Теоретическое занятие «Основы технической термодинамики»

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

Раздел «ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ»

Тема занятия «Основы технической термодинамики»

Контрольные вопросы по теме:

1. Что такое термодинамика и термодинамическая система?

2. Что такое рабочее тело в термодинамике?

3. Какими параметрами характеризуется состояние рабочего тела?

4. Что такое температура, какие бывают способы измерения температура?

5. Что такое давление, какие виды давления бывают в термодинамике, единицы его измерения?

6. Что такое удельный объем, и внутренняя энергия? ​​​​​​​

КОНСПЕКТ

Теория ДВС базируется на законах ТЕРМОДИНАМИКИ.

Термодина́мика – это раздел физики, изучающий наиболее общие свойства термодинамических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах.

В термодинамике изучаются состояния и процессы, для описания которых можно ввести понятие температуры.

Температу́ра –  физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел. 

Одним из основных в термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии, как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

В НАШЕМ СЛУЧАЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ЯВЛЯЕТСЯ – ТЕПЛОВАЯ МАШИНА (ДВС),

Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла и рабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу.

Термином «рабочее тело» определяется вещество или смесь веществ, необходимых для осуществления рабочего цикла.

Качественный и количественный состав рабочего тела в двигателях в течение цикла не остаётся постоянным. Это обусловлено различными обстоятельствами. Так, количественные изменения вызываются перетеканием рабочего тела из впускных и выпускных трубопроводов в цилиндры двигателя (и наоборот), утечками через не плотности ЦПГ, подачей топлива во впускной трубопровод или в цилиндры, а также, реакциями окисления основных компонентов топлива. Процессы окисления (горения) основных компонентов топлива приводят к существенным качественным изменениям в составе РТ.

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 расчёта термодинамического цикла и анализа работы тепловой машины необходимо знать термодинамические свойства рабочего тела.

Наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольшим коэффициентом объёмного 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.

Рабочим телом в ДВС является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используют ряд показателей, называемых параметрами состояния.

- абсолютная температура;

- абсолютное давление;

- удельный объем;

- внутренняя энергия.

Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называют термодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Рассмотрим физический смысл каждого из параметров рабочего тела с точки зрения науки теплотехники.

Температура газа служит мерой кинетической энергии поступательного движения молекул газа и характеризует степень его нагрева. Температуру газа измеряют приборами, основанными на тех или иных свойствах вещества, меняющихся с изменением температуры. Эти приборы имеют градуировку, т. е. температурную шкалу.

Создателем первого такого прибора — термометра был немецкий учёный Фаренгейт, который за начало шкалы принял уровень, соответствующий температуре таяния смеси, состоящей из равных масс нашатыря и тающего льда. Верхней точкой был уровень, соответствующий температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между этими двумя уровнями он разделил на 180 частей и. таким образом, получил один градус.

В 1723 г. французский физик Реомюр предложил шкалу, основанную на двух опорных точках, соответствующих температурам таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между двумя точками он разделил на 80 равных частей.

В 1742 г. шведский астроном Цельсий предложил температурную шкалу с теми же опорными точками, на которых построена шкала Реомюра, но расстояние между ними он разделил на 100 частей. Обозначается градус Цельсия — 1°С.

В настоящее время в термодинамике в качестве основной принята термодинамическая температурная шкала (абсолютная шкала температуры), где нижней границей шкалы является температура абсолютного нуля (практически недостижимая), когда прекращается тепловое движение молекул.

Абсолютный ноль — наиболее низкая возможная температура, при которой ничего не может быть холоднее и теоретически невозможно извлечь из вещества тепловую энергию. Абсолютный ноль определён как 0 K. Что приблизительно равно −273.15 °C. Один Кельвин равен одному градусу Цельсия.

Единица температуры по термодинамической температурной шкале получила название Кельвин по имени ученого У. Томпсона, лорда Кельвина, предложившего начало отсчёта вести от абсолютного нуля.

К преимуществам термодинамической температурной шкалы можно отнести следующее:

- во-первых, значения температур по этой шкале не зависят от физических свойств термометрических тел;

- во-вторых, температура по этой шкале может быть воспроизведена с большой точностью, так как она строится по одной опорной точке;

- в-третьих, все температуры — величины положительные, что упрощает расчеты.

Давление — физическая величина, характеризующая интенсивность сил, действующих по нормали к поверхности тела и отнесенных к единице площади этой поверхности.

Различают следующие виды давлений:

- барометрическое (атмосферное);

- нормальное;

- абсолютное;

- манометрическое (избыточное);

- вакуумметрическое (разряжения).

Барометрическое давление зависит от массы слоя воздуха. Самое большое барометрическое давление было зарегистрировано на уровне моря и составило 809 мм рт. ст., а самое низкое — 684 мм рт. ст. Барометрическое давление выражается высотой столба ртути в мм, приведённого к 0 °С.

Нормальное давление — это среднее значение давления воздуха за год на уровне моря, которое определяется ртутным барометром при температуре ртути 273 К. Оно равно примерно 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). То есть нормальным давлением называется барометрическое давление, равное одной физической атмосфере и является частным случаем барометрического давления.

Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объёмах. Оно не зависит от состояния окружающей среды.

Манометрическим давлением называется разность между абсолютным давлением и барометрическим давлением, если первое больше второго.

Манометр — прибор с помощью которого измеряют давление в закрытом сосуде, находясь вне этого сосуда, испытывает давление, как со стороны окружающей среды, так и со стороны сосуда. Поэтому полное или абсолютное давление газа в сосуде равно сумме манометрического давления и барометрического.

Вакуумметрическим давлением называется разность между барометрическим давлением и абсолютным давлением, если последнее меньше первого.

Для измерения давления применяются различные единицы: Паскаль (Па), бар, техническая атмосфера или просто атмосфера, миллиметр ртутного или водяного столба, которые находятся в следующих соотношениях:

Удельный объем v - это отношение объёма к его массе, т.е. объем единицы массы

    где V - объем, занимаемый системой, м3;

          m - масса вещества системы, кг.

Масса вещества, содержащаяся в единице объёма, или величина, обратная удельному объёму, называется плотностью (ρ, кг/м3).

Внутренняя энергия - это энергия, заключённая в системе. Она состоит из кинетической энергии, вращательного и колебательного движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия молекул, энергии внутриатомных и внутриядерных движений частиц и др.

Внутренняя энергия состоит из внутренней кинетической и внут­ренней потенциальной энергий.

Первая — результат хаотического движения частиц тела, с увеличением скорости которых возрастает и внутренняя кинетическая энергия.

Так как температура тела определяется скоростью движения его частиц (молекул), то увеличение температуры тела означает увели­чение его внутренней кинетической энергии.

Внутренняя потенциальная энергия связана с силами взаимо­действия между частицами вещества.

Изменение удельной внутренней энергии в процессе подвода или отвода теплоты может быть выражено уравнением

где Δuк — изменение кинетической энергии газа, Δuп — изменение потенциальной энергии газа.

Так как силы взаимодействия между молекулами идеального газа отсутствуют, то и его потенциальная энергия равна нулю. Поэтому внутренняя энергия идеального газа зависит только от его тем­пературы.

Поскольку температура идеального газа определяется внутрен­ней кинетической энергией, а температура тела является парамет­ром его состояния, то и внутренняя энергия является параметром его состояния.