рабочее тело и параметры его состояния
Рабочее тело и параметры его состояния
Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии, которая изучает возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Она является основой теории двигателей внутреннего сгорания. Всякая тепловая машина приводится в действие вследствие происходящего в ней изменения состояния вещества, называемого рабочим телом. Рабочее тело определяет тип и назначение тепловой машины. Наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пар, обладающие наибольшим коэффициентом объёмного расширения.
Физическое состояние рабочего тела характеризуется величинами, которые называют термодинамическими параметрами состояния.
К параметрам состояния относятся:
— внутренняя энергия и др.
Температура, давление, удельный объём – основные параметры газообразных веществ.
Температура газа служит мерой кинетической энергии поступательного движения молекул газа и характеризует степень его нагрева.
В настоящее время в мире существует несколько температурных шкал и единиц измерения температуры. Наиболее распространённая в Европе шкала Цельсия, где нулевая температура это температура замерзания воды при атмосферном давлении, а температура кипения воды при атмосферном давлении принята за 100 градусов Цельсия ( 0 С). В Северной Америке используется шкала Фаренгейта.
Для термодинамических расчётов очень удобна абсолютная шкала или шкала Кельвина. За ноль в этой шкале принята температура абсолютного нуля, при этой температуре прекращается всякое тепловое движение в веществе. Численно один градус шкалы Кельвина равен одному градусу шкалы Цельсия. Температура, выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой. Соотношение для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина:
Т (К) = t( 0 С) + 273,15, где: Т – температура в Кельвинах; t–температура по шкале Цельсия.
Давление газаобуславливается совокупностью ударов беспорядочно движущихся молекул о стенки сосуда, в котором заключён газ, и представляет собой силу, действующую на единицу поверхности стенки:
На практике за начало отсчёта обычно принимают атмосферное давление. Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объёмах. Если абсолютное давление больше атмосферного, то разность между ними характеризует избыточное давление.
Если абсолютное давление меньше атмосферного, то разность между ними называется разряжением, или вакуумом.
Формулы показывают, что при неизменном состоянии газа в сосуде постоянным остаётся лишь значение рабс, значения ризб, рвак изменяются при изменении атмосферного ратм.Поэтому параметром состояния газа служит только абсолютное давление, которое и входит во все термодинамические зависимости.
Удельный объём вещества (м 3 /кг) – это величина, равная отношению его объёма к его массе:
υ 
, где m – масса вещества; V–объём вещества.
Плотность (кг/м 3 ) есть масса единицы объёма, обратная удельному объёму:
ρ 
.
При изучении свойств рабочего тела в технической термодинамике вводят понятие идеального газа,в котором силами взаимодействия между молекулами пренебрегают и рассматривают молекулы как абсолютно упругие частицы, объём которых мал по сравнению с объёмом газа. В технике в качестве рабочих тел применяют реальные газы и их смеси.
Рабочее тело и параметры его состояния
Рабочее тело в теплотехнике и термодинамике — это условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствами идеального газа.
Рабочее тело тепловых двигателей — это продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. д.).
Рабочее тело в ракетостроении — это отбрасываемое от ракеты с целью получения импульса тяги вещество. Например, в электрическом ракетном двигателе рабочим телом является ионизированное расходуемое вещество (например, ксенон).
Рабочее тело в лазерной технике — это оптический элемент лазера, в котором происходит формирование когерентного электромагнитного излучения.
Всякая тепловая машина приводится к движение вследствие происходящего в ней изменения состояния вещества, называемого рабочим телом или рабочим агентом.
Термодинамическая система — это совокупность тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии друг с другом и окружающей средой.
Рабочее тело определяет тип и назначение тепловой машины. Так у паровой машины рабочим телом является водяной пар, у поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей — продукты сгорания топлива, у компрессоров холодильных машин рабочим агентом является пар аммиака, фреона и т. д. Для расчета термодинамического анализа работы тепловой машины необходимо знать термодинамические свойства рабочего тела.
Наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольшим коэффициентом объемного расширения.
В технической термодинамике в качестве рабочего тела принимается идеальный газ — условное газообразное вещество, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают.
В реальных же газах учитываются силы притяжения между молекулами, а молекулы имеют объем. Если реальные газы сильно разряжены, их свойства близки к свойствам идеального газа.
В качестве идеальных газов могут рассматривать такие газы, как азот, гелий, водород.
В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение свойств идеального газа на все рассматриваемые газы. Это позволяет упростить математические выражения законов термодинамики.
Очевидно, что одно и то же вещество при различных условиях может находиться в различных состояниях.
Для того чтобы определить конкретные физические условия, при которых рассматривается данное вещество и тем самым однозначно определить его состояние, вводятся параметры состояния вещества.
Параметры состояния газа — это величины, характеризующие данное состояние газа.
К параметрам состояния газа относятся:
Абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем являются основными параметрами газообразного вещества.
Рабочее тело и параметры его состояния
Для преобразования тепла в механическую энергию необходим носитель энергии, называемый рабочим телом. В тепловых двигателях в качестве рабочих тел служат газы и пары. В частности, водяной пар как рабочее тело широко используется в паровых машинах и турбинах.
Различные тела находятся в естественных условиях только в одном агрегатном состоянии, так, воздух — в виде газа, спирт — в виде жидкости и железо — в виде твердого тела. Однако при определенных условиях их можно превратить в любое из указанных состояний (твердое, жидкое или газообразное).
В твердом теле молекулы значительно уплотнены, расстояния между ними малы и они так связаны силами взаимного притяжения, что каждая молекула может только колебаться в определенных пределах.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
В жидкости расстояния между молекуламиТораздо больше, чем в твердом теле, а силы сцепления значительно меньше, вследствие чего молекулы могут свободно перемещаться. Поэтому жидкость не имеет определенной формы и почти не оказывает сопротивления изменению формы, она имеет только определенный объем.
В газообразном теле молекулы находятся на еще большем расстоянии друг от друга, поэтому силы сцепления их будут незначительны. С повышением давления или понижением температуры силы сцепления между молекулами газа увеличиваются.
В отличие от жидкости газообразное тело не имеет определенного объема и всегда стремится занять как можно большее пространство.
Для упрощения теоретических исследований процессов, происходящих в реальных газах, вводят условное понятие об идеальном газе и определяют параметры (свойства) сначала идеальных газов, а затем, в-ведя соответствующие поправки и коэффициенты, изучают реальные газы.
Идеальным газом (в природе такого газа нет) называют газ, в котором молекулы не имеют объема и между ними отсутствуют силы сцепления.
Реальным газом называют всякий имеющийся в действительности газ, молекулы которого занимают определенный объем и между ними действуют силы сцепления.
При низких давлениях и высоких температурах реальные газы по своим свойствам приближаются к идеальным.
Состояние рабочего тела определяется величинами, которые называются термодинамическими параметрами тела.
Основными термодинамическими параметрами тела являются удельный объем v, температура Т и давление р.
Различают абсолютное Рабе, атмосферное (барометрическое) Рагм и избыточное давления. Давление выше атмосферного из«меряется манометром, а ниже атмосферного (разрежение) — вакуумметром. Манометр показывает разность между абсолютным и атмосферным давлениями, т.е. избыточное давление.
Вакуумметр показывает разность между атмосферным давление и давлением Рабе разреженного газа. Высота h’ подъема жидкости в левой части трубки (рис. 1, б) вакуумметра показывает, на какую величину давление в баллоне меньше атмосферного.
На свойстве тел изменять объем при нагревании основано действие жидкостных термометров (до 300°С). Высокие температуры (1000-2000 °С) измеряют термоэлектрическими приборами, которые при помощи гальванометров определяют электродвижущую силу двух разнородных металлов (термопары), образующуюся при нагревании тел. Для измерения температур выше 2000° С пользуются оптическими приборами, действие которых основано на изменении энепгии светового излучения
Рабочее тело и параметры его состояния
Основные параметры состояния рабочего тела
В водогрейных или паровых котлах и парогенераторах теплота продуктов сгорания, образующаяся при сжигании топлива, передается через стенки котла к воде, которая нагревается до определенной температуры или преобразуется в пар. В результате сообщения теплоты рабочее тело изменяет свое состояние, характеризующееся параметрами состояния рабочего тела: температурой, удельным объемом, давлением.
Рабочее тело и параметры его состояния
Передача тепловой энергии осуществляет рабочее тело, т. е. веществом, способным воспринимать теплоту и совершать работу. В отопительно-котельной технике рабочее тело это горячая вода и водяной пар.
В водогрейных или паровых котлах и парогенераторах теплота продуктов сгорания, образующаяся при сжигании топлива, передается через стенки котла (площадь поверхности нагрева) к воде, которая нагревается до определенной температуры или преобразуется в пар. В результате сообщения теплоты рабочее тело изменяет свое состояние, характеризующееся параметрами состояния рабочего тела: температурой, удельным объемом, давлением. Часто эти параметры называют основными.
Таким образом, по данной шкале температура таяния льда равна 273 К, а температура кипения воды 373 К. Однако следует отметить, что температура кипения зависит от давления. При давлении выше атмосферного вода закипает при температуре более 100 °С. Например, при давлении 0,17 МПа температура кипения составит 115 С.
Величина, обратная удельному объему, называется плотностью и обозначается буквой р:
Чтобы определить давление Р, надо силу F разделить на площадь S, на которую она действует, т. е.
Небольшие давления, а также разрежения измеряют иногда высотой столба жидкости (например, воды, ртути). Единицы измерения 1 мм вод. ст. и 1 м вод. ст. широко используются в технике (1 мм вод. ст. = 9,807 Па).
В закрытых сосудах различают давление избыточное, разрежение (или вакуум) и абсолютное. Давление в закрытом сосуде, превышающее атмосферное, называется избыточным (ати), а давление меньше атмосферного разрежением или вакуумом. Абсолютное давление (ата) равно сумме измеренного избыточного и атмосферного давлений или разности атмосферного давления и измеренного разрежения.
Избыточное или рабочее давление в котлах, трубопроводах и других сосудах измеряют приборами, которые называются манометрами, а вакуум или разрежение измеряют вакуумметрами. Например, манометр показывает давление пара в котле 0,07 МПа (0,7 кгс/см 2 ). Это значит, что давление в котле 0,7 ати. Для того чтобы получить абсолютное давление пара в котле, необходимо к 0,7 ати прибавить атмосферное давление, т. е, 0,7 + 1 = 1,7 ата (атмосферы абсолютные).
Атмосферное давление. Земля окружена воздушной оболочкой (атмосферой) толщиной в несколько сотен километров. Поверхность земли и находящиеся на ней предметы подвержены действию атмосферного давления.
Атмосферное давление зависит от состояния погоды и высоты местности над уровнем моря. Атмосферное давление на уровне моря равно 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Чем выше над уровнем моря точка поверхности земли, тем меньше атмосферное давление. Этим и объясняется то, что температура кипения воды высоко в горах менее 100 °С. Атмосферное давление измеряется приборами, которые называют барометрами. Помимо основных параметров рабочее тело имеет теплоемкость, теплопроводность.
Для газов удельная теплоемкость зависит от того, в каких условиях происходит нагревание. При этом различают удельную теплоемкость при постоянном объеме Сv и удельную теплоемкость при постоянном давлении Ср. Причем Ср всегда больше, чем Сv. Для твердых тел и жидкостей эти теплоемкости не различаются.
Зная удельную теплоемкость вещества, по формуле
Значения удельной теплоемкости веществ и материалов, наиболее часто встречающихся в отопительно-котельной технике, приводятся ниже, кДж/ (кг×град) ккал/(кг×град).
В табл. 1 даны значения Ср и Cv для некоторых газов при температуре 0 °С.
Водяной пар и его свойства. Водяной пар получают в паровых котлах при постоянном давлении (Р = const). В отопительных котельных малой мощности давление пара не превышает 0,07 МПа (0,7 кгс/см 2 ).
Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превращения ее из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования или теплотой испарения.
Различают пар насыщенный и перегретый.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью и имеющий одинаковые с жидкостью температуру и давление, называется насыщенным.
Таблица 1. Массовая удельная теплоемкость некоторых газов при постоянных давлениях и объеме
Влажность насыщенного пара нормально работающих паровых чугунных котлов составляет 1-3 %.
Если сообщить теплоту сухому насыщенному пару при данном постоянном давлении, то получится перегретый пар. Перегретый пар не содержит в себе влаги и его температура при данном давлении выше температуры котловой воды. В отопительных установках перегретый пар обычно не применяют.
Разновидностью процесса парообразования является испарение воды. Испарение воды в открытом сосуде при атмосферном давлении может происходить и при температуре меньше 100 °С, В отличие от кипения, когда паровые пузыри возникают во всем объеме, испарение воды происходит только с поверхности жидкости. Чем меньше паров воды в окружающем воздухе и чем выше температура воды, тем интенсивнее идет испарение с ее поверхности.
Обычно зависимости между параметрами состояния рабочего тела изучают и устанавливают для упрощенной модели рабочего тела, например идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами газа, а сами молекулы принимаются за материальные точки, не имеющие объема. С методической точки зрения такой подход более удобен. Однако законы термодинамики и полученные на их основе соотношения, справедливы не только для газа, а вообще для всяких тел независимо от их агрегатного состояния. Несмотря на то, что в природе идеальный газ отсутствует, в теплотехнических расчетах вполне допустимо (без особой погрешности для точности расчетов) принимать за идеальные все газы, с которыми в теплотехнике приходится иметь дело, за исключением водяного пара, который относится к реальным газам. Уравнения состояния реальных газов (в отличие от идеальных) имеют сложный характер и для практических расчетов неудобны, поэтому их обычно используют для составления диаграмм, пригодных для теплотехнических расчетов, и таблиц термодинамических свойств реальных газов, важных для техники.
Котельный завод «Котлы КВ»
Оставьте ваши контактные данные и наши менеджеры свяжутся с вами
Права на тексты, фотографии, изображения и иные результаты интеллектуальной деятельности, расположенные на сайте www.kotel-m.ru, подлежат правовой охране в соответствии с действующим законодательством РФ, Гражданским кодексом РФ (часть четвертая) от 18.12.2006 № 230-ФЗ. Запрещено использование (воспроизведение, распространение, переработка и т.д.) любых материалов, размещенных на данном сайте, без письменного согласия правообладателя. Такое использование является незаконным и влечет ответственность, установленную действующим законодательством РФ.
Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации о наличии, стоимости, комплектации указанных товаров и (или) услуг, обращайтесь к менеджерам отдела сбыта с помощью специальной формы связи или по телефону: 8-800-302-35-94.
Рабочее тело. Основные параметры состояния
Например, в ДВС, а также в газотурбинных установках рассматриваются процессы, в которых рабочим телом является газ. В паровых двигателях рабочим телом является пар, легко переходящий из парообразного состояния в жидкое и, наоборот, из жидкого в парообразное.
[м 3 /кг] (1.1)
Плотность тела определяется как масса единицы объема
[кг/м 3 ]. (1.2)
Удельный объем есть величина, обратная плотности, т.е.
(1.3)
Т е м п е р а т у р а. Температура, характеризуя степень нагретости тела, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул, т.е. температура характеризует среднюю интенсивность движения молекул, и, чем больше эта средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела. Понятие температуры не может быть применено к одной или нескольким молекулам. Если два тела с различными средними кинетическими энергиями движения молекул привести в соприкосновение, то тело с большей кинетической энергией молекул /с большей температурой/ будет отдавать энергию телу с меньшей средней кинетической энергией молекул /с меньшей температурой/, и этот процесс будет протекать до тех пор, пока средние кинетические энергии молекул обоих тел не сравняются, т.е. не выровняются температуры обоих тел. Такое состояние двух тел называется тепловым равновесием.
В технике для измерения температур используют различные свойства тел: расширение тел от нагревания в жидкостных термометрах; изменение электрического сопротивления проводника при нагревании в термометрах сопротивления; изменение электродвижущей силы в цепи термопары при нагревании или охлаждении ее спая и др.
Параметром состояния рабочего тела является абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина /К/. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и Цельсия, имеется следующая связь:
Д а в л е н и е. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальную составляющую силы, действующей на единицу поверхности.
Пусть к сосуду, в котором находится, например, газ, подсоединен манометр /прибор для измерения давления/. Когда давление газа 
равно давлению внешней среды, т.е. барометрическому давлению 
, то стрелка манометра находится на нуле шкалы. Когда же давление газа превышает барометрическое, стрелка отклоняется, показывая избыток давления газа над барометрическим, т.е. избыточное давление 
(рис. 1.1). Таким образом,
Если абсолютное давление Раменьше барометрического Рб, то величина Н, показывающая на сколько Ра меньше Рб, называется разрежением или вакуумом.
Давление в системе СИ измеряется в паскалях:
