Termodinamika ir šilumokaita
5 (100%) 1 vote

Termodinamika ir šilumokaita

1.Pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai.

a)Termodinamikos objektas. Termodinamika- tai mokslas apie energiją, jos savybes ir transformacijas įvairius fizikinius ir cheminius procesus, kuriems vykstant išsiskiria arba sunaudojama šiluma. Termodinamika skirstoma: 1.Bendrąją; 2.Techninę; 3.Cheminę; 4.Statistinę ir kt. Techninė termodinamika nagrinėja šilumos pavertimą darbu arba darbo pavertimą šiluma. Termodinamikos dėsniai remiasi stebėjimais ir eksperimentais, nenagrinėjant medžiagų molekulinės struktūros.

b)Termodinaminės sistemos. Šiluminiame variklyje šiluma paverčiama darbu, tai vyksta plečiantis arba traukiantis darbo kūnui, t.y. išnaudojant kūnų plėtimąsi veikiant šilumai. Tinkamiausi darbo kūnai- dujos ir garai. Kadangi dujas ir garus galima greitai sušildyti ir atvėsinti, jų šiluminio plėtimosi koeficientas yra žymiai didesnis negu skysčių ir kietų kūnų. Kūnai, iš kurių darbo kūnai gauna šilumą, vadinami šildytuvais. Gavusios šilumos dujos plečiasi ir atlieka darbą, tačiau dalis šilumos nueina nuostoliams. Žemesnės temperatūros kūnai vadinami aušintuvais.

Darbo kūnas t.y. dujos, šilumos šaltiniai, darbo objektas. Visi jie sudaro termo dinaminę sistemą, o kūnai neįeinantys į šią sistemą vad. aplinka.Riba tarp termo dinaminės sistemos ir aplinkos vadinama kontroliniu paviršiumi (KP). Šis paviršius skirstomas į uždarąjį ir atvirąjį. Jei tarp sistemos ir aplinkos nėra masės mainų t.y. KP nepraeinamas, sistema vadinama uždarąja.

Jei per kontrolinį paviršių ar jo dalį praeina masė, tai tokia sistema atviroji.

Sistema vadinama izoliuota jai per KP nevyksta nei energijos nei masės pernešimas.

c)Darbo kūnai ir jų pagrindiniai parametrai. Dujų sąvybės apibūdinamos terminiais ir koloriniais parametrais. Terminiai parametrai: v(specifinis tūris), p(slėgis), T(absoliutinė temperatūra). Koloriniai: u(U)- energija, h(H)-entalpija, s(S)- entropija [mažosiomis raidėmis žymima , kai dydis imamas 1 Kg atžvilgiu]. Temperatūra apibūdina kūno išilimo laipsnį: T=273 + t. Slėgis – tai jėga veikianti į ploto vienetą. 1)Absoliutinis slėgis – tai slėgis , atskaitytas nuo absoliutaus nulio. 2)Manometrinis slėgis – tai absoliutinių aplinkos slėgių skirtumas (jeigu pirmasis didesnis už antrąjį). 3)Vakumetrinis slėgis – tai atmosferinio ir absoliutinio slėgių skirtumas (pabs < pat).

Matuojama paskaliais arba [N/m2]. Vienas bar =105 Pa; 1MPa=10bar=106Pa.

Specifinis tūris – tai 1kg medžiagos užimamas tūris. v=V/M [m3/kg]; v=1/r; vr=1.

d)Procesai. Procesai- tai bet koks dujų termodinaminių parametrų kitimas. Procesai būna:1)grįžtamieji; 2)negrįžtamieji. Grįžtamuoju vadinamas procesas, kuris ir tiesiogine, ir atvirkštine kryptimi vyksta per tas pačias tarpines būkles, be to šiam procesui pasibaigus nei sistemoje, nei aplinkoje nelieka jokių pėdsakų.

Grįžtamasis procesas gali būti tik pusiausvyrasis, neturi būti trinties ir šilumos mainų. Procesai, kurie neatitinka šių reikalavimų, vadinami negrįžtamaisiais.

e)Termodinaminė būklė. Termodinaminė būklė- tai dujų termodinaminių parametrų visuma. Jei visuose izoliuotos sistemos taškuose slėgis ir temperatūra nesikeičia ilgą laiką, tai tokia būklė yra termodinaminėje pusiausvyroje. Atviros sistemos būklė priklauso nuo aplinkos slėgio bei temperatūros. Čia pusiausvyra bus, kai slėgis ir temperatūra bus vienodi bei lygūs aplinkos temperatūrai ir slėgiui. Jei atskirų sistemų ir aplinkos slėgis skiriasi, tai sistemoje nėra mechaninės pusiausvyros, o jei skiriasi tik temperatūra – nėra terminės pusiausvyros.

f)Dujų būklės lygtys. Tarp darbo kūno parametrų egzistuoja funkcinis ryšys, aprašomas dujų būklės lygtimi. Mendelėjevo – Klapeirono lygtis: pv=RT j; pV=MRT k. Iš j ir k gaunama p=rRT; čia p-absoliutinis slėgis; R- universalioji dujų konst.; T- absoliutinė temperatūra.

Realiosioms dujoms, R=8314/m [J/kgK], o ypač garams būklės lygtis yra gana sudėtinga. Todėl jų skaičiavimams naudojamos specialios lentelės.

g)Dujų mišiniai. Dujų mišinių sudedamosios dalys vadinamos komponentais, tenkinančiais idealiųjų dujų dėsnius ir tarpusavyje nereaguojančius. Mišinio sudėtis apibūdinama: masės, tūrio ir molio dalimis. Masės dalimi vadinama komponento ir mišinio masės sąntykis gi=Mi / M (gi – masinė koncentracija), kadangi åMi=M, tai ågi =1. Tūrinė koncentracija lygi komponento tūrį padalinus iš mišinio tūrio: ri=Vi/V; å=ri =1. Komponentų dujų, pasiskirsčiusių visame mišinio tūryje, slėgis sudaro taip vadinamą dalinį slėgį. Viso mišinio slėgis lygus atskirų komponentų dalinių slėgių sumai: p= åpi (Daltono dėsnis). Mišinio dujų konstanta R: R =ågi Ri.

2.PTD.

a)Šiluma ir darbas. Energijos tvermės dėsnis sako, kad baigtinės izoliuotos sistemos bendrasis energijos kiekis bet kuriuose sistemoje vykstančiuose procesuose išlieka pastovus. Energija nesukuriama ir neišnyksta. P.T.D. yra energijos tvermės dėsnio išraiška, taikoma termodinaminiams procesams. Vienas kūnas kitam energiją gali perduoti dviem skirtingais būdais: 1)Šilumos mainais. Jei vienas kūnas liečia kitą, dėl skirtingos temperatūros keičiasi molekulių kinetinė energija. Perduota energija vadinama šiluma, pats procesas – šilumos perdavimu. 2)Darbo forma, kai vienas kūnas
veikia kitą. Energijos perdavimas darbo forma visada susijęs su kūno ar jo dalelių judėjimu. Darbas, kurį kūnas atlieka plėsdamasis laikomas teigiamu, o darbas, kurį kūnas atlieka pasipriešinimo arba suspaudimo darbą, pirmojo kūno atžvilgiu, laikomas neigiamu. Šiluma ir darbas yra dvi skirtingos energijos formos. Šiluma yra mikrofizikinis procesas, vykstąs tarp molekulių, nematomai. Darbas– makrofizikinės energijos perdavimo procesas, vykstąs kūnams matomai judant.

b)Darbo skaičiavimas pagal p-v diagramą. Energijos kitimas, susijęs su kūno ar dalelės judėjimu, vadinamas darbu. Darbo procese visada dalyvauja du ar daugiau kūnų. Šildomų dujų ar garo tūris, easnt tam tikromis sąlygomis , didės. Besiplėsdamos dujos ar garas atliks darbą. Įrenginiai, kuriuose šiam procesui sudarytos reikiamos sąlygos, vadinami šiluminiais varikliais. Tokios mašinos svarbiausią dalį sudaro cilindras ir jame slankiojantis stūmoklis. Tarkime, kad turime cilindrą, kuriame stūmokliu uždaryta 1kg. dujų. Jas šildome. Dujos plečiasi pusiausvyruoju procesu, kikviename proceso taške nusistovi termodinaminė pusiausvyra, p=p’; čia p-dujų slėgis cilindre, p’-aplinkos slėgis. Šiluminį variklį laikome idealia mašina, dirbančia be trinties ir kitų nuostolių. Plėtimosi procesas bus grįžtamasis. p-v koordinačių sistema patogi, nes stūmoklio poslinkis atitinka dujų tūrio cilindro pokytį, o ordinatė – slėgio kitimo dėsnį p=f(v). 1-2 kreivė vaizduoja šį dėsnį grafiškai. Dujoms plečiantis, stūmoklis slinks į dešinę ir atliks darbą.

Apskaič. dujų atliktą darbą. Esant mažam šilumos kiekiui dq, dujos plėsis, ir stūmoklis, veikiamas slėgio p, nuslinks elementarų kelią ds atliks elementarų darbą: dl = pf ds, čia f-stūmoklio plotas(m2), pf-jėga (N), ds-kelias (m). Tačiau fds reiškia elementarų turį dV, kurio padidėjo dujų užimamas tūris, pasislinkus stūmokliui,tai dl=pdv j. Jei dujos plečiasi nuo būsenos 1 iki 2, tai plėtimosi darbas yra l=∫pdv k. jirk lygtys rodo, kad l ir dl yra to paties ženklo kaip V ir dv, nes absoliutinis slėgis visada teigiamas dydis. Jei V2>V1, arba dv>0, dujos plečiasi, darbas teigiamas. Jei procesuose dalyvauja ne 1 kg., o M kg. dujų, tai L =M∫pdv.

Darbas, kurį dujos atlieka proceso 1-2 metu, vaizduojamas plotu 1234, čia plotai 1234 skirtingi, reiškia skiriasi ir šių procesų metu atliktas darbas. Pletimosi darbas priklauso nuo proceso pradinės ir galinės būsenų, atlikimo būdo bei pobudžio. Darbas nėra pilnasis diferencialas.

c)Specifinė šiluma. Šiluminiuose skaičiavimuose reikia nustatyti tam tikrame procese išsiskiriančios arba sunaudojamos šilumos kiekį. Darbo kūnui suteikto be galo mažo šilumos kiekio santykis su temperaturos pokyčiu vadinamas specifine šiluma. Cx=dqx/dT. Pagal pasirinktą dujų kiekio vienetą specifinė šiluma skirstoma į: 1)masinę C-tai šilumos kiekis, kuris pakelia 1kg darbo kūno temperatūrą vienu laipsniu [kJ/(kgK)]; 2)tūrinę C’-šilumos kiekis, kuris normaliomis sąlygomis 1m3 dujų temperaturą pakelia vienu laipsniu [kJ/(m3K)]; 3)molių mc- šilumos kiekis, kuris pakelia darbo kūno 1 kilomolio temp. vienu laipsniu [kJ/(kmolK)]. Tarp jų yra ryšys: C=C’Vo=mc/m, čia Vo-dujų specifinis tūris normaliomis sąlygomis (m3); m- dujų molinė masė (kg).

Dujų specifinė šiluma priklauso nuo T ir nuo p. Priklausomybė nuo p maža, ir jos nepaisoma, o kylant temperatūrai, specifinė šiluma didėja. Kai temperatūra padidės nuo T1 iki T2, tai Cm=q/(T2-T1), čia Cm-vidutinė specifinė šiluma rodo, kokį vidutinį šilumos kiekį gauna dujos, pakėlus jų temperatūrą T1 ir T2 intervale vienu laipsniu. Kai temperatūros intervalą sumažinsime iki be galo mažo dydžio, tai suteikto šilumos kiekio santykio su temperatūros intervalu ribą vad. tikrąją dujų specifine šiluma C=(limΔt→0)Δq/ΔT=dq/dT, iš čia suteiktas šilumos kiekis q=∫cdT.

Tikroji ir vidutinė specifinė šiluma.(pav.)

Šiuo metu Jūs matote 31% šio straipsnio.
Matomi 1501 žodžiai iš 4895 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.