника ғылымын дамытуда көп еңбек сіңірген орыстың ғалымдары мен инженерлері. Осы салада алғаш рет өзінің ғылыми жұмыстарын ұсынған орыстың ғұлама ғалымы – М.В.Ломоносов болды. Ол теориялық зерттеулері мен экспериментальдық жұмыстарының нәтижесінде заттың молекула – кинетикалық теориясының негіздерін, молекула арасындағы жылулық және механикалық энергияның сақталу және өзгеру заңдылықтарының бір бөлігі деп түсінген.
Д.И.Менделеев өзінің осы салада терең жұмыстар жүргізуінің арқасында, ғылымға алғаш рет жер асты жағармайдың газдандырылуына байланысты туатын сұрақтарды ашық талқыға салды. Сонымен қатар, ол әр заттың белгілі бір кризистік температурасы болатынын, одан әрі бұл зат қандай да болмасын жоғары қысымда да сұйыққа айнала алмайтындығын дәлелдеп, кризистік температура таблицасын құрастырады.
К.Е.Циолковский, К.В.Кирш, А.А.Радцг, В.И.Гриневецкий және тағы да басқа орыс инженерлері мен ғалымдарының еңбектерінің арқасында 19 ғасырдың аяғымен 20 ғасырдың басында жылу агрегаттарының ғылыми жобалары жасақталды (пештер, жылу двигательдері, ракеталар және т.б.).
Жылудың рационалды түрде толық пайдаланылуы үшін, жылу қондырғылардағы процестердің жұмысын анализ арқылы үнемдеп, мейлінше ұтымды ауыстырып және жаңасын тауып, теплотехниканың теориялық негізін тереңдеп дамыту керек. Мұнсыз, қуатты бу және газ турбиналарын жасап шығаруға, реактивті двигательдерді, континет аралық аса дәл ракеталарды және т.б. күрделі жылулық қондырғыларды ойлап табу мүмкін емес.
Жылудың принципті түрде 2 бағытта қолданылатынын естен шығармаған абзал.
- Энергетикалық;
- Техникалық;
Жылуды энергетикалық бағытта қолданған кезде, ол механикалық жұмысқа айналады. Егер, жылуды техникалық ортада қолданатын болсақ, ол әр түрлі заттардың қасиеттерін өзгерту үшін қолданылатынын көреміз. Мысалы: дененің температурасын өзгерту арқылы, оларды балқытуға, қатайтуға, құрылысын өзгеруіге, механикалық, химиялық, физикалық қасиеттерін өзгертуге болады.
Қазіргі энергетикалық салалардың басты жұмыс бағдары, жылудың механикалық жұмысқа толық трансформациялануы. Осының салдарынан генераторда алыс жолға тасымалдауға қолайлы энергия пайда болады. Реакцияға қажетті жылуды - жағармайды пештерде немесе іштен жану двигательдерінде жағу арқылы өндіреді.
Құрылыс индрустриясында құрал-жабдықтарды өндіру кезінде техникалық жылулық принцип қолданылады. Бірақ, жұмыста қолданылған бужасағыш, кептіргіш, жанғыш қондырылар толығымен термодинамика заңдарына сәйкес анықталады.
Жылу құбылыстарын, жылу алу жолдарын, оның өзгерісін, жылу алмасуын, қолданылуын және оның іс – әрекеті мен құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты жылу және бугенераторларын, жылу машиналарын, аппараттар мен қондырғыларды зерттейтін ғылым –жылутехника деп аталады. Жылутехника ғылымын дамытуда көп еңбек сіңірген орыстың ғалымдары мен инженерлері. Осы салада алғаш рет өзінің ғылыми жұмыстарын ұсынған орыстың ғұлама ғалымы – М.В.Ломоносов болды. Ол теориялық зерттеулері мен экспериментальдық жұмыстарының нәтижесінде заттың молекула – кинетикалық теориясының негіздерін, молекула арасындағы жылулық және механикалық энергияның сақталу және өзгеру заңдылықтарының бір бөлігі деп түсінген.
Д.И.Менделеев өзінің осы салада терең жұмыстар жүргізуінің арқасында, ғылымға алғаш рет жер асты жағармайдың газдандырылуына байланысты туатын сұрақтарды ашық талқыға салды. Сонымен қатар, ол әр заттың белгілі бір кризистік температурасы болатынын, одан әрі бұл зат қандай да болмасын жоғары қысымда да сұйыққа айнала алмайтындығын дәлелдеп, кризистік температура таблицасын құрастырады.
К.Е.Циолковский, К.В.Кирш, А.А.Радцг, В.И.Гриневецкий және тағы да басқа орыс инженерлері мен ғалымдарының еңбектерінің арқасында 19 ғасырдың аяғымен 20 ғасырдың басында жылу агрегаттарының ғылыми жобалары жасақталды (пештер, жылу двигательдері, ракеталар және т.б.).
Жылудың рационалды түрде толық пайдаланылуы үшін, жылу қондырғылардағы процестердің жұмысын анализ арқылы үнемдеп, мейлінше ұтымды ауыстырып және жаңасын тауып, теплотехниканың теориялық негізін тереңдеп дамыту керек. Мұнсыз, қуатты бу және газ турбиналарын жасап шығаруға, реактивті двигательдерді, континет аралық аса дәл ракеталарды және т.б. күрделі жылулық қондырғыларды ойлап табу мүмкін емес.
Жылудың принципті түрде 2 бағытта қолданылатынын естен шығармаған абзал.
- Энергетикалық;
- Техникалық;
Жылуды энергетикалық бағытта қолданған кезде, ол механикалық жұмысқа айналады. Егер, жылуды техникалық ортада қолданатын болсақ, ол әр түрлі заттардың қасиеттерін өзгерту үшін қолданылатынын көреміз. Мысалы: дененің температурасын өзгерту арқылы, оларды балқытуға, қатайтуға, құрылысын өзгеруіге, механикалық, химиялық, физикалық қасиеттерін өзгертуге болады.
Қазіргі энергетикалық салалардың басты жұмыс бағдары, жылудың механикалық жұмысқа толық трансформациялануы. Осының салдарынан генераторда алыс жолға тасымалдауға қолайлы энергия пайда болады. Реакцияға қажетті жылуды - жағармайды пештерде немесе іштен жану двигательдерінде жағу арқылы өндіреді.
Құрылыс индрустриясында құрал-жабдықтарды өндіру кезінде техникалық жылулық принцип қолданылады. Бірақ, жұмыста қолданылған бужасағыш, кептіргіш, жанғыш қондырылар толығымен термодинамика заңдарына сәйкес анықталады.
Дәріс №№1-2Тақырыбы:Кіріспе. Жылу қондырғылары және олардың
еліміздің мұнай саласындағы ролі.
Жылутехника пәні және оның мұнай және газ
бакалаврларын дайындаудағы орны мен ролі.
Дәрістің мақсаты: Студеттерге энергияның халық шаруашылығындағы ерекше ролін және Республикадағы жағармайлық теңдіктің өзгеру бағыттары жөнінен хабардар ету.
Дәрістің жоспары:
1. Жылу қондырғылары.
2. Жылутехника пәні
3. Жылу жүйесіндегі факторлар
Жылу қондырғылары.Жылутехника (термодинамика)пәні.
Жылу құбылыстарын, жылу алу жолдарын, оның өзгерісін, жылу алмасуын, қолданылуын және оның іс - әрекеті мен құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты жылу және бугенераторларын, жылу машиналарын, аппараттар мен қондырғыларды зерттейтін ғылым - жылутехника деп аталады. Жылутехника ғылымын дамытуда көп еңбек сіңірген орыстың ғалымдары мен инженерлері. Осы салада алғаш рет өзінің ғылыми жұмыстарын ұсынған орыстың ғұлама ғалымы - М.В.Ломоносов болды. Ол теориялық зерттеулері мен экспериментальдық жұмыстарының нәтижесінде заттың молекула - кинетикалық теориясының негіздерін, молекула арасындағы жылулық және механикалық энергияның сақталу және өзгеру заңдылықтарының бір бөлігі деп түсінген.
Д.И.Менделеев өзінің осы салада терең жұмыстар жүргізуінің арқасында, ғылымға алғаш рет жер асты жағармайдың газдандырылуына байланысты туатын сұрақтарды ашық талқыға салды. Сонымен қатар, ол әр заттың белгілі бір кризистік температурасы болатынын, одан әрі бұл зат қандай да болмасын жоғары қысымда да сұйыққа айнала алмайтындығын дәлелдеп, кризистік температура таблицасын құрастырады.
К.Е.Циолковский, К.В.Кирш, А.А.Радцг, В.И.Гриневецкий және тағы да басқа орыс инженерлері мен ғалымдарының еңбектерінің арқасында 19 ғасырдың аяғымен 20 ғасырдың басында жылу агрегаттарының ғылыми жобалары жасақталды (пештер, жылу двигательдері, ракеталар және т.б.).
Жылудың рационалды түрде толық пайдаланылуы үшін, жылу қондырғылардағы процестердің жұмысын анализ арқылы үнемдеп, мейлінше ұтымды ауыстырып және жаңасын тауып, теплотехниканың теориялық негізін тереңдеп дамыту керек. Мұнсыз, қуатты бу және газ турбиналарын жасап шығаруға, реактивті двигательдерді, континет аралық аса дәл ракеталарды және т.б. күрделі жылулық қондырғыларды ойлап табу мүмкін емес.
Жылудың принципті түрде 2 бағытта қолданылатынын естен шығармаған абзал.
Энергетикалық;
Техникалық;
Жылуды энергетикалық бағытта қолданған кезде, ол механикалық жұмысқа айналады. Егер, жылуды техникалық ортада қолданатын болсақ, ол әр түрлі заттардың қасиеттерін өзгерту үшін қолданылатынын көреміз. Мысалы: дененің температурасын өзгерту арқылы, оларды балқытуға, қатайтуға, құрылысын өзгеруіге, механикалық, химиялық, физикалық қасиеттерін өзгертуге болады.
Қазіргі энергетикалық салалардың басты жұмыс бағдары, жылудың механикалық жұмысқа толық трансформациялануы. Осының салдарынан генераторда алыс жолға тасымалдауға қолайлы энергия пайда болады. Реакцияға қажетті жылуды - жағармайды пештерде немесе іштен жану двигательдерінде жағу арқылы өндіреді.
Құрылыс индрустриясында құрал-жабдықтарды өндіру кезінде техникалық жылулық принцип қолданылады. Бірақ, жұмыста қолданылған бужасағыш, кептіргіш, жанғыш қондырылар толығымен термодинамика заңдарына сәйкес анықталады.
Жылу жүйесіндегі факторлар.
Сонымен қатар, жылуды пайдалана отырып, жылу жүйесін үнемді қолдану проблемасы туындайды, ол өз кезегінде, жағармай үнемділігін қажет етеді, Ж.Э.Р. 2 фактор бойынша реттеледі.
Экономикалық фактор;
Экологиялық фактор;
Экономикалық фактор.
Экономикалық фактор әлемде болып жатқан жағдайларға және дүние жүзіндегі жағармайдың қымбаттауына байланысты, меншікті шығынның көлемін азайтуды және жағармай өндіру дәрежесін арттыруды талап етіп отыр.
Көптеген технологиялық процестердің энергетикалық нәтижелігі өте нашар. Мысалы: біздің елде 1 т. цемент өндіру үшін жұмсалатын меншікті жылу мөлшері 210 кгт, ал осы кезде энергияны үнемдейтін технологиялардың нәтижесінде АҚШ-тағы өндірісте жұмсалатын жылу мөлшерінің көрсеткіші 150 кгт, ал Японияда бұл көрсеткіш тіпті төмен 110 кгт болып келеді.
Қазіргі таңда қаражатты жағармай өнімділігін арттыру үшін салған тиімсіз, оданда жағармайды пайдалану (жұмсау) дәрежесін азайтуға, технологиялық процестердегі отынды тиімді үнемдей отырып пайдалануға ат салысқан жөн. Қазіргі кезде, энергетикалық - жағармай өндірісін дамытуға әлемнің 23 елі қаражат құяды. 1985 жылға шейін еліміздің жағармайлық теңдікте - мұнай мен газдың ролі өсті. 1985 жылдан бастап мұнай мен газ өндіру тұрақталды. Енді мұнайды тереңірек өңдеу салдарынан мазут пен пештік жанармайдың көлемі азаяды да моторлық жанармайдың көлемі артады.
Егер 1983 жылы еліміздің электр станцияларында мазуттың максимальды көрсеткіш - 120 млн. т., жұмсалса, соңғы жылдары мазуттың энергетика саласында пайдалану көрсеткіші күрт төмендеді. Ірі энергетикалық компаниялар, қазір қатты отын түрлерін және табиғи газды пайдалануға құлшыныс танытып жатыр. Осыған орай мұнай мен газ өндіру дәрежесі алдағы уақытта артпаса, азаятыны екі талай.
Экологиялық фактор.
Алдағы уақытта өтетініміздей, жағармайды жағу кезінде шығатын өнімнің бірі көмірсутек диоксиді - Co2. Бұл газ, жердің атмосферасының құрамында кездеседі. Ол жерді салқындатуға, космосқа саулелену арқылы кері әсерін тигізеді. Соңғы жылдары бүкіл елдің ғалымдары атмосферадағы көмірсутек диоксидінің концентрациясы көбейіп кетті деп дабыл қағуда. Егер бұл жорамал расталса, адамзатқа алдағы уақытта құрамында көмірсутек диоксиді бар жанармайды қолданудан бас тартуымыз қажет.
Сонымен қатар, жылу-электр және жағармай жағу қондырғылары бөлетін қалдықтар жергілікті экологияны ластап, (ақаба сулар мен газдар) химиялық (күкірт оксиді мен азот) күл мен түтін бөледі, олардың мөлшері өнеркәсіптің өнімділігі артқан сайын өсіп, күрделі қиындықтарды тудырып отыр. Бұл қалдықтарды түбегейлі жоюға немесе атмосфераға тарайтын зиянды заттардың санын мейлінше азайту үшін ең алдымен жағармай қолданатын қондырғылардың жұмысын, ондағы ағып жатқан процестерді тереңірек зерттеу керек. Нақты айтқанда қазір, экология, адамзатты толығымен қалдықсыз технология өндірісін пайдалануға мәжбірлеп отыр.
Негізі адамзаттың пайдаланып отырған пайдалы қазбаларының 90 % органикалық отын көзі болып табылады. Бұл теплотехника ролін анықтайды - жалпы инженерлік мамандықта, жылу құбылыстарын, жылу алу жолдарын, оның өзгерісін, жылу алмасуын, қолданылуын және осыған сәйкес аппараттардың жұмысын зерттейді.
Теплотехниканың теориялық бөлімі - жағармайлық энергияның қасиетін, температураның таралу процесін және өзгеру заңдылықтарын зерттейтін бөлімдерге бөлінеді:
1) Техникалық термодинамика
2) Жылу алмасу теориясы
Студенттердің өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1) Энергия мен жылу техникасының халық шаруашылығындағы орны?
2) Жылутехника нені зерттейді?
3) Орыс және кеңес одағы ғалымдарының жылу техника мен энергетика
саласына қосқан үлесі қандай?
4) Жағармайлық тепе-теңдік неге және қалай өзгереді?
5) Энергетикалық және техникалық жылу дегеніміз не?
6) Халық шаруашылығында жылуды қайда қолданылатынын атап өтіңіз?
Әдебиеттер: [2] §1;4-6 беттер;
[3] §14-5 беттер.
Дәріс №№ 3-4Тақырыбы:Техникалық термодинамика.
Мінсіз(идеал)газдар және олардың қоспалары
Дәрістің мақсаты: Анықтамалар кешенімен студенттерді таныстыру және техникалық термодинамика ұғымдарының, базадағы келесі тақырыптарды таныстырып, олардың ұғымдарды айқын меңгеруіне көз жеткізу.
Дәрістің жоспары:
1. Техникалық термодинамика пәні.
2. Термодинамикалық жүйе.
3. Термодинамикалық күй көрсеткіштерінің негізгі теңдеуі.
4. Күй көрсеткішінің теңдігі.
5. Термодинамикалық процесс.
Техникалық термодинамика пәні.
Термодинамика - әр түрлі энергияның бір-біріне айналу процесстерін зерттейтін ғылым. Бұл ғылым табиғат құбылыстарының сан алуандығын, ондағы химиялық,механикалық, физико-химиялық құбылыстарын зерттейді.термодинамиканың үш бөлімінің бірін техникалық термодинамика деп атайды, ол жылудың толықтай жұмысқа айналу заңдылықтарын қарастырады.
Басқаша айтқанда, техникалық термодинамика жылулық және механикалық энергияның айналу заңдылықтарын,айналу процессіне қатысатын денелердің қасиетін зерттейді. Ол жылулық, механикалық және химиялық процестердің арасында өзара байланыс орнатады, бұл байланыс жылулық және салқындатқыш қондырғыларда іске асады.Сонымен қатар газдар мен буларда жүретін процесстерді, ондағы денелердің қасиетін әр түрлі физикалық ортада зертейді.
Жылуалмасу мен техникалық термодинамикалардың теориясы жылу-техникасының басты іргетасы болып табылады. Осының негізінде есептеулер және барлық жылу қозғалтқыштардың жобалауын жүдзеге асырады, сонымен қатар технологиялық жабдықтау да жоспарлайды.
Термодинамика пәні негізгі екі заңға сүйене отырып жасақталған.
Термодинамиканың бірінші заңы - табиғат заңдылықтарына байланысты жылулық құбылыстарына негізделген - энергияның өзгеру мен сақталу заңын ұсынады.
Термодинамиканың екінші заңы жүйедегі макроскопиялық денелердің ағып өтуін және процестердің бағыттарының алғы шарттарын зерттейді.
Термодинамикада зерттеудің екі әдісі қолданылады.
- Тұйық (айналмалы) процесстік әдіс;
- Термодинамикалық функциялар мен геометриялық құраушылардың әдісі болып бөлінеді.
Термодинамикалық жүйе
Барлық табиғат құбылыстарына бір-бірімен өзара байланысқан бір немесе бірнеше денелер жиынтығы қатысады. Термодинамикалық құбылыстарды зерттеу кезінде тәжірбие обьектісі ретінде бір немесе бірнеше дене, кей жағдайда сол дененің бір бөлшегі ғана алынады. Зерттелу обьектісі - термодинамикалық жүйе, ал оның шекарасында жатқан денелер - қоршаған орта деп аталады.
Термодинамикалық жүйе деп - макроскопиялық денелер жиынтығынан тұратын, өзара бір-бірімен және қоршаған ортамен энергия алмасатын жүйені айтады.
Жүйе мен қоршаған ортаны айырып тұратын бақылау қабықшасы (бақылау беті) .
Термодинамикалық жүйенің ең қарапайым түрі ретінде цилиндрде піспектің астында сығылған газды алуға болады. Мұндағы қоршаған ортаның рөлін - қоршап тұрған кәдімгі ауа, ал бақылау қабықшасы ретінде цилиндрдің қабырғалары мен поршень алынады.
Егер термодинамикалық жүйенің қоршаған ортамен еш байланысы болмаса, ондай жүйені жылу оқшауланған жүйе деп атайды. Бірақ, жүйе қоршаған ортамен затпен де, энергиямен де алмаспайды.
Адиабаттық қабықшамен қоршалған, қоршаған ортамен жылу алмасу процессін мүлдем өткізбейтін жүйені жылу оқшауланған немесе адиабаттық жүйе деп атайды. Бұған мысал ретінде, қабырғалары жылу алмасудан мықтап оқшауланған, қоршаған ортамен жылу алмаспайтын шыны ішіндегі газды алынады.
Термодинамикалық жүйедегі механикалық және жылу алмасу процесстері бақылау қабықшасы арқылы жүзеге асады. Механикалық әрекеттесу кезінде жүйенің өзімен немесе жүйенің үстінен жұмыс жасалады. Біздің қарапайым мысалымыздың негізінде механикалық жұмыс поршеннің орын ауыстыруымен, көлемінің өзгеруімен жалғасады.
Жылу алмасу негіздері жылудың бөлек бөлшектердің арасында орын ауыстыру мен жылу жүйесімен және қоршаған ортамен әрекеттесуіне байланысты. Қарастырылып отырған мысалда жылу газдан цилиндрдің қабырғалары арқылы алынады. Жалпы жағдайда жүйе ортамен және затпен алмаса алады (масса алмасу әрекетті). Мұндай жүйе - ашық жүйе деп аталады. Турбиналар мен құбырлардағы газ бен будың ағындары - ашық жүйенің негізі болып табылады.
Ал, келешекте біз жабық жүйені қарастырамыз. Жұмыс денесі қарапайым термодинамикалық жүйе болып табылады,ол жылудың жұмысқа айналуын жүзеге асырады. Іштен жанатын двигательдерде (ІЖД) мысалы, жұмыс денесі ретінде құрамында ауа мен бензин буы бар карбюратордағы жанғыш қоспа алынады.
Термодинамикалық жүйедегі негізгі күй көрсеткіштері.
Техникалық термодинамика пәні жылу машиналарындағы процестердің жылу мен жұмыстың өзара өзгеру әрекетін зерттейді. Жылу машиналарында жылудың жұмысқа айналу процессі жұмыс денесінің негізінде жүздеге асады.
Мысалы: ІЖД, ГТҚ қондырғыларында қарастырылған процестерде жұмыс денесі ретінде газ алынған. Парлы двигательдерде жұмыс денесі - су буы болып табылады.
Жұмыс денесінің физикалық жағдайы (немесе термодинамикалық жүйеде) бірнеше өлшем бірліктермен анықталып, оның күй жағдайын, термодинамикалық күй жағдайын анықтайды. Біркелкі дененің күй жағдайы негізгі үш параметр бойынша анықталады:
υ - меншікті көлем;
Р - қысым;
Т - температура.
Меншікті көлем - біркелкі зат - өлшем, көлем мен массаның қатынасына тең.
(1)
Мұндағы: v - заттың меншікті көлемі; м3кг;
V - белгілі бір заттың көлемі; м3;
m - сол заттың массасы; кг;
Меншікті көлемге қарама - қарсы өлшем заттың тығыздығы деп аталады да, ол мына қатынаспен анықталады
(2)
Мұндығы: р - заттың тығыздығы; кгм3;
V - көлем; м3
m - масса; кг;
Қысым.
Молекула кинетикалық теорияның негізінде қысым газ молекулаларының орташа соққысының салдарынан пайда болып, үздіксіз қозғалысының нәтижесінде шыны ыдыстың бойында тұрған газ ыдыстың қабырғасына соғып, күштің ауданға қатынасын көрсетеді.
Р=(3)
Мұндағы: P - қысым, Па;
F - күш, Н;
S - ауданы, м2;
Халықаралық (СИ) жүйесіндегі өлшем бірлік бойынша қысым Паскальмен өрнектелінеді. Бұл өлшем бірлік аз болғандықтан
1кПа =103 Па және 1 МПа = 106 Па қолданған тиімдірек.
Көбінесе қысым бармен өлшенеді (СИ жүйесінен бөлек) 1бар=105 Па. Әдетте қысым Паскальмен өлшенетінін естен шығармаған абзал. Қысымды барометр, манометр, вакуумметр аспаптары аққылы өлшейді. Манометр артықтық қысымды өлшейді Рарт.
Термодинамикалық параметрлердің бірі - абсолюттік қысым мынаған тең.
Р = Рарт + Ратм (4)
Мұндағы: Ратм - атмосфералық қысым, барометрмен өлшенеді.
Атмосфералық қысымнан төмен қысым вакуумдық қысым деп аталады, ол вакуумметрмен өлшенеді.
Егер ыдыста вакуум болса, онда абсолюттік қысым мынаған тең.
Р=Ратм-Р вак (5)
Температура - дененің қызу дәрежесін көрсететін физикалық шама.
Ол жылулық тепе-теңдіктегі изоляцияланған жүйенің молекулаларының жылулық қозғалысының интенсивтілігін сипаттайтын және молекулалардың іргерлемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясына тура пропорционал скаляр шаманы айтамыз.
Егер орташа кинетикалық энергиясы әр түрлі екі дененің молекулалық қозғалысын әкеліп әрекеттестірсек, онда орташа кинетикалық молекуласының энергиясы үлкен дене (үлкен температурамен) өзінің бойындағы энергияны орташа кинетикалық молекулалық энергиясы аз денеге береді (аз температурамен) және бұл процесс екі дененің орташа кинетикалық энергиясы теңеспегенше, яғни олардың температулары бір - біріне сай болмағанша жүре береді. Екі дененің бұл жағдайы жылулық тепе - теңдік деп аталады.
Халықаралық (СИ) жүйесіндегі өлшем бірлік бойынша температура кельвинмен (К) өлшенеді. Практикада көбіне градус Цельсия (0С) қолданылады. Абсолют температура мен температураның арасындағы қарым - қатынас, Цельсия (0С) градус мынадай түрде өрнектеледі.
Т = t + 273,15;
Өндірісте және лабораторияларда температураны сұйықтық термометрдің, пирометрдің, термопардың және де басқа да құралдардың көмегімен өлшейді.
Күй теңдеуі.
Егер термодинамикалық күй көрсеткіштері уақыт өте келе тұрақты бастапқы қалпында сақталатын болса, онда мұндай жүйені бірқалыпты деп атайды.
Егер жүйедегі параметрлер әр түрлі нүктеде t, Р әр түрлі болса, онда мұндай жүйені бірқалыпсыз деп аталады.
Бірқалыпты термодинамикалық жүйеде параметрлі күй көрсеткіштерінің арасында функцианальдық байланыс болады, ол күй теңдеуі деп аталады.
Тәжірбиелер көрсеткендей, қарапайым жүйедегі негізгі күй көрсеткіштердің (Р, ,T), немесе біркелкі дененің жағдайы бір біріне байланысты және олар бір матаматикалық теңдікпен өзара байланған f(Р,v,T) = 0
Күй теңдеуін басқа түрге келтіруге болады.
Р= f(, Т); = f(Р, Т); Т= f(Р,).
Бұл теңдеу, жүйенің күй жағдайын анықтаушы негізгі үш параметрдің тек қана екеуі ғана тәуелсіз болып келетінін көрсетті. Тапсырманы термодинамикалық әдіспен шешу үшін, күй теңдеуін дырыс меңгеру керек.
Идеал газ деп газ молекулаларының материалдық нүкте ретінде қарастыруға болатын және олардың бір - бірімен әсерлесуі жоқ, тек қана серпімді соқтығысумен әсерлесетін,малекуларының көлемі газдың көлемін бірнеше есе кіші болып келетін газды айтамыз. Нақты газдардың көпшілігі жоғары температурада және төменгі қысымда идеал газдармен қасиеті жағынан шамалас болып келеді. 1 кг идеал газ үшін күй теңдеуі мынадай математикалық өрнекпен өрнектеледі.
немесе=RT (6) Мұндағы : тұрақты бірлікті - газ тұрақтысы деп атайды.Өлшем бірлігі R - Джкг* К;
Бұл теңдеу - идеал газдың термиялық күй теңдеу немесе сипаттайтын теңдеу деп атайды. Бұл теңдеуді француз ғалымы Клайперон 1834 жылы ашты, қазір бұл теңдеу сол ғалымның атымен аталады.
Газдың әр түрлі саны үшін массасы m (кг) (6)-шы теңдеу мына түрге келеді.
РV=mRТ (7)
Клайперон теңдеуін мынадай уневерсалды түрге келтіруге болады.
РV=(8)
Мұндағы: V- газдың киломольдік көлемі; =R - универсал газ тұрақтысы деп аталады. Авогадро заңының негізінде (итальян ғалымы 1811 ж.) 1 кг газдың киломольдік көлемі әр түрлі жағдайларда, барлық идеал газ үшін, қалыпты физикалық жағдайда (қысым 101325 Па және температура 273,15 К) тұрақты 22,4136 м3 болады, сондықтан:
=101325*22,4136273,15 = 8314 Дж(кмоль·К)
1 кг газ тұрақтысы мынаған тең.
RR=8314μ (9)
Термодинамикалық процесс.
Жоғырыда айтып кеткеніміздей, егер күй теңдеуі белгілі болса, онда қарапайым жүйедегі - уақыт өте келе мәндері тұрақты біркелкі болатын, массасын да, құрамын да негізгі үш параметрдің екеуі ғана белгілі болса, күй көрсеткіштерін анықтауға болады.
Р= f(, Т); = f(Р, Т); Т= f(,Р).
Термодинамикалық жүйені қоршап тұрған сыртқы орта өзгеретін болса, онда жүйенің ішкі жағдайыда өзгереді.
Термодинамикалық жүйенің күй жағдайының бір тұрақты ортадан, екінші ортаға өзгеру жиынтығы - термодинамикалық процес деп аталады.
Немесе, термодинамикалық жүйенің уақыт өте келе өзгеру жағдайын - термодинамикалық жүйе деп атайды. Жүйенің өзгеру процессі бірқалыпты және бірқалыпсыз болып екіге бөлінеді. Егер термодинамикалық жүйе бірқалыпты күй көрсеткіштерімен өтіп жатса, онда мұндай жүйені бірқалыпты деп атайды. Қорыта келгенде, бірқалыпты процесс толассыз қатардағы жүйелілердің тепе-теңдік күй-жағдайы. Сондықтан термодинамикадық жүйедегі оның барлық нүктелерін оның жұмыс денесінің күй теңдеуі деп сипаттауға болады. Сондықтан классикалық термодинамикалық зеттеу негіздері бірқалыпты жүйеге сүйене отырып жасақталған.
Термодинамикалық жүйедегі бірқалыпты процесті график арқылы бейнелеуге болады. Техникалық термодинамикада бірқалыпты процесті бейнелеу үшін екі жүйелі координаталар қолданылады РV. Мұндағы абсциссаны меншікті көлем, ал ординатаны қысым өлшейді. Термодинамикалық жүйедегі, РV - координаталарында тұрақты көлемдігі процесс - изохора вертикальтүрінде, ал тұрақты қысымдағы процесс - изобара горизонталь түрінде, тұрақты температурадағы процесс - изотерма гипербола түрінде бейнеленеді ( 1-сурет).
1 - сурет
Термодидинамикалық процестерді зерттеген кезде ерекше мағынаны - тұйық (айналмалы) процестерге көп көңіл бөледі. Бұл жағдай да жүйе бірнеше айналмалы әрекеттер қатарын жасап, бастапқы алғашқы күйіне (жағдайына) келеді.
№
Газдар
Химиялық формуласы
Молекулалық массасы
Меншікті газ тұрақтысы
Тығыздығы
1
Ауа
-----
28,96
286,4
1,298
2
Оттегі
O2
32,00
259,8
1,429
3
Азот
N2
28,02
296,7
1,251
4
Сутегі
H2
2,106
4124,0
0,0899
5
Көмірсутегі оксиді
CO
28,00
297,0
1,250
6
Көмірсутегі қос оксиді
CO2
44,00
189,0
1,977
7
Күкірттің қос оксиді
SO2
64,00
129,9
2,86
8
Су буы
H2O
18,016
461,6
0,804
9
Аммиак
NH3
17,031
488,2
0,771
Студенттердің өзін-өзі тексеруге арналған бақылау сұрақтары:
1. Термодинамикалық жүйе дегеніміз не?
2. Жұмыс денесі дегеніміз не?
3. Термодинамиканың негізгі параметрлерін және олардың өлшем бірліктерін атаңыз?
4. Қандай процесс термодинамикалық деп аталады?
5. Бірқалыпты және бірқалыпсыз жағдай мен процесс дегеніміз не?
6. Айнылмалы тұйық процесс дегеніміз не?
7. Идеал газ дегеніміз не?
8. Идеал газдың қандай күй теңдеулері бар?
Әдебиеттер: [2] §1. 1.2.-1.6.; 6-14 беттер;
[3] §1 1.2.-1.6.; 6-12 беттер;
Дәріс №№ 5-6. Тақырыбы: Термодинамиканың бірінші заңы
Дәрістің мақсаты:Студентерді ғылымның екі алғашқы бастамалары Жылутехника пәнімен таныстырып, жұмыс денесінің ішкі энергиясының жұмыс пен жылудан айырмашылығын анықтау.
Дәрістің жоспары:
1. Ішкі энергия;
2. Жұмыстың ұлғаюы;
3. Жылу;
4. Термодинамиканың бірінші заңының аналитикалық өрнегі.
Ішкі энергия.
Ішкі энергия деп, молекула мен атомдардың бей-берекетсіз қозғалысының салдарынан пайда болатын; өз бойына мынадай қасиеттерді қосатын:
─ Кинетикалық энергияның берілмелі, айнымалы және тербелмелі қозғалыстары;
─ Молекулалардың арасындағы күштің потенциалдық энергиясы.
Молекулалардың кинетикалық энергиясы температура функциясы болып табылады, потенциалдық энергияның мағынасы, газдың жалпы көлемімен, молекулалардың ара-қашықтығына байланысты, осыған орай потенциалдық энергия көлем функциясы болып табылады.
Сондықтан ішкі энергия U - дененің күй жағдайын сипаттайды.
Термодинамикалық процесстерде ▲U ішкі энергияның өзгерісі процестің мінез құлқына байланысты емес, ол тек дененің бастапқы және соңғы нүктелерінің қүй жағдайына байланысты.
▲U= (10)
мұндағы: U1 - Ішкі энергияның бастапқы күй көрсеткіші;
U2 - Ішкі энергияның соңғы күй көрсеткіші;
Идеал газдың ішкі энергиясы, молекулалардың арасындағы өзара тартылыс күші болмаған соң,газдың көлемі мен қысымына байланысты емес, идеал газдағы ішкі энергиясының өзгерісін температура арқылы анықтайды.
Техникалық термодинамикада ішкі энергияның абсолют мәні емес, әр түрлі процестердегі өзгеруі маңызды.
Жұмыстың ұлғаюы.
Тәжірбиелер көрсеткендей, дененің термодинамикалық процессі өтіп жатқан кезде, процеске қатысып отырған денелер бір-бірімен энергия алмасады.Соның салдарынан бір дененің энергиясы азаяды,ал екіншісінікі керісінше артады және бір денеден екінші денеге екі әдіспен беріледі.
Бірінші әдіс - энергияның берілуі күштің пайда болуына және сыртқы қысымның әсерінен жүздеге асады. Бұл әдіспен энергия берілу үшін дене үнемі қозғалыста немесе қысымның әсерінен өзінің көлемін өзгертіп отыруы шарт№
Екінші әдісте энергия жұмыс түрінде беріледі, процестегі энергияның берілген саны - жасалған жұмыс болып табылады.
Егер массасы m денені көлемі V1 болатын поршені бар цилиндрге орнатып, біршама жылуды жақындатсақ, онда газдың көлемі V2 ұлғаяды, сөйтіп поршеннің астындағы сыртқы Р қысымға қарама - қарсы жұмыс жасайды.
Көлемнің соңғы өзгерісі кезінде, Сыртқы қысымға бағытталған қарама - қарсы күш мынаған тең:
L= (11)
Мұндағы: L- жұмысқа айналған энергия саны, СИ жүйесінде бұл өлшем бірлік Дж мен өлшенеді.
Жұмыс денесінің көлемі ұлғайған сайын, оң жұмыс, + таңбасымен жасалады, бұл кезде дене өзі жұмысты жасайды.
Көлемді сыққанда, дененің жұмысы теріс, - таңбасымен жасайды. Бұл, дененің жұмыс жасамағанын емес, оны сығу үшін жасалған сыртқы жұмысты көрсетеді. Жұмыстың ұлғаюын массасы 1кг жұмыс денесіне әкеліп қоссақ, онда:
ℓ= (12) Термодинамиканың күй жағдайлары негізгі екі параметрлердің көмегімен анықталатындықтан, PV - диаграммаларда ол нүкте арқылы бейнеленелі. 2-сурет
2 сурет. Жұмыстың PV - координаталарындағы
графикалық бейнесі.
Бұл суретте, 1- нүкте жүйенің бастапқы жағдайын; 2- нүкте жүйенің ақырғы (соңғы) жағдайын; 1а2 - жұмыс денесінің меншікті көлемінің v1 ден v2 ұлғаю процесін білдіреді.
Көлемнің шексіз аз өзгерісінің нәтижесінде жазықтығының штрихталған ауданыны мыеаған тең - =δℓ
Сондықтан, 1а2 процесінің ауданының суреті абсцисса осінің және ординатаның шеткі нүктелерімен шектеле отырып, шек қойылған қисық сызық түрінде бейнеленеді. Осылай, көлемнің өзгеру жұмысы шек қойылған қисық процеске РV - диаграммасына эквиваленті.
Жүйедегі әр нүктенің көлемінің 1 - жағдайдан 2 - жағдайға(мысалы:1а2, 1в2, немесе 1с2) өзгеруі, сол нүктеге сәйкес жұмыстың ұлғаюымен пара пар.
Сондықтан, жұмыс - жүйенің бастапқы және соңғы жағдайларына емес, термодинамикалық процестің сипатын мен мінез-құлқына байланысты.
Жұмыс - энергияның бір денеден екінші денеге берілуін және берілген энергияның өлшемі болуын реттелген(микрофизикалық) формада сипаттайды.
Жылу.
Энергияның берілуінің екінші түрі әр түрлі температурадағы денелердің ортасындағы қатынас (контакт), шектесетін денелердің молекулалары арасындағы кинетикалық энергияның алмасуы немесе нұр шашатын денелердің ішкі энергиясының сәулелік тасымалдануы электр-магниттік толқындардың арқылы беріледі. Солай тұра, энергия қызған денеден суық денеге өтеді , молекулалар арасындағы орташа кинетикалық энергиясы көп денеден орташа кинетикалық энергиясы аз денеге өтеді.
Микрофизикалық жолмен берілген, бір денеден екінші денеге берілетін молекулалық дәрежедегі энергия - жылу саны деп, ал бұл әдіс - энергияның жылу түрінде берілуі аталады.
Дененің жылу түрінде алған энергия санын - келешекте берілген (әкелінген), ал дененің жылу түрінде берген энергиясын - алынған (тартып алынған) деп атаймыз. Жылу мөлшерін Q - әріпімен, ал меншікті жылу мөлшері ( апарылған 1 кг) - q әріпімен белгіленеді, ал өлшем бірлігі барлық энергиялар секілді джоулмен (Дж) немесе (кДж) килоджоулмен өрнектеледі.
Жылу берілуінің алғы шарттарының бірі - жұмыс денелерінің арасындағы температураларының айырмашылықтары.
Берілген жылу мөлшері оң (+), ал алынған энергия теріс (-) болып саналады.
Сондықтан, ішкі энергия - жүйенің өзінің қасиеті, ол жүйенің жағдайын сипаттайды. Жұмыс пен энергия - механикалық және жылулық процестердің қоршаған ортамен энергетикалық қарым - қатынасын сипаттайтын шамалар болып табылады. Олар жүйеге берілген немесе алынған энергия санын сипаттайды.
Термодинамиканың бірінші заңының аналитикалық айтылуы.
Термодинамиканың бірінші заңы жылулық құбылыстарына қарасты, жалпы энергияның өзгеру және сақталу заңдарын сипаттайды.
Егер көлемі V және массасы m болатын,температурасы T және қысым Pболатын жұмыс денесі тыс жерден әкелінген энергия δQ. Берілген энергияның нәтижесінде дене dT температурасына дейін қызып, dV көлемге шейін ұлғаяды.
Температураның өсуі денедегі бөлшектердің кинетикалық энергиясының өсуімен сәйкес келеді. Дененің көлемінің өзгеруі оның бөлшектерінің потенциальдық энергиясының өзгерісіне әкеліп соғады.Осының салдарынан ішкі энергия dU өседі. Жұмыс денесін ортамен қоршағандықтан, оған қысым түсіріледі, көлем ұлғайған кезде сыртқы қысымға қарсы механикалық жұмыс dL жасалады.
Энергияның сақталу заңына сәйкес:
Q= dU+L (13)
Жүйеге берілетін жылу мөлшері, оның ішкі энергиясына және сыртқы жұмыстың жасалуына кетеді.
(13) өрнек термодинамиканың бірінші заңының математикалық өрнегі болып табылады.
1 кг жұмыс денесі бар жүйеге:
q=du+ℓ (14)
(13) және (14) өрнекті интегралдау арқылы термодинамиканың бірінші заңының мынадай күйге келеді.
Q=∆U+L; q=u+ℓ (15)
Мұндағы: ∆U= U+ U и ∆ u = u - u
Студенттердің өзін-өзі тексеруге арналған бақылау сұрақтары:
1) Жұмыс денесінің ішкі энериясы деген не?
2) Процестегі жұмыс пен жылу дегеніміз не?
3) Термодинамиканың бірінші заңының маңызы неде?
4) Дененің жылу қозғалысы нені құрайды?
5) Термодинамиканың бірінші заңының математикалық өрнегі қалай жазылады?
Әдебиеттер: [2] §2, §3;13-29 беттер;
[3] §2; 14-20 беттер;
Дәріс №№ 7-8.Тақырыбы: Термодинамиканың екінші заңы.
Дәрістің мақсаты:Студенттерге термодинамиканың екінші заңының мәні, негізгі тұжырымдамалары мен жазбалары туралы толық мағлұмат бере отырып, энтропияның өзгерісі, қайтымды және қайтымсыз процестер кезіндегі оқшауланған термодинамикалық термодинамикалық жүйенің жұмыс қабілетімен таныстырады.
Дәрістің жоспары:
1. Термодинамиканың екінші заңының негізгі ережелері.
2. Айналма термодинамикалық процестер немесе циклдар.
3. Термиялық ПӘК-і және циклдардың салқындату коэффициенті.
4. Тура қайтымды Карно циклы. Кері қайтымды Карно циклы.
5. Кері Карно циклі.
6. Жылудың және эксергияның жұмыс қабілеттілігі.
Термодинамиканың екінші заңының жалпы негізі. Цикл туралы түсінік. Термодина-микалық циклдың ПӘК-і.
Жұмыс пен жылудың эквивалентлігіне қарамастан, олардың өзара өзгеру процестері бірдей емес.Жұмыс, әр түрлі процестерге қатысытын энергияның басқа түрлері секілді, толықтай жылуға айналады.Жылу мүлдем өзін басқаша жетілдіреді. Мысалы: жылу машиналарында. Жылудың жұмысқа өзгеру процессі тек жылу көзімен жылу қабылдап алатын соңқы нүктесінің температуралары әр түрлі болғанда ғана жүздеге асады. Сондада бүкіл жылу жұмысқа айналуы мүмкін емес.Термодинамиканың екінші заңының бірнеше негіздері қалыптасқан, оның бірі 1851 жылы Томсонның айтуы бойынша қалыптасқан. Ол жылубергіштен берілген барлық жылу, жұмысқа айналуы мүмкін емес, тек оның бір бөлігі ғана жұмысқа айналатынын, жылудың қалған бөлігі жылуқабылдағышқа барады.
Термодинамиканың екінші заңының негізін түсіну үшін жылу двигателенің сызбанұсқасымен танысайық.Тәжірбие көрсеткендей, барлық жылу двигательдері ыссы жылу көзін, жұмыс денесін, тұйық процесті циклді жұмыс пен салқын жылу көздерінен тұруы шарт.
3 - сурет.
Жылу двигателінің термодинамикалық сызбанұсқасы
Қазіргі жылу двигательдерінде ыссы жылу көзі болып химиялық реакциялар, жағармай жаққыш немесе ішкі ядролық реакциялар табылады, ал салқындатқыш жылу көзі ретінде қоршаған орта - атмосфера табылады. Жұмыс денесі ретінде газдар мен булар алынады.
Двигательдің жұмысы келесі жұмыс тәртібі бойынша орындалады:
1в2 линиясымен ұлғая отырып, жұмыс денесі 1в221 ауданына тең жұмыс жасайды. Үзбей жұмыс жасап тұрған қондырғыды бұл процесс бірнеше рет қайталануы тиіс. Бұл үшін жұмыс денесін бастапқы күй жағдайына қайтарып білу шарт. Мұндай ауысымды 1в2 процесінде жасауға болады, ол үшін денеге тап сондай жұмыс жасалуы керек. Яғни, бұл әрекеттің түк пайдасы жоқ екен, себебі: орташа жұмыс пен циклдің жұмысы нольге тең болады.
Үзбей жұмыс жасайтын двигатель механикалық энергия тудыру үшін, ұлғаю процесінің линиясы сығуға жұмсалған процестің линиясынан әлде-қайда жоғары болуы шарт. Согдықтан қисық сызықты 2А1 сығылу процесі ұлғаю процесінен төмен жатуы керек.Процестегі 2А1 жұмыс шығыны 2А1122 ауданында суреттелген. Осының салдарынан әр кг жұмыс денесі шектелген циклдің контуры бойынша, 1в2А1 көлеміне эквиваленті lпайдалы жұмыс жасайды.
Циклді екі бөлікке бөлуге болады:
А1в - жылу әкелетін немесе жеткізетін q;
в2А - жылу алшақтататын немесе алатын q2 ;
В және А нүктелерінде жылу әкелінбейді, алшақтатылмайдыда, бұл нүктелерде жылу ағын белгісін өзгертеді.
4-сурет.
Айнымалы процес (цикл) РV и ТS - координаталарында.
Осылайша, двигательдің үздіксіз жұмыс жасауы үшін денеге q мөлшерінде қыздырғышқа жылу жеткізіліп, q2 мөлшерінде салқындатқышқа жылу әкетілуі керек.
ТS- диаграммада жылу q мөлшері - А'А1BB' мынадай ауданға, ал q2 - А'А2ВВ' ауданға ие.
Жүйедегі ішкі энергия функцияның жағдайын білдіреді. Дене бастапқы қалпына келгенде, оның бастапқы мәнге ие болатыны сөзсіз, сондықтан u=0 мынаған тең:
q=l (16)
q- бұл жылу циклдегі пайдалы оң жұмыс, бұл температуралардың өзгерісіне тең және ТS- диаграммадағы контурдың шектелген ауданына тең.Циклдағы двигательдің, шығаратын жұмыс пен ыссы жылу көзінен әкелінген жылу санының қарым-қатынасы - циклдің пайдалы оң жұмысының термиялық коэффиценті (КПД):
(17)
КПД жылу двигателінің циклінің жетілген дәрежесін бағалайды. саны көп болған сайын, жұмысқа айналған жылу мөлшерінің саны да артады.
Түзу Карно циклі.
Екі изотерма мен екі адиабаттан тұратын цикл - түзу Карно циклі деп аталады, себебі 1824 жылы алғаш рет Саади Карноның көмегімен термодинамиканың ең маңызды қағидаларының бірі, жылудың механикалық энергияға айналуы ашылды.Карно циклін PV - диаграммада бейнеленген. (5-сурет)
5 - сурет.
Түзу Карно циклі.
Бұл циклді жүздеге асыру үшін, ең алдымен алдымызға жылу машинасын елестетейік, цилиндр керегінше абсолютті түрде жылу өткізетін немесе оған қарама-қарсы мүлдем жылу өткізбейтін. Мейлі бірінші жағдайда поршендегі жұмыс денесінің бастапқы параметрлері P, , ал Т-дің температурасы жылубергіштің температурасы тең болады. Егер осы сәтте цилиндр толықтай жылуөткізгіштік жағдайда болса және егер оны жылубергішпен шектестіріп, жұмыс денесіне 1-2 изотерма бойынша меншікті жылу мөлшері q, жеткізсек, онда газ 2 нүктеге шейін ұлғаядыда жұмыс жасайды.2 нүктенің параметрлері: P,,Т. 2 нүктеден бастап цилиндр толықтай жылу өткізбейтін болу керек. Температурасы Т болтын жұмыс денесі 2-3 адиабатыда ұлғая отырып, жылуқабылдағыштың температурасна Tтең болады, осылайша жұмыс жасайды. 3 нүктенің параметрлері: Р,,T,. 3 нүктеден бастап цилиндрді толықтай жылуөткізетін қыламыз. Жұмыс денесін 3-4 изотерма бойынша сыққан сайын және бір уақытта меншікті жылу мөлшерінің санынq2 жылуқабылдағышқа апарамыз. Изотермиялық сығудың соңында жұмыс денесінің параметрлері мынадай болады P,, және T.4 адиабаттық процестегі мүлдем жылуөткізбейтін нүктеден, дененің 4-1 сығуы салдарынан, дене бастапқы қалпына келеді.Осылайша, бүкіл цикл көлемінде жұмыс денесіне жылубергіштіктен меншікті жылу мөлшері qберілді, және жылуқабылдағышқа меншіктіжылу мөлшері q2 апарылды.
КПД термиялық процесі:
(18)
(18) өрнеке q және q қойғанда, онда:
Изотерма бойынша 1-2: q=R T ln
Изотерма бойынша 3-4: q=R T ln
Термиялық КПД Карно циклі мынандай күйге келеді:
(19)
Термиялық КПД Карно циклі тек қана абсолют температуралардың жылы және салқын көзіне байланысты екенін көрсетеді. КПД циклді, ыссы жылу көзінің Т температурасының көбеюі салдарынан немесе Tсалқын көздің температурасының төмендеуі салдарынан жұмыссын ұлғайтуға болады. Егер Т=T болса, термиялық КПД циклі нольге тең болады. Бұл жылудың жұмысқа айналуы мүмкін еместігін көрсетеді, егер бүкіл жүйедегі дененің температуралары өзара тең немесе бірдей температурада болса.
6- сурет.
Түзу Карно циклі TS диаграммада
Карно циклі, Тжәне Tтемпературалардың арасындағы интервальдарды қамтып, TS - диаграммада тіктөртбұрыш түрінде бейнеленеді 1234 (6-сурет).TS - диаграмманың көмегімен Карно циклінің өрнегін басқа жолмен де таба аламыз:
Карно циклының мағынасы КПД мен салыстырғанда өте үлкен. Практикалық қиындықтарда сүйене отырып, шын мәнінде қозғалтқыштарда Карно циклы жүздеге аспайды. Бірақ, Карно циклның теориялық және практикалық маңызы өте зор. Ол жылу двигателдердің кез-келген жетілген циклдарың бағалауының эталоны.
Кері Карно циклі.
Карно циклы тек қана түзу бағытта ғана емес, сонымен қатар кері бағытта ағуы мүмкін. 7-суретте Карно циклының кері ағыны көрсетілген. Жұмыс денесі бастапқы нүтеден адиабата 1-4 бойымен қоршаған ортамен дым жылуалмасусыз, ішкі энергияның салдарынан ұлғая жұмысын жасайды, бұл кезде температура Т ден T дейін төмендейді. Осыдан кейін ұлғая процесі изотерма 4-3 бойынша, жылу әкелудіңqкөмегімен өтеді, жұмыс денесі жылуды өзінің бойына qтемпературасы Tболытын төмен нүктеден жинап алады.
7- сурет.
PV және TS диаграммаларындағы кері Карно циклы.
Осыдан кейін газ сығылуға түседі, алдымен ол адиабата бойынша 3-2 Т2 ден Т1 оның температурасы өседі, содан кейін изотерма бойынша 2-3. ( T = Const).
Сонымен қатар жұмыс денесі жоғары тұрған нүктеге (Т1 жоғары температурасы бар жылуқабылдағышқа) q1 мөлшеріндегі жылу береді.
Кері Карно циклын қарастыра отырып, сыртқы ортаға жұмсалған жұмыстың сығу көлемі, ауданы 12341(-) мынаған тең жұмыстың ұлғаю процесінен көп екендігін көреміз. Бұл жұмыс жылуға айналып,q2 мен бірге температурасы Т1 ге тең көзге (источник) беріледі. Осылайша, кері циклды орындау үшін жұмсалған меншікті жұмысты l, жылуқабылдағыштан жылубергішке апаруға болады. Жылуқабылдағыштың алатын жылуы мынаған тең:
q= q+
Кері циклмен жұмыс жасайтын машина - салқын машина деп аталады.
Салқын машиналарды нәтижелігін сипаттайтын - салқындық коэффиценті. Ол цикл көлемінде салқын камерадан алынған жылу мөлшерінің санының қарым-қатынасына тең шама, ол әріпімен белгіленеді.
== (20)
Кері Карно циклы үшін:
= (21)
- жылу көзінің абсолют Т және Tтемператураларына байланысты.
Жылудың және эксергияның жұмыс қабілеттілігі.
Термодинамикада жұмыс туралы түсінік ең маңызды орындардың бірін алады, оқшауланған жүйедегі өзінің күй-жағдайларын және шарттарын өзгерткен кезде, иаксимальды жұмыс пайда болады.
Оқшауланған жүйені қарастырайық, ол температурасы Т1 ыссы жылу көзінен және температурасы Т0 салқын көзінен (қоршаған ортадан), цикл жасайтын жұмыс денесінен тұрады.
Бұндай жүйеден жұмыс алу мүмкін, егер жүйе қоршаған ортамен тепе-теңдік жағдайда болмаса және жүйедегі қысым Р1 мен температурасы Т1 болып ,ол жүйедегі қысымы Р0 мен температурасы Т0 ден үлкен болса, және онымен жүйе әрекеттесетін болса.
Жылудың Qжұмыс қабілеттілігімен (немесе эксергия), ыссы жылу көзінен температурасы Т1 алыса, онда ол максимальды пайдалы оң жұмыс деп аталады, ол жылудың мынадай шартты орындалғагда ғана жүзеге асады, егер салқын көз (источник) ретінде температурасы Т0 болатын қоршаған орта болса.
Максималь пайдалы жұмыс L және жылу Q Карно циклының тепе-теңдік жағдайдағы жұмысын көрсетеді, және бұл жұмыс Т1-Т0 аралығындағы темпаратуралар диапозонын жүздеге асырады.
= (22)
Мұндағы:
Осылайша, Qэксергиясы мынаған тең:
=Q (23)
Жылу қабілеті жоғарлаған сайын, Т0 Т1 қатынасы Т1 = Т0 нольге тең болғанда, мейлінше кемиді.
Шын мәнінде тепе-теңдіксіз процестерде жұмыстың жоғалу орны бар, жүйедегі тепе-теңдіксіз ағып жатқан процестердің салдарынан энергия жан-жаққа тарайды. Жұмыстың жоғалу көрсеткіші мыеаған тең:
Мұндағы: оқшауланған жүйедегі энтропияның өзгерісі, процестердің өзара тепе-теңсіздік дәрежесін сипаттайды.
Студенттердің өзін-өзі тексеруге арналған бақылау сұрақтары:
1) Түзу және кері Карно циклі дегеніміз не?
2) Термиялық КПД және циклдің салқындық коэфиценті дегеніміз не, Карно циклында олар неге тең?
3) Нелектен кері Карно циклы басқа циклдарға қарағанда тиімдірек?
4) Термодинамиканың екінші заңының негізі неде?
5) Термодинамиканың екінші заңының негізгі теңдеулерін атаңыз?
6) Термодинамиканың екінші занының аналитикалық айтылуына мысал келтіріңіз?
7) Эксергия дегеніміз не?
8) Оқшауланған жүйенің жұмыс қабілеттілігінің төмендігін қалай анықтайды.
Әдебиеттер: [2] §4, §5; 30-54 беттер;
[3] §3; 28-44 беттер;
Дәріс №№ 9-10. Тақырыбы:Нақты (реал) газдар мен булар.
Дәріс мақсаты:Реал газдардың ерекшілігін, будың пайда болу процестерін түсіндіру. PVжәне TS, диаграммаларына термодинамиканың негізгі процестерін салып үйрету және су және сулы будың параметрлерін таблица бойынша анықтау, формула және диаграмма бойынша анықтау.
Дәріс жоспары:
1. Булану процесі.Негізгі анықтамалар мен ережелер.
2. Ван-дер-Ваальс теңдеуі.
3. Критикалық температура. Аса қыздырылған будың негізгі көрсткіштері.
Сулы бу. Негізгі анықтамалар мен ережелер.
Реал газ ретінде сулы буды мысал ретінде аламыз, себебі ол көптеген техника салаларында қолданылады, мысалы ең бірінші жылу энергетикасында негізгі жұмыс денесі ретінде пайдаланылады. Сондықтан су және су буының термодинамикалық күйін зерттеудің үлкен тәжірибелік мәні бар.
Дененің сұйық күйінен бу күйіне айналу процесін булану деп атайды.
Затың бу күйінен сұйық және қатты күйге айналуы конденсация деп аталады. Конденсация процесі булану процесіне ұқсас,екеуі де қысым өзгермесе тұрақты температурада өтеді. Бу конденсациясынан пайда болған сұйықтықты конденсат деп атайды.
Булар
- ылғал қаныққан бу
- құрғақ қаныққан бу
- аса қыздырылған бу деп, бір-бірінен ажыратылады.
Егер булану процесі ашық ортада өтсе, ондай жағдайда сұйықтан ұшып шыққан молекулалар ыдыс ішіндегі бос орынды алады, ал сулы пар молекуласының температурасы сол қайнаған сұйық температурасына тең. Бұл булану температурасы қаныққан температура деп аталады және tәрпімен белгіленеді.
Қаныққан бу деп өзі пайда болатын сұйықпен термиялық және динамикалық тепе-теңдікте болатын буды айтады.
Ылғал қаныққан бу деп, құрамында сұйықтың көтеріңкі тамшылары бар екі фазалық қоспаны немесе буды айтады.
Құрғақ қаныққан бу деп, құрамында сұйық фазаның көтеіңкі бөлшектері жоқ қаныққан буды айтады. Құрғақ қаныққан буды қысым арқылы анықтауға болады. Құрғақ қаныққан буды массасының (Қ.Қ.Б) ылғал қаныққан бу массасына (Ы.Қ.Б) қатынасын құрғақтылық дәрежесі деп атайды және х әрпімен белгілейді. X=масса Қ.Қ.Б.∕масса Ы.Қ.Б. Ылғал бу дәрежесі деп қайнап жатқан сұйық массасының бөлігін айтады:
Қайнап жатқан сұйықта ts болғанда x=0.
Құрғақ қаныққан буда x=1.
Ы.Қ.Б. құрғақтылық дәрежесі 0 ден 1 ге дейінгі мән қабылдайды.
Ы.Қ.Б-ды параметр арқылы анықтайды:температурамен және құрғақтылық дәрежесі х немесе қысыммен және құрғақтылық дәрежесі х. Егер Қ.Қ.Б. (p=const) қысым тұрақты болғанда аз мәнде жылу берілсе, температура көтеріледі. Берілген қысымда қыздырылған бу, яғни температурасы t 2 t1 болғанда аса қыздырылған бу пайда болады.
Қ.Қ.Б-ға қарағанда аса қыздырылған бу(АҚБ) температурасы мен меншікті көлемі көбірек болады. Газдағыдай АҚБ-ң температурасы көлемі мен қысымына байланысты. Неғұрлым қыздыру дәрежесі көп болса , соғұрлым газдың физикалық қасиетіне жақынырақ.
PV диаграмасындағы булану процесі.
Булану процесін қарастырамыз. Ол үшін 00С-тағы 1 кг суды қозғалмалы поршені бар цилиндірге құямыз. Поршенге күш түсіреміз. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
еліміздің мұнай саласындағы ролі.
Жылутехника пәні және оның мұнай және газ
бакалаврларын дайындаудағы орны мен ролі.
Дәрістің мақсаты: Студеттерге энергияның халық шаруашылығындағы ерекше ролін және Республикадағы жағармайлық теңдіктің өзгеру бағыттары жөнінен хабардар ету.
Дәрістің жоспары:
1. Жылу қондырғылары.
2. Жылутехника пәні
3. Жылу жүйесіндегі факторлар
Жылу қондырғылары.Жылутехника (термодинамика)пәні.
Жылу құбылыстарын, жылу алу жолдарын, оның өзгерісін, жылу алмасуын, қолданылуын және оның іс - әрекеті мен құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты жылу және бугенераторларын, жылу машиналарын, аппараттар мен қондырғыларды зерттейтін ғылым - жылутехника деп аталады. Жылутехника ғылымын дамытуда көп еңбек сіңірген орыстың ғалымдары мен инженерлері. Осы салада алғаш рет өзінің ғылыми жұмыстарын ұсынған орыстың ғұлама ғалымы - М.В.Ломоносов болды. Ол теориялық зерттеулері мен экспериментальдық жұмыстарының нәтижесінде заттың молекула - кинетикалық теориясының негіздерін, молекула арасындағы жылулық және механикалық энергияның сақталу және өзгеру заңдылықтарының бір бөлігі деп түсінген.
Д.И.Менделеев өзінің осы салада терең жұмыстар жүргізуінің арқасында, ғылымға алғаш рет жер асты жағармайдың газдандырылуына байланысты туатын сұрақтарды ашық талқыға салды. Сонымен қатар, ол әр заттың белгілі бір кризистік температурасы болатынын, одан әрі бұл зат қандай да болмасын жоғары қысымда да сұйыққа айнала алмайтындығын дәлелдеп, кризистік температура таблицасын құрастырады.
К.Е.Циолковский, К.В.Кирш, А.А.Радцг, В.И.Гриневецкий және тағы да басқа орыс инженерлері мен ғалымдарының еңбектерінің арқасында 19 ғасырдың аяғымен 20 ғасырдың басында жылу агрегаттарының ғылыми жобалары жасақталды (пештер, жылу двигательдері, ракеталар және т.б.).
Жылудың рационалды түрде толық пайдаланылуы үшін, жылу қондырғылардағы процестердің жұмысын анализ арқылы үнемдеп, мейлінше ұтымды ауыстырып және жаңасын тауып, теплотехниканың теориялық негізін тереңдеп дамыту керек. Мұнсыз, қуатты бу және газ турбиналарын жасап шығаруға, реактивті двигательдерді, континет аралық аса дәл ракеталарды және т.б. күрделі жылулық қондырғыларды ойлап табу мүмкін емес.
Жылудың принципті түрде 2 бағытта қолданылатынын естен шығармаған абзал.
Энергетикалық;
Техникалық;
Жылуды энергетикалық бағытта қолданған кезде, ол механикалық жұмысқа айналады. Егер, жылуды техникалық ортада қолданатын болсақ, ол әр түрлі заттардың қасиеттерін өзгерту үшін қолданылатынын көреміз. Мысалы: дененің температурасын өзгерту арқылы, оларды балқытуға, қатайтуға, құрылысын өзгеруіге, механикалық, химиялық, физикалық қасиеттерін өзгертуге болады.
Қазіргі энергетикалық салалардың басты жұмыс бағдары, жылудың механикалық жұмысқа толық трансформациялануы. Осының салдарынан генераторда алыс жолға тасымалдауға қолайлы энергия пайда болады. Реакцияға қажетті жылуды - жағармайды пештерде немесе іштен жану двигательдерінде жағу арқылы өндіреді.
Құрылыс индрустриясында құрал-жабдықтарды өндіру кезінде техникалық жылулық принцип қолданылады. Бірақ, жұмыста қолданылған бужасағыш, кептіргіш, жанғыш қондырылар толығымен термодинамика заңдарына сәйкес анықталады.
Жылу жүйесіндегі факторлар.
Сонымен қатар, жылуды пайдалана отырып, жылу жүйесін үнемді қолдану проблемасы туындайды, ол өз кезегінде, жағармай үнемділігін қажет етеді, Ж.Э.Р. 2 фактор бойынша реттеледі.
Экономикалық фактор;
Экологиялық фактор;
Экономикалық фактор.
Экономикалық фактор әлемде болып жатқан жағдайларға және дүние жүзіндегі жағармайдың қымбаттауына байланысты, меншікті шығынның көлемін азайтуды және жағармай өндіру дәрежесін арттыруды талап етіп отыр.
Көптеген технологиялық процестердің энергетикалық нәтижелігі өте нашар. Мысалы: біздің елде 1 т. цемент өндіру үшін жұмсалатын меншікті жылу мөлшері 210 кгт, ал осы кезде энергияны үнемдейтін технологиялардың нәтижесінде АҚШ-тағы өндірісте жұмсалатын жылу мөлшерінің көрсеткіші 150 кгт, ал Японияда бұл көрсеткіш тіпті төмен 110 кгт болып келеді.
Қазіргі таңда қаражатты жағармай өнімділігін арттыру үшін салған тиімсіз, оданда жағармайды пайдалану (жұмсау) дәрежесін азайтуға, технологиялық процестердегі отынды тиімді үнемдей отырып пайдалануға ат салысқан жөн. Қазіргі кезде, энергетикалық - жағармай өндірісін дамытуға әлемнің 23 елі қаражат құяды. 1985 жылға шейін еліміздің жағармайлық теңдікте - мұнай мен газдың ролі өсті. 1985 жылдан бастап мұнай мен газ өндіру тұрақталды. Енді мұнайды тереңірек өңдеу салдарынан мазут пен пештік жанармайдың көлемі азаяды да моторлық жанармайдың көлемі артады.
Егер 1983 жылы еліміздің электр станцияларында мазуттың максимальды көрсеткіш - 120 млн. т., жұмсалса, соңғы жылдары мазуттың энергетика саласында пайдалану көрсеткіші күрт төмендеді. Ірі энергетикалық компаниялар, қазір қатты отын түрлерін және табиғи газды пайдалануға құлшыныс танытып жатыр. Осыған орай мұнай мен газ өндіру дәрежесі алдағы уақытта артпаса, азаятыны екі талай.
Экологиялық фактор.
Алдағы уақытта өтетініміздей, жағармайды жағу кезінде шығатын өнімнің бірі көмірсутек диоксиді - Co2. Бұл газ, жердің атмосферасының құрамында кездеседі. Ол жерді салқындатуға, космосқа саулелену арқылы кері әсерін тигізеді. Соңғы жылдары бүкіл елдің ғалымдары атмосферадағы көмірсутек диоксидінің концентрациясы көбейіп кетті деп дабыл қағуда. Егер бұл жорамал расталса, адамзатқа алдағы уақытта құрамында көмірсутек диоксиді бар жанармайды қолданудан бас тартуымыз қажет.
Сонымен қатар, жылу-электр және жағармай жағу қондырғылары бөлетін қалдықтар жергілікті экологияны ластап, (ақаба сулар мен газдар) химиялық (күкірт оксиді мен азот) күл мен түтін бөледі, олардың мөлшері өнеркәсіптің өнімділігі артқан сайын өсіп, күрделі қиындықтарды тудырып отыр. Бұл қалдықтарды түбегейлі жоюға немесе атмосфераға тарайтын зиянды заттардың санын мейлінше азайту үшін ең алдымен жағармай қолданатын қондырғылардың жұмысын, ондағы ағып жатқан процестерді тереңірек зерттеу керек. Нақты айтқанда қазір, экология, адамзатты толығымен қалдықсыз технология өндірісін пайдалануға мәжбірлеп отыр.
Негізі адамзаттың пайдаланып отырған пайдалы қазбаларының 90 % органикалық отын көзі болып табылады. Бұл теплотехника ролін анықтайды - жалпы инженерлік мамандықта, жылу құбылыстарын, жылу алу жолдарын, оның өзгерісін, жылу алмасуын, қолданылуын және осыған сәйкес аппараттардың жұмысын зерттейді.
Теплотехниканың теориялық бөлімі - жағармайлық энергияның қасиетін, температураның таралу процесін және өзгеру заңдылықтарын зерттейтін бөлімдерге бөлінеді:
1) Техникалық термодинамика
2) Жылу алмасу теориясы
Студенттердің өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1) Энергия мен жылу техникасының халық шаруашылығындағы орны?
2) Жылутехника нені зерттейді?
3) Орыс және кеңес одағы ғалымдарының жылу техника мен энергетика
саласына қосқан үлесі қандай?
4) Жағармайлық тепе-теңдік неге және қалай өзгереді?
5) Энергетикалық және техникалық жылу дегеніміз не?
6) Халық шаруашылығында жылуды қайда қолданылатынын атап өтіңіз?
Әдебиеттер: [2] §1;4-6 беттер;
[3] §14-5 беттер.
Дәріс №№ 3-4Тақырыбы:Техникалық термодинамика.
Мінсіз(идеал)газдар және олардың қоспалары
Дәрістің мақсаты: Анықтамалар кешенімен студенттерді таныстыру және техникалық термодинамика ұғымдарының, базадағы келесі тақырыптарды таныстырып, олардың ұғымдарды айқын меңгеруіне көз жеткізу.
Дәрістің жоспары:
1. Техникалық термодинамика пәні.
2. Термодинамикалық жүйе.
3. Термодинамикалық күй көрсеткіштерінің негізгі теңдеуі.
4. Күй көрсеткішінің теңдігі.
5. Термодинамикалық процесс.
Техникалық термодинамика пәні.
Термодинамика - әр түрлі энергияның бір-біріне айналу процесстерін зерттейтін ғылым. Бұл ғылым табиғат құбылыстарының сан алуандығын, ондағы химиялық,механикалық, физико-химиялық құбылыстарын зерттейді.термодинамиканың үш бөлімінің бірін техникалық термодинамика деп атайды, ол жылудың толықтай жұмысқа айналу заңдылықтарын қарастырады.
Басқаша айтқанда, техникалық термодинамика жылулық және механикалық энергияның айналу заңдылықтарын,айналу процессіне қатысатын денелердің қасиетін зерттейді. Ол жылулық, механикалық және химиялық процестердің арасында өзара байланыс орнатады, бұл байланыс жылулық және салқындатқыш қондырғыларда іске асады.Сонымен қатар газдар мен буларда жүретін процесстерді, ондағы денелердің қасиетін әр түрлі физикалық ортада зертейді.
Жылуалмасу мен техникалық термодинамикалардың теориясы жылу-техникасының басты іргетасы болып табылады. Осының негізінде есептеулер және барлық жылу қозғалтқыштардың жобалауын жүдзеге асырады, сонымен қатар технологиялық жабдықтау да жоспарлайды.
Термодинамика пәні негізгі екі заңға сүйене отырып жасақталған.
Термодинамиканың бірінші заңы - табиғат заңдылықтарына байланысты жылулық құбылыстарына негізделген - энергияның өзгеру мен сақталу заңын ұсынады.
Термодинамиканың екінші заңы жүйедегі макроскопиялық денелердің ағып өтуін және процестердің бағыттарының алғы шарттарын зерттейді.
Термодинамикада зерттеудің екі әдісі қолданылады.
- Тұйық (айналмалы) процесстік әдіс;
- Термодинамикалық функциялар мен геометриялық құраушылардың әдісі болып бөлінеді.
Термодинамикалық жүйе
Барлық табиғат құбылыстарына бір-бірімен өзара байланысқан бір немесе бірнеше денелер жиынтығы қатысады. Термодинамикалық құбылыстарды зерттеу кезінде тәжірбие обьектісі ретінде бір немесе бірнеше дене, кей жағдайда сол дененің бір бөлшегі ғана алынады. Зерттелу обьектісі - термодинамикалық жүйе, ал оның шекарасында жатқан денелер - қоршаған орта деп аталады.
Термодинамикалық жүйе деп - макроскопиялық денелер жиынтығынан тұратын, өзара бір-бірімен және қоршаған ортамен энергия алмасатын жүйені айтады.
Жүйе мен қоршаған ортаны айырып тұратын бақылау қабықшасы (бақылау беті) .
Термодинамикалық жүйенің ең қарапайым түрі ретінде цилиндрде піспектің астында сығылған газды алуға болады. Мұндағы қоршаған ортаның рөлін - қоршап тұрған кәдімгі ауа, ал бақылау қабықшасы ретінде цилиндрдің қабырғалары мен поршень алынады.
Егер термодинамикалық жүйенің қоршаған ортамен еш байланысы болмаса, ондай жүйені жылу оқшауланған жүйе деп атайды. Бірақ, жүйе қоршаған ортамен затпен де, энергиямен де алмаспайды.
Адиабаттық қабықшамен қоршалған, қоршаған ортамен жылу алмасу процессін мүлдем өткізбейтін жүйені жылу оқшауланған немесе адиабаттық жүйе деп атайды. Бұған мысал ретінде, қабырғалары жылу алмасудан мықтап оқшауланған, қоршаған ортамен жылу алмаспайтын шыны ішіндегі газды алынады.
Термодинамикалық жүйедегі механикалық және жылу алмасу процесстері бақылау қабықшасы арқылы жүзеге асады. Механикалық әрекеттесу кезінде жүйенің өзімен немесе жүйенің үстінен жұмыс жасалады. Біздің қарапайым мысалымыздың негізінде механикалық жұмыс поршеннің орын ауыстыруымен, көлемінің өзгеруімен жалғасады.
Жылу алмасу негіздері жылудың бөлек бөлшектердің арасында орын ауыстыру мен жылу жүйесімен және қоршаған ортамен әрекеттесуіне байланысты. Қарастырылып отырған мысалда жылу газдан цилиндрдің қабырғалары арқылы алынады. Жалпы жағдайда жүйе ортамен және затпен алмаса алады (масса алмасу әрекетті). Мұндай жүйе - ашық жүйе деп аталады. Турбиналар мен құбырлардағы газ бен будың ағындары - ашық жүйенің негізі болып табылады.
Ал, келешекте біз жабық жүйені қарастырамыз. Жұмыс денесі қарапайым термодинамикалық жүйе болып табылады,ол жылудың жұмысқа айналуын жүзеге асырады. Іштен жанатын двигательдерде (ІЖД) мысалы, жұмыс денесі ретінде құрамында ауа мен бензин буы бар карбюратордағы жанғыш қоспа алынады.
Термодинамикалық жүйедегі негізгі күй көрсеткіштері.
Техникалық термодинамика пәні жылу машиналарындағы процестердің жылу мен жұмыстың өзара өзгеру әрекетін зерттейді. Жылу машиналарында жылудың жұмысқа айналу процессі жұмыс денесінің негізінде жүздеге асады.
Мысалы: ІЖД, ГТҚ қондырғыларында қарастырылған процестерде жұмыс денесі ретінде газ алынған. Парлы двигательдерде жұмыс денесі - су буы болып табылады.
Жұмыс денесінің физикалық жағдайы (немесе термодинамикалық жүйеде) бірнеше өлшем бірліктермен анықталып, оның күй жағдайын, термодинамикалық күй жағдайын анықтайды. Біркелкі дененің күй жағдайы негізгі үш параметр бойынша анықталады:
υ - меншікті көлем;
Р - қысым;
Т - температура.
Меншікті көлем - біркелкі зат - өлшем, көлем мен массаның қатынасына тең.
(1)
Мұндағы: v - заттың меншікті көлемі; м3кг;
V - белгілі бір заттың көлемі; м3;
m - сол заттың массасы; кг;
Меншікті көлемге қарама - қарсы өлшем заттың тығыздығы деп аталады да, ол мына қатынаспен анықталады
(2)
Мұндығы: р - заттың тығыздығы; кгм3;
V - көлем; м3
m - масса; кг;
Қысым.
Молекула кинетикалық теорияның негізінде қысым газ молекулаларының орташа соққысының салдарынан пайда болып, үздіксіз қозғалысының нәтижесінде шыны ыдыстың бойында тұрған газ ыдыстың қабырғасына соғып, күштің ауданға қатынасын көрсетеді.
Р=(3)
Мұндағы: P - қысым, Па;
F - күш, Н;
S - ауданы, м2;
Халықаралық (СИ) жүйесіндегі өлшем бірлік бойынша қысым Паскальмен өрнектелінеді. Бұл өлшем бірлік аз болғандықтан
1кПа =103 Па және 1 МПа = 106 Па қолданған тиімдірек.
Көбінесе қысым бармен өлшенеді (СИ жүйесінен бөлек) 1бар=105 Па. Әдетте қысым Паскальмен өлшенетінін естен шығармаған абзал. Қысымды барометр, манометр, вакуумметр аспаптары аққылы өлшейді. Манометр артықтық қысымды өлшейді Рарт.
Термодинамикалық параметрлердің бірі - абсолюттік қысым мынаған тең.
Р = Рарт + Ратм (4)
Мұндағы: Ратм - атмосфералық қысым, барометрмен өлшенеді.
Атмосфералық қысымнан төмен қысым вакуумдық қысым деп аталады, ол вакуумметрмен өлшенеді.
Егер ыдыста вакуум болса, онда абсолюттік қысым мынаған тең.
Р=Ратм-Р вак (5)
Температура - дененің қызу дәрежесін көрсететін физикалық шама.
Ол жылулық тепе-теңдіктегі изоляцияланған жүйенің молекулаларының жылулық қозғалысының интенсивтілігін сипаттайтын және молекулалардың іргерлемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясына тура пропорционал скаляр шаманы айтамыз.
Егер орташа кинетикалық энергиясы әр түрлі екі дененің молекулалық қозғалысын әкеліп әрекеттестірсек, онда орташа кинетикалық молекуласының энергиясы үлкен дене (үлкен температурамен) өзінің бойындағы энергияны орташа кинетикалық молекулалық энергиясы аз денеге береді (аз температурамен) және бұл процесс екі дененің орташа кинетикалық энергиясы теңеспегенше, яғни олардың температулары бір - біріне сай болмағанша жүре береді. Екі дененің бұл жағдайы жылулық тепе - теңдік деп аталады.
Халықаралық (СИ) жүйесіндегі өлшем бірлік бойынша температура кельвинмен (К) өлшенеді. Практикада көбіне градус Цельсия (0С) қолданылады. Абсолют температура мен температураның арасындағы қарым - қатынас, Цельсия (0С) градус мынадай түрде өрнектеледі.
Т = t + 273,15;
Өндірісте және лабораторияларда температураны сұйықтық термометрдің, пирометрдің, термопардың және де басқа да құралдардың көмегімен өлшейді.
Күй теңдеуі.
Егер термодинамикалық күй көрсеткіштері уақыт өте келе тұрақты бастапқы қалпында сақталатын болса, онда мұндай жүйені бірқалыпты деп атайды.
Егер жүйедегі параметрлер әр түрлі нүктеде t, Р әр түрлі болса, онда мұндай жүйені бірқалыпсыз деп аталады.
Бірқалыпты термодинамикалық жүйеде параметрлі күй көрсеткіштерінің арасында функцианальдық байланыс болады, ол күй теңдеуі деп аталады.
Тәжірбиелер көрсеткендей, қарапайым жүйедегі негізгі күй көрсеткіштердің (Р, ,T), немесе біркелкі дененің жағдайы бір біріне байланысты және олар бір матаматикалық теңдікпен өзара байланған f(Р,v,T) = 0
Күй теңдеуін басқа түрге келтіруге болады.
Р= f(, Т); = f(Р, Т); Т= f(Р,).
Бұл теңдеу, жүйенің күй жағдайын анықтаушы негізгі үш параметрдің тек қана екеуі ғана тәуелсіз болып келетінін көрсетті. Тапсырманы термодинамикалық әдіспен шешу үшін, күй теңдеуін дырыс меңгеру керек.
Идеал газ деп газ молекулаларының материалдық нүкте ретінде қарастыруға болатын және олардың бір - бірімен әсерлесуі жоқ, тек қана серпімді соқтығысумен әсерлесетін,малекуларының көлемі газдың көлемін бірнеше есе кіші болып келетін газды айтамыз. Нақты газдардың көпшілігі жоғары температурада және төменгі қысымда идеал газдармен қасиеті жағынан шамалас болып келеді. 1 кг идеал газ үшін күй теңдеуі мынадай математикалық өрнекпен өрнектеледі.
немесе=RT (6) Мұндағы : тұрақты бірлікті - газ тұрақтысы деп атайды.Өлшем бірлігі R - Джкг* К;
Бұл теңдеу - идеал газдың термиялық күй теңдеу немесе сипаттайтын теңдеу деп атайды. Бұл теңдеуді француз ғалымы Клайперон 1834 жылы ашты, қазір бұл теңдеу сол ғалымның атымен аталады.
Газдың әр түрлі саны үшін массасы m (кг) (6)-шы теңдеу мына түрге келеді.
РV=mRТ (7)
Клайперон теңдеуін мынадай уневерсалды түрге келтіруге болады.
РV=(8)
Мұндағы: V- газдың киломольдік көлемі; =R - универсал газ тұрақтысы деп аталады. Авогадро заңының негізінде (итальян ғалымы 1811 ж.) 1 кг газдың киломольдік көлемі әр түрлі жағдайларда, барлық идеал газ үшін, қалыпты физикалық жағдайда (қысым 101325 Па және температура 273,15 К) тұрақты 22,4136 м3 болады, сондықтан:
=101325*22,4136273,15 = 8314 Дж(кмоль·К)
1 кг газ тұрақтысы мынаған тең.
RR=8314μ (9)
Термодинамикалық процесс.
Жоғырыда айтып кеткеніміздей, егер күй теңдеуі белгілі болса, онда қарапайым жүйедегі - уақыт өте келе мәндері тұрақты біркелкі болатын, массасын да, құрамын да негізгі үш параметрдің екеуі ғана белгілі болса, күй көрсеткіштерін анықтауға болады.
Р= f(, Т); = f(Р, Т); Т= f(,Р).
Термодинамикалық жүйені қоршап тұрған сыртқы орта өзгеретін болса, онда жүйенің ішкі жағдайыда өзгереді.
Термодинамикалық жүйенің күй жағдайының бір тұрақты ортадан, екінші ортаға өзгеру жиынтығы - термодинамикалық процес деп аталады.
Немесе, термодинамикалық жүйенің уақыт өте келе өзгеру жағдайын - термодинамикалық жүйе деп атайды. Жүйенің өзгеру процессі бірқалыпты және бірқалыпсыз болып екіге бөлінеді. Егер термодинамикалық жүйе бірқалыпты күй көрсеткіштерімен өтіп жатса, онда мұндай жүйені бірқалыпты деп атайды. Қорыта келгенде, бірқалыпты процесс толассыз қатардағы жүйелілердің тепе-теңдік күй-жағдайы. Сондықтан термодинамикадық жүйедегі оның барлық нүктелерін оның жұмыс денесінің күй теңдеуі деп сипаттауға болады. Сондықтан классикалық термодинамикалық зеттеу негіздері бірқалыпты жүйеге сүйене отырып жасақталған.
Термодинамикалық жүйедегі бірқалыпты процесті график арқылы бейнелеуге болады. Техникалық термодинамикада бірқалыпты процесті бейнелеу үшін екі жүйелі координаталар қолданылады РV. Мұндағы абсциссаны меншікті көлем, ал ординатаны қысым өлшейді. Термодинамикалық жүйедегі, РV - координаталарында тұрақты көлемдігі процесс - изохора вертикальтүрінде, ал тұрақты қысымдағы процесс - изобара горизонталь түрінде, тұрақты температурадағы процесс - изотерма гипербола түрінде бейнеленеді ( 1-сурет).
1 - сурет
Термодидинамикалық процестерді зерттеген кезде ерекше мағынаны - тұйық (айналмалы) процестерге көп көңіл бөледі. Бұл жағдай да жүйе бірнеше айналмалы әрекеттер қатарын жасап, бастапқы алғашқы күйіне (жағдайына) келеді.
№
Газдар
Химиялық формуласы
Молекулалық массасы
Меншікті газ тұрақтысы
Тығыздығы
1
Ауа
-----
28,96
286,4
1,298
2
Оттегі
O2
32,00
259,8
1,429
3
Азот
N2
28,02
296,7
1,251
4
Сутегі
H2
2,106
4124,0
0,0899
5
Көмірсутегі оксиді
CO
28,00
297,0
1,250
6
Көмірсутегі қос оксиді
CO2
44,00
189,0
1,977
7
Күкірттің қос оксиді
SO2
64,00
129,9
2,86
8
Су буы
H2O
18,016
461,6
0,804
9
Аммиак
NH3
17,031
488,2
0,771
Студенттердің өзін-өзі тексеруге арналған бақылау сұрақтары:
1. Термодинамикалық жүйе дегеніміз не?
2. Жұмыс денесі дегеніміз не?
3. Термодинамиканың негізгі параметрлерін және олардың өлшем бірліктерін атаңыз?
4. Қандай процесс термодинамикалық деп аталады?
5. Бірқалыпты және бірқалыпсыз жағдай мен процесс дегеніміз не?
6. Айнылмалы тұйық процесс дегеніміз не?
7. Идеал газ дегеніміз не?
8. Идеал газдың қандай күй теңдеулері бар?
Әдебиеттер: [2] §1. 1.2.-1.6.; 6-14 беттер;
[3] §1 1.2.-1.6.; 6-12 беттер;
Дәріс №№ 5-6. Тақырыбы: Термодинамиканың бірінші заңы
Дәрістің мақсаты:Студентерді ғылымның екі алғашқы бастамалары Жылутехника пәнімен таныстырып, жұмыс денесінің ішкі энергиясының жұмыс пен жылудан айырмашылығын анықтау.
Дәрістің жоспары:
1. Ішкі энергия;
2. Жұмыстың ұлғаюы;
3. Жылу;
4. Термодинамиканың бірінші заңының аналитикалық өрнегі.
Ішкі энергия.
Ішкі энергия деп, молекула мен атомдардың бей-берекетсіз қозғалысының салдарынан пайда болатын; өз бойына мынадай қасиеттерді қосатын:
─ Кинетикалық энергияның берілмелі, айнымалы және тербелмелі қозғалыстары;
─ Молекулалардың арасындағы күштің потенциалдық энергиясы.
Молекулалардың кинетикалық энергиясы температура функциясы болып табылады, потенциалдық энергияның мағынасы, газдың жалпы көлемімен, молекулалардың ара-қашықтығына байланысты, осыған орай потенциалдық энергия көлем функциясы болып табылады.
Сондықтан ішкі энергия U - дененің күй жағдайын сипаттайды.
Термодинамикалық процесстерде ▲U ішкі энергияның өзгерісі процестің мінез құлқына байланысты емес, ол тек дененің бастапқы және соңғы нүктелерінің қүй жағдайына байланысты.
▲U= (10)
мұндағы: U1 - Ішкі энергияның бастапқы күй көрсеткіші;
U2 - Ішкі энергияның соңғы күй көрсеткіші;
Идеал газдың ішкі энергиясы, молекулалардың арасындағы өзара тартылыс күші болмаған соң,газдың көлемі мен қысымына байланысты емес, идеал газдағы ішкі энергиясының өзгерісін температура арқылы анықтайды.
Техникалық термодинамикада ішкі энергияның абсолют мәні емес, әр түрлі процестердегі өзгеруі маңызды.
Жұмыстың ұлғаюы.
Тәжірбиелер көрсеткендей, дененің термодинамикалық процессі өтіп жатқан кезде, процеске қатысып отырған денелер бір-бірімен энергия алмасады.Соның салдарынан бір дененің энергиясы азаяды,ал екіншісінікі керісінше артады және бір денеден екінші денеге екі әдіспен беріледі.
Бірінші әдіс - энергияның берілуі күштің пайда болуына және сыртқы қысымның әсерінен жүздеге асады. Бұл әдіспен энергия берілу үшін дене үнемі қозғалыста немесе қысымның әсерінен өзінің көлемін өзгертіп отыруы шарт№
Екінші әдісте энергия жұмыс түрінде беріледі, процестегі энергияның берілген саны - жасалған жұмыс болып табылады.
Егер массасы m денені көлемі V1 болатын поршені бар цилиндрге орнатып, біршама жылуды жақындатсақ, онда газдың көлемі V2 ұлғаяды, сөйтіп поршеннің астындағы сыртқы Р қысымға қарама - қарсы жұмыс жасайды.
Көлемнің соңғы өзгерісі кезінде, Сыртқы қысымға бағытталған қарама - қарсы күш мынаған тең:
L= (11)
Мұндағы: L- жұмысқа айналған энергия саны, СИ жүйесінде бұл өлшем бірлік Дж мен өлшенеді.
Жұмыс денесінің көлемі ұлғайған сайын, оң жұмыс, + таңбасымен жасалады, бұл кезде дене өзі жұмысты жасайды.
Көлемді сыққанда, дененің жұмысы теріс, - таңбасымен жасайды. Бұл, дененің жұмыс жасамағанын емес, оны сығу үшін жасалған сыртқы жұмысты көрсетеді. Жұмыстың ұлғаюын массасы 1кг жұмыс денесіне әкеліп қоссақ, онда:
ℓ= (12) Термодинамиканың күй жағдайлары негізгі екі параметрлердің көмегімен анықталатындықтан, PV - диаграммаларда ол нүкте арқылы бейнеленелі. 2-сурет
2 сурет. Жұмыстың PV - координаталарындағы
графикалық бейнесі.
Бұл суретте, 1- нүкте жүйенің бастапқы жағдайын; 2- нүкте жүйенің ақырғы (соңғы) жағдайын; 1а2 - жұмыс денесінің меншікті көлемінің v1 ден v2 ұлғаю процесін білдіреді.
Көлемнің шексіз аз өзгерісінің нәтижесінде жазықтығының штрихталған ауданыны мыеаған тең - =δℓ
Сондықтан, 1а2 процесінің ауданының суреті абсцисса осінің және ординатаның шеткі нүктелерімен шектеле отырып, шек қойылған қисық сызық түрінде бейнеленеді. Осылай, көлемнің өзгеру жұмысы шек қойылған қисық процеске РV - диаграммасына эквиваленті.
Жүйедегі әр нүктенің көлемінің 1 - жағдайдан 2 - жағдайға(мысалы:1а2, 1в2, немесе 1с2) өзгеруі, сол нүктеге сәйкес жұмыстың ұлғаюымен пара пар.
Сондықтан, жұмыс - жүйенің бастапқы және соңғы жағдайларына емес, термодинамикалық процестің сипатын мен мінез-құлқына байланысты.
Жұмыс - энергияның бір денеден екінші денеге берілуін және берілген энергияның өлшемі болуын реттелген(микрофизикалық) формада сипаттайды.
Жылу.
Энергияның берілуінің екінші түрі әр түрлі температурадағы денелердің ортасындағы қатынас (контакт), шектесетін денелердің молекулалары арасындағы кинетикалық энергияның алмасуы немесе нұр шашатын денелердің ішкі энергиясының сәулелік тасымалдануы электр-магниттік толқындардың арқылы беріледі. Солай тұра, энергия қызған денеден суық денеге өтеді , молекулалар арасындағы орташа кинетикалық энергиясы көп денеден орташа кинетикалық энергиясы аз денеге өтеді.
Микрофизикалық жолмен берілген, бір денеден екінші денеге берілетін молекулалық дәрежедегі энергия - жылу саны деп, ал бұл әдіс - энергияның жылу түрінде берілуі аталады.
Дененің жылу түрінде алған энергия санын - келешекте берілген (әкелінген), ал дененің жылу түрінде берген энергиясын - алынған (тартып алынған) деп атаймыз. Жылу мөлшерін Q - әріпімен, ал меншікті жылу мөлшері ( апарылған 1 кг) - q әріпімен белгіленеді, ал өлшем бірлігі барлық энергиялар секілді джоулмен (Дж) немесе (кДж) килоджоулмен өрнектеледі.
Жылу берілуінің алғы шарттарының бірі - жұмыс денелерінің арасындағы температураларының айырмашылықтары.
Берілген жылу мөлшері оң (+), ал алынған энергия теріс (-) болып саналады.
Сондықтан, ішкі энергия - жүйенің өзінің қасиеті, ол жүйенің жағдайын сипаттайды. Жұмыс пен энергия - механикалық және жылулық процестердің қоршаған ортамен энергетикалық қарым - қатынасын сипаттайтын шамалар болып табылады. Олар жүйеге берілген немесе алынған энергия санын сипаттайды.
Термодинамиканың бірінші заңының аналитикалық айтылуы.
Термодинамиканың бірінші заңы жылулық құбылыстарына қарасты, жалпы энергияның өзгеру және сақталу заңдарын сипаттайды.
Егер көлемі V және массасы m болатын,температурасы T және қысым Pболатын жұмыс денесі тыс жерден әкелінген энергия δQ. Берілген энергияның нәтижесінде дене dT температурасына дейін қызып, dV көлемге шейін ұлғаяды.
Температураның өсуі денедегі бөлшектердің кинетикалық энергиясының өсуімен сәйкес келеді. Дененің көлемінің өзгеруі оның бөлшектерінің потенциальдық энергиясының өзгерісіне әкеліп соғады.Осының салдарынан ішкі энергия dU өседі. Жұмыс денесін ортамен қоршағандықтан, оған қысым түсіріледі, көлем ұлғайған кезде сыртқы қысымға қарсы механикалық жұмыс dL жасалады.
Энергияның сақталу заңына сәйкес:
Q= dU+L (13)
Жүйеге берілетін жылу мөлшері, оның ішкі энергиясына және сыртқы жұмыстың жасалуына кетеді.
(13) өрнек термодинамиканың бірінші заңының математикалық өрнегі болып табылады.
1 кг жұмыс денесі бар жүйеге:
q=du+ℓ (14)
(13) және (14) өрнекті интегралдау арқылы термодинамиканың бірінші заңының мынадай күйге келеді.
Q=∆U+L; q=u+ℓ (15)
Мұндағы: ∆U= U+ U и ∆ u = u - u
Студенттердің өзін-өзі тексеруге арналған бақылау сұрақтары:
1) Жұмыс денесінің ішкі энериясы деген не?
2) Процестегі жұмыс пен жылу дегеніміз не?
3) Термодинамиканың бірінші заңының маңызы неде?
4) Дененің жылу қозғалысы нені құрайды?
5) Термодинамиканың бірінші заңының математикалық өрнегі қалай жазылады?
Әдебиеттер: [2] §2, §3;13-29 беттер;
[3] §2; 14-20 беттер;
Дәріс №№ 7-8.Тақырыбы: Термодинамиканың екінші заңы.
Дәрістің мақсаты:Студенттерге термодинамиканың екінші заңының мәні, негізгі тұжырымдамалары мен жазбалары туралы толық мағлұмат бере отырып, энтропияның өзгерісі, қайтымды және қайтымсыз процестер кезіндегі оқшауланған термодинамикалық термодинамикалық жүйенің жұмыс қабілетімен таныстырады.
Дәрістің жоспары:
1. Термодинамиканың екінші заңының негізгі ережелері.
2. Айналма термодинамикалық процестер немесе циклдар.
3. Термиялық ПӘК-і және циклдардың салқындату коэффициенті.
4. Тура қайтымды Карно циклы. Кері қайтымды Карно циклы.
5. Кері Карно циклі.
6. Жылудың және эксергияның жұмыс қабілеттілігі.
Термодинамиканың екінші заңының жалпы негізі. Цикл туралы түсінік. Термодина-микалық циклдың ПӘК-і.
Жұмыс пен жылудың эквивалентлігіне қарамастан, олардың өзара өзгеру процестері бірдей емес.Жұмыс, әр түрлі процестерге қатысытын энергияның басқа түрлері секілді, толықтай жылуға айналады.Жылу мүлдем өзін басқаша жетілдіреді. Мысалы: жылу машиналарында. Жылудың жұмысқа өзгеру процессі тек жылу көзімен жылу қабылдап алатын соңқы нүктесінің температуралары әр түрлі болғанда ғана жүздеге асады. Сондада бүкіл жылу жұмысқа айналуы мүмкін емес.Термодинамиканың екінші заңының бірнеше негіздері қалыптасқан, оның бірі 1851 жылы Томсонның айтуы бойынша қалыптасқан. Ол жылубергіштен берілген барлық жылу, жұмысқа айналуы мүмкін емес, тек оның бір бөлігі ғана жұмысқа айналатынын, жылудың қалған бөлігі жылуқабылдағышқа барады.
Термодинамиканың екінші заңының негізін түсіну үшін жылу двигателенің сызбанұсқасымен танысайық.Тәжірбие көрсеткендей, барлық жылу двигательдері ыссы жылу көзін, жұмыс денесін, тұйық процесті циклді жұмыс пен салқын жылу көздерінен тұруы шарт.
3 - сурет.
Жылу двигателінің термодинамикалық сызбанұсқасы
Қазіргі жылу двигательдерінде ыссы жылу көзі болып химиялық реакциялар, жағармай жаққыш немесе ішкі ядролық реакциялар табылады, ал салқындатқыш жылу көзі ретінде қоршаған орта - атмосфера табылады. Жұмыс денесі ретінде газдар мен булар алынады.
Двигательдің жұмысы келесі жұмыс тәртібі бойынша орындалады:
1в2 линиясымен ұлғая отырып, жұмыс денесі 1в221 ауданына тең жұмыс жасайды. Үзбей жұмыс жасап тұрған қондырғыды бұл процесс бірнеше рет қайталануы тиіс. Бұл үшін жұмыс денесін бастапқы күй жағдайына қайтарып білу шарт. Мұндай ауысымды 1в2 процесінде жасауға болады, ол үшін денеге тап сондай жұмыс жасалуы керек. Яғни, бұл әрекеттің түк пайдасы жоқ екен, себебі: орташа жұмыс пен циклдің жұмысы нольге тең болады.
Үзбей жұмыс жасайтын двигатель механикалық энергия тудыру үшін, ұлғаю процесінің линиясы сығуға жұмсалған процестің линиясынан әлде-қайда жоғары болуы шарт. Согдықтан қисық сызықты 2А1 сығылу процесі ұлғаю процесінен төмен жатуы керек.Процестегі 2А1 жұмыс шығыны 2А1122 ауданында суреттелген. Осының салдарынан әр кг жұмыс денесі шектелген циклдің контуры бойынша, 1в2А1 көлеміне эквиваленті lпайдалы жұмыс жасайды.
Циклді екі бөлікке бөлуге болады:
А1в - жылу әкелетін немесе жеткізетін q;
в2А - жылу алшақтататын немесе алатын q2 ;
В және А нүктелерінде жылу әкелінбейді, алшақтатылмайдыда, бұл нүктелерде жылу ағын белгісін өзгертеді.
4-сурет.
Айнымалы процес (цикл) РV и ТS - координаталарында.
Осылайша, двигательдің үздіксіз жұмыс жасауы үшін денеге q мөлшерінде қыздырғышқа жылу жеткізіліп, q2 мөлшерінде салқындатқышқа жылу әкетілуі керек.
ТS- диаграммада жылу q мөлшері - А'А1BB' мынадай ауданға, ал q2 - А'А2ВВ' ауданға ие.
Жүйедегі ішкі энергия функцияның жағдайын білдіреді. Дене бастапқы қалпына келгенде, оның бастапқы мәнге ие болатыны сөзсіз, сондықтан u=0 мынаған тең:
q=l (16)
q- бұл жылу циклдегі пайдалы оң жұмыс, бұл температуралардың өзгерісіне тең және ТS- диаграммадағы контурдың шектелген ауданына тең.Циклдағы двигательдің, шығаратын жұмыс пен ыссы жылу көзінен әкелінген жылу санының қарым-қатынасы - циклдің пайдалы оң жұмысының термиялық коэффиценті (КПД):
(17)
КПД жылу двигателінің циклінің жетілген дәрежесін бағалайды. саны көп болған сайын, жұмысқа айналған жылу мөлшерінің саны да артады.
Түзу Карно циклі.
Екі изотерма мен екі адиабаттан тұратын цикл - түзу Карно циклі деп аталады, себебі 1824 жылы алғаш рет Саади Карноның көмегімен термодинамиканың ең маңызды қағидаларының бірі, жылудың механикалық энергияға айналуы ашылды.Карно циклін PV - диаграммада бейнеленген. (5-сурет)
5 - сурет.
Түзу Карно циклі.
Бұл циклді жүздеге асыру үшін, ең алдымен алдымызға жылу машинасын елестетейік, цилиндр керегінше абсолютті түрде жылу өткізетін немесе оған қарама-қарсы мүлдем жылу өткізбейтін. Мейлі бірінші жағдайда поршендегі жұмыс денесінің бастапқы параметрлері P, , ал Т-дің температурасы жылубергіштің температурасы тең болады. Егер осы сәтте цилиндр толықтай жылуөткізгіштік жағдайда болса және егер оны жылубергішпен шектестіріп, жұмыс денесіне 1-2 изотерма бойынша меншікті жылу мөлшері q, жеткізсек, онда газ 2 нүктеге шейін ұлғаядыда жұмыс жасайды.2 нүктенің параметрлері: P,,Т. 2 нүктеден бастап цилиндр толықтай жылу өткізбейтін болу керек. Температурасы Т болтын жұмыс денесі 2-3 адиабатыда ұлғая отырып, жылуқабылдағыштың температурасна Tтең болады, осылайша жұмыс жасайды. 3 нүктенің параметрлері: Р,,T,. 3 нүктеден бастап цилиндрді толықтай жылуөткізетін қыламыз. Жұмыс денесін 3-4 изотерма бойынша сыққан сайын және бір уақытта меншікті жылу мөлшерінің санынq2 жылуқабылдағышқа апарамыз. Изотермиялық сығудың соңында жұмыс денесінің параметрлері мынадай болады P,, және T.4 адиабаттық процестегі мүлдем жылуөткізбейтін нүктеден, дененің 4-1 сығуы салдарынан, дене бастапқы қалпына келеді.Осылайша, бүкіл цикл көлемінде жұмыс денесіне жылубергіштіктен меншікті жылу мөлшері qберілді, және жылуқабылдағышқа меншіктіжылу мөлшері q2 апарылды.
КПД термиялық процесі:
(18)
(18) өрнеке q және q қойғанда, онда:
Изотерма бойынша 1-2: q=R T ln
Изотерма бойынша 3-4: q=R T ln
Термиялық КПД Карно циклі мынандай күйге келеді:
(19)
Термиялық КПД Карно циклі тек қана абсолют температуралардың жылы және салқын көзіне байланысты екенін көрсетеді. КПД циклді, ыссы жылу көзінің Т температурасының көбеюі салдарынан немесе Tсалқын көздің температурасының төмендеуі салдарынан жұмыссын ұлғайтуға болады. Егер Т=T болса, термиялық КПД циклі нольге тең болады. Бұл жылудың жұмысқа айналуы мүмкін еместігін көрсетеді, егер бүкіл жүйедегі дененің температуралары өзара тең немесе бірдей температурада болса.
6- сурет.
Түзу Карно циклі TS диаграммада
Карно циклі, Тжәне Tтемпературалардың арасындағы интервальдарды қамтып, TS - диаграммада тіктөртбұрыш түрінде бейнеленеді 1234 (6-сурет).TS - диаграмманың көмегімен Карно циклінің өрнегін басқа жолмен де таба аламыз:
Карно циклының мағынасы КПД мен салыстырғанда өте үлкен. Практикалық қиындықтарда сүйене отырып, шын мәнінде қозғалтқыштарда Карно циклы жүздеге аспайды. Бірақ, Карно циклның теориялық және практикалық маңызы өте зор. Ол жылу двигателдердің кез-келген жетілген циклдарың бағалауының эталоны.
Кері Карно циклі.
Карно циклы тек қана түзу бағытта ғана емес, сонымен қатар кері бағытта ағуы мүмкін. 7-суретте Карно циклының кері ағыны көрсетілген. Жұмыс денесі бастапқы нүтеден адиабата 1-4 бойымен қоршаған ортамен дым жылуалмасусыз, ішкі энергияның салдарынан ұлғая жұмысын жасайды, бұл кезде температура Т ден T дейін төмендейді. Осыдан кейін ұлғая процесі изотерма 4-3 бойынша, жылу әкелудіңqкөмегімен өтеді, жұмыс денесі жылуды өзінің бойына qтемпературасы Tболытын төмен нүктеден жинап алады.
7- сурет.
PV және TS диаграммаларындағы кері Карно циклы.
Осыдан кейін газ сығылуға түседі, алдымен ол адиабата бойынша 3-2 Т2 ден Т1 оның температурасы өседі, содан кейін изотерма бойынша 2-3. ( T = Const).
Сонымен қатар жұмыс денесі жоғары тұрған нүктеге (Т1 жоғары температурасы бар жылуқабылдағышқа) q1 мөлшеріндегі жылу береді.
Кері Карно циклын қарастыра отырып, сыртқы ортаға жұмсалған жұмыстың сығу көлемі, ауданы 12341(-) мынаған тең жұмыстың ұлғаю процесінен көп екендігін көреміз. Бұл жұмыс жылуға айналып,q2 мен бірге температурасы Т1 ге тең көзге (источник) беріледі. Осылайша, кері циклды орындау үшін жұмсалған меншікті жұмысты l, жылуқабылдағыштан жылубергішке апаруға болады. Жылуқабылдағыштың алатын жылуы мынаған тең:
q= q+
Кері циклмен жұмыс жасайтын машина - салқын машина деп аталады.
Салқын машиналарды нәтижелігін сипаттайтын - салқындық коэффиценті. Ол цикл көлемінде салқын камерадан алынған жылу мөлшерінің санының қарым-қатынасына тең шама, ол әріпімен белгіленеді.
== (20)
Кері Карно циклы үшін:
= (21)
- жылу көзінің абсолют Т және Tтемператураларына байланысты.
Жылудың және эксергияның жұмыс қабілеттілігі.
Термодинамикада жұмыс туралы түсінік ең маңызды орындардың бірін алады, оқшауланған жүйедегі өзінің күй-жағдайларын және шарттарын өзгерткен кезде, иаксимальды жұмыс пайда болады.
Оқшауланған жүйені қарастырайық, ол температурасы Т1 ыссы жылу көзінен және температурасы Т0 салқын көзінен (қоршаған ортадан), цикл жасайтын жұмыс денесінен тұрады.
Бұндай жүйеден жұмыс алу мүмкін, егер жүйе қоршаған ортамен тепе-теңдік жағдайда болмаса және жүйедегі қысым Р1 мен температурасы Т1 болып ,ол жүйедегі қысымы Р0 мен температурасы Т0 ден үлкен болса, және онымен жүйе әрекеттесетін болса.
Жылудың Qжұмыс қабілеттілігімен (немесе эксергия), ыссы жылу көзінен температурасы Т1 алыса, онда ол максимальды пайдалы оң жұмыс деп аталады, ол жылудың мынадай шартты орындалғагда ғана жүзеге асады, егер салқын көз (источник) ретінде температурасы Т0 болатын қоршаған орта болса.
Максималь пайдалы жұмыс L және жылу Q Карно циклының тепе-теңдік жағдайдағы жұмысын көрсетеді, және бұл жұмыс Т1-Т0 аралығындағы темпаратуралар диапозонын жүздеге асырады.
= (22)
Мұндағы:
Осылайша, Qэксергиясы мынаған тең:
=Q (23)
Жылу қабілеті жоғарлаған сайын, Т0 Т1 қатынасы Т1 = Т0 нольге тең болғанда, мейлінше кемиді.
Шын мәнінде тепе-теңдіксіз процестерде жұмыстың жоғалу орны бар, жүйедегі тепе-теңдіксіз ағып жатқан процестердің салдарынан энергия жан-жаққа тарайды. Жұмыстың жоғалу көрсеткіші мыеаған тең:
Мұндағы: оқшауланған жүйедегі энтропияның өзгерісі, процестердің өзара тепе-теңсіздік дәрежесін сипаттайды.
Студенттердің өзін-өзі тексеруге арналған бақылау сұрақтары:
1) Түзу және кері Карно циклі дегеніміз не?
2) Термиялық КПД және циклдің салқындық коэфиценті дегеніміз не, Карно циклында олар неге тең?
3) Нелектен кері Карно циклы басқа циклдарға қарағанда тиімдірек?
4) Термодинамиканың екінші заңының негізі неде?
5) Термодинамиканың екінші заңының негізгі теңдеулерін атаңыз?
6) Термодинамиканың екінші занының аналитикалық айтылуына мысал келтіріңіз?
7) Эксергия дегеніміз не?
8) Оқшауланған жүйенің жұмыс қабілеттілігінің төмендігін қалай анықтайды.
Әдебиеттер: [2] §4, §5; 30-54 беттер;
[3] §3; 28-44 беттер;
Дәріс №№ 9-10. Тақырыбы:Нақты (реал) газдар мен булар.
Дәріс мақсаты:Реал газдардың ерекшілігін, будың пайда болу процестерін түсіндіру. PVжәне TS, диаграммаларына термодинамиканың негізгі процестерін салып үйрету және су және сулы будың параметрлерін таблица бойынша анықтау, формула және диаграмма бойынша анықтау.
Дәріс жоспары:
1. Булану процесі.Негізгі анықтамалар мен ережелер.
2. Ван-дер-Ваальс теңдеуі.
3. Критикалық температура. Аса қыздырылған будың негізгі көрсткіштері.
Сулы бу. Негізгі анықтамалар мен ережелер.
Реал газ ретінде сулы буды мысал ретінде аламыз, себебі ол көптеген техника салаларында қолданылады, мысалы ең бірінші жылу энергетикасында негізгі жұмыс денесі ретінде пайдаланылады. Сондықтан су және су буының термодинамикалық күйін зерттеудің үлкен тәжірибелік мәні бар.
Дененің сұйық күйінен бу күйіне айналу процесін булану деп атайды.
Затың бу күйінен сұйық және қатты күйге айналуы конденсация деп аталады. Конденсация процесі булану процесіне ұқсас,екеуі де қысым өзгермесе тұрақты температурада өтеді. Бу конденсациясынан пайда болған сұйықтықты конденсат деп атайды.
Булар
- ылғал қаныққан бу
- құрғақ қаныққан бу
- аса қыздырылған бу деп, бір-бірінен ажыратылады.
Егер булану процесі ашық ортада өтсе, ондай жағдайда сұйықтан ұшып шыққан молекулалар ыдыс ішіндегі бос орынды алады, ал сулы пар молекуласының температурасы сол қайнаған сұйық температурасына тең. Бұл булану температурасы қаныққан температура деп аталады және tәрпімен белгіленеді.
Қаныққан бу деп өзі пайда болатын сұйықпен термиялық және динамикалық тепе-теңдікте болатын буды айтады.
Ылғал қаныққан бу деп, құрамында сұйықтың көтеріңкі тамшылары бар екі фазалық қоспаны немесе буды айтады.
Құрғақ қаныққан бу деп, құрамында сұйық фазаның көтеіңкі бөлшектері жоқ қаныққан буды айтады. Құрғақ қаныққан буды қысым арқылы анықтауға болады. Құрғақ қаныққан буды массасының (Қ.Қ.Б) ылғал қаныққан бу массасына (Ы.Қ.Б) қатынасын құрғақтылық дәрежесі деп атайды және х әрпімен белгілейді. X=масса Қ.Қ.Б.∕масса Ы.Қ.Б. Ылғал бу дәрежесі деп қайнап жатқан сұйық массасының бөлігін айтады:
Қайнап жатқан сұйықта ts болғанда x=0.
Құрғақ қаныққан буда x=1.
Ы.Қ.Б. құрғақтылық дәрежесі 0 ден 1 ге дейінгі мән қабылдайды.
Ы.Қ.Б-ды параметр арқылы анықтайды:температурамен және құрғақтылық дәрежесі х немесе қысыммен және құрғақтылық дәрежесі х. Егер Қ.Қ.Б. (p=const) қысым тұрақты болғанда аз мәнде жылу берілсе, температура көтеріледі. Берілген қысымда қыздырылған бу, яғни температурасы t 2 t1 болғанда аса қыздырылған бу пайда болады.
Қ.Қ.Б-ға қарағанда аса қыздырылған бу(АҚБ) температурасы мен меншікті көлемі көбірек болады. Газдағыдай АҚБ-ң температурасы көлемі мен қысымына байланысты. Неғұрлым қыздыру дәрежесі көп болса , соғұрлым газдың физикалық қасиетіне жақынырақ.
PV диаграмасындағы булану процесі.
Булану процесін қарастырамыз. Ол үшін 00С-тағы 1 кг суды қозғалмалы поршені бар цилиндірге құямыз. Поршенге күш түсіреміз. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz