Практическая работа по основам термодинамики на тему Термодинамические процессы изменения состояния рабочего тела
ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №3
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»
Тема 1.5 «Термодинамические процессы изменения состояния рабочего тела»
Практическая работа №3
Тема: «Решение задач на изменение состояния газов. Расчет термодинамических процессов»
Цель: Сформировать навыки решения задач на изменение состояния газов, расчета термодинамических процессов.
Литература:
В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 54-59
С. Квон, М.Альжанов Основы термодинамики и теплотехники, учебник- М: «Фолиант», 2010
Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.
Общие сведения
При исследовании термодинамических процессов используются уравнение состояния идеальных газов и математическое выражение первого закона термодинамики.
При изучении термодинамических процессов идеальных газов требуется:
1) определить уравнение кривой процесса в pv-диаграмме;
2) установить связь между термодинамическими параметрами;
3) определить изменение внутренней энергии рабочего тела по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,
Δu=u2-u1= T1T2CvdT (1.5.1)
4) определить величину внешней (термодинамической) удельной работы по формуле
l= v1v2pdv (1.5.2)
5) определить количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе, по формуле
q1-2= T1T2cxdT (1.5.3)
где cx – теплоёмкость процесса;
6) определить изменение энтальпии в термодинамическом процессе по формуле
i2-i1= T1T2cpdT (1.5.4)
7) определить изменение энтропии в термодинамическом процессе по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,
s2-s1= 12dqT (1.5.5)
В общем случае любые два термодинамических параметра из трех могут изменяться произвольно. Изучение работы тепловых машин показывает, что наибольший интерес для практики представляют следующие основные процессы: при постоянном объеме (V=const); при постоянном давлении (р=const); при постоянной температуре (Т=const); при dq=0 (процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой); политропный процесс, который при определенных условиях можно рассматривать в качестве обобщающего по отношению ко всем основным процессам.
Чтобы получить обобщенные и простые формулы, уравнения первого закона термодинамики рассматриваются для 1 кг идеального газа.Изохорный процесс (v = const)
Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику.
Приращение внутренней энергии газа Δu=u2-u1=q= T1T2CvdTРабота газа l= v1v2pdv=0, так как dv=0.
Изменение энтальпии Δiv=q+ vp2-p1Энтропия ΔSv= CvlnT2T1= Cvlnp2p1 Изобарный процесс (p=const)
Приращение внутренней энергии газа Δu=T1T2CvdTРабота газа l= v1v2pdv=pv2-v1
Энтропия газа ΔS= CplnT2T1= Cplnv2v1Изотермический процесс (T=const)
Приращение внутренней энергии газа Δu=T1T2CvdT=0Работа газа l= v1v2pdv=RTlnv2v1=RTlnp1p2Теплота, подводимая в процессе q=Δu+l=RTlnp1p2Изменение энтальпии газа Δi=Δu+Δ(p·v)=0.
Изменение энтропии газа ΔS= Rlnp1p2Адиабатный процесс
Адиабатный процесс – это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой (dq=0).
Приращение внутренней энергии газа Δu= Rk-1T2- T1Работа газа в адиабатном процессе выполняется за счёт его внутренней энергии. Так как в адиабатном процессе отсутствует обмен теплотой с окружающей средой, то в соответствии с первым законом термодинамики имеем l+Δu=0 или l=-Δu. Поэтому l= Rk-1T1- T2= 1k-1p1v1- p2v2Изменение энтальпии газа в адиабатном процессе Δi= CpT2-T1Газы cv
кДж/кмоль К cр
кДж/кмоль КОдноатомные 12,56 20,93
Двухатомные 20,93 29,31
Трех- и многоатомные28,31 37,68
Задание: Используя изученные законы, решите по своему варианту следующие задачи:
на оценку «3» на оценку «4» на оценку «5»
Номер задачи 1,2,3 1,2,3,4 1,2,3,4,5
В процессе расширения с подводом q=(120 + вар.) кДж теплоты 1 кг воздуха совершает работу, равную l = (90 + вар.) кДж. Определить изменение температуры воздуха в процессе, пренебрегая зависимостью теплоемкости от температуры и считая, что воздух является двухатомным газом.
Задача решается в соответствии с первым началом термодинамики:
для одного килограмма рабочего тела
q = u + l, где u =cv*t, cv = cv /
В процессе расширения к 1 кг кислорода подводится q=(200 + вар.) кДж теплоты. Какую работу l совершит при этом газ, если в результате процесса температура его понизится на (95 + 0,1*вар.) 0С? Зависимость теплоемкости от температуры не учитывать.
Задача решается в соответствии с первым началом термодинамики:
для 1 кг рабочего тела
q = u + l, где u =cv*t , cv = cv /
Определить изменение температуры (10 + 0,1*вар.) кг нефтяного масла при его нагревании и перемешивании, если известно, что количество подводимой теплоты Q = 200 + вар. кДж и работа перемешивания L = (36 + вар.) кДж. Теплоемкость масла 2 кДж/кг К.
Задача решается в соответствии с первым началом термодинамики
Q = U + L, где U =m*cv*t
Определить расход воздуха в системе охлаждения дизеля мощностью N = (38 + вар.) кВт, если отводимая теплота составляет (75 – вар.) % полезной мощности двигателя, а температура охлаждающего воздуха повышается на (15 + вар.) 0С.
Теплота, отводимая в системе охлаждения определяется по формуле Q =η* N. Массовый расход воздуха определяется из уравнения теплового баланса m = Q / cp*t
В резервуаре емкостью 1 м3 находится воздух при давлении 0,5 + 0,01*вар. МПа и температуре 20 + 0,1* вар 0С. Как изменится температура и давление воздуха, если к нему подвести 275 + вар. кДж теплоты?
Из основного уравнения термодинамики p*V = m*R*T необходимо определить массу воздуха. Затем определяется теплоемкость воздуха при постоянном объеме cv = cv / , считая, что воздух является двухатомным газом. Изменение температуры определяется из уравнения теплового баланса (смотри задачу 4). После этого можно определить конечную температуру. Из уравнения изохоры можно определить конечное давление.
Вопросы для самоконтроля
Какие показатели требуется определить при изучении термодинамических процессов?
Чему равно приращение внутренней энергии в изопроцессах?
Чему равна работа газов в изопроцессах?
Чему равно изменение энтальпии в изопроцессах?
Чему равно изменение энтропии в изопроцессах?