Теплоносители и их свойства. Техническая термодинамика. (Тема 1)

Основные сведения
Автор: к.т.н., доцент кафедры Тепловых
электрических станций НГТУ
Шаров Юрий Иванович.
Учебное пособие по вариативной дисциплине Б3
«Теплоносители и их свойства» в форме слайд-конспекта
подготовлено в 2013 году и предназначено для:
бакалавров направления (специальности) 140100.62
Теплоэнергетика и теплотехника
(ФГОС введен в действие приказом № 635 от 18.11.2009 г., регистрационный номер 15818, дата утверждения 24.12.2009 г.).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Расчасовка лекционного курса
Семестр 5
Лекции, час. 18
Практические занятия, час. 18
Лабораторные занятия, час. 18
Индивидуальная работа, час. 0
Всего аудиторных занятий, час. 54
Из них в активной и интерактивной форме, час. 16
Самостоятельная работа, час. 54
В том числе КП, КР. РГЗ, подготовка к контр. работе, час. Контр.
Консультации, час. -
Зачет, диф. зачет, час. Д3
Сессия (экзамен), час. -
Всего часов 108
Всего зачетных единиц (кредитов) 3
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Список литературы
Основной список:
1. Шаров Ю. И. Техническая термодинамика [Электронный ресурс] : слайд-конспект лекций / Ю. И. Шаров. - Новосибирск, 2012. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с #.
2. Шаров Ю. И. Теоретические основы теплотехники [Электронный ресурс] : слайд-конспект лекций / Ю. И. Шаров. - Новосибирск, 2011. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с #.
3. Овчинников, Ю.В. Основы технической термодинамики / Ю.В. Овчинников. – Новосибирск: НГТУ. – 2010. – 292 с.
4. Шаров Ю.И. О диаграммах состояния экологически безопасных хладагентов / Ю.И. Шаров, Г.А. Долгополов // Теплоэнергетические системы и агрегаты. – 2003. Выпуск 7. – С. 199-205.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Дополнительный список литературы
Дополнительный список:
1. Варгафтик Н.В. Справочник по теплофизическим свойствам
газов и жидкостей.– М.: Наука, 1972.
2. Теплотехника // под ред. И.Н. Сушкина. - М. : Металлургия,
1981. – 479 с.
3. Рыжкин, В.Я. Тепловые электрические станции / В.Я. Рыжкин.
– М. : Энергоатомиздат, 1987. – 327 с.
4. Шаров Ю.И. Техническая термодинамика. Сборник
лабораторных работ / Ю.И. Шаров, П.А. Щинников. –
Новосибирск: НГТУ. – 2011. – 16 с.
5. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача /
В.В. Нащокин. - М.: Высшая школа. – 1980. – 559 с.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Теплоносители
Теплоносителями являются: воздух, газообразные продукты
сгорания топлива в тепловых двигателях. В холодильных
установках теплота переносится хладоносителями (холодильными
агентами).
Эти теплоносители можно считать практически идеальными
газами или смесями идеальных газов. Для технических нужд
часто требуется сжатый воздух, для его получения
применяются компрессоры.
В системах теплоснабжения и отопления используются горячая
вода и водяной пар.
Водяной пар это реальный газ. Свойства идеальных и
реальных газов изучаются в технической термодинамике.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Наука – техническая термодинамика
Техническая термодинамика – это наука, изучающая
закономерности взаимного преобразования тепловой и
механической энергий.
Тепловая энергия – это энергия хаотического движения
молекул и атомов газа.
Механическая энергия – это энергия движения
макроскопических тел (человека, автомобиля, самолета).
Преобразование механической энергии в тепловую
происходит легко и не требует особых условий.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Преобразование тепловой энергии
в механическую
Преобразование тепловой энергии в механическую можно
осуществить только в тепловом двигателе:
● двигателе внутреннего сгорания (ДВС),
● паротурбинной установке (ПТУ),
● газотурбинной установке (ГТУ).
Преобразование тепловой энергии в механическую в
тепловом двигателе происходит при расширении
газообразного рабочего тела.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Рабочее тело – идеальный газ
В ДВС и ГТУ таким рабочим телом являются газообразные
продукты сгорания топлива, а в паротурбинной установке
(ПТУ) – водяной пар, полученный в парогенераторе.
Газообразные продукты сгорания топлива можно считать
практически идеальным газом.
Водяной пар является реальным газом и не подчиняется
законам идеальных газов.
Идеальный газ – это газ, состоящий из недеформируемых
молекул, не имеющих собственного объема и не
взаимодействующих между собой.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Терминология термодинамики
Термодинамическая система – это совокупность
макроскопических тел, обменивающихся энергией как друг с
другом, так и с окружающей (внешней) средой. Примером такой
системы является газ в цилиндре с подвижным поршнем.
Изолированная (замкнутая) термодинамическая система, если
она не взаимодействует с окружающей средой.
Теплоизолированная (адиабатная) система окружена
адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с
окружающей средой.
Например, газ в сосуде, покрытом идеальной теплоизоляцией.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Однородная, гомогенная
и гетерогенная системы
Однородная система – это система с одинаковым составом и
физическими свойствами во всем объеме.
Гомогенная система, если внутри нее нет поверхностей раздела
(лед, вода, пар).
Гетерогенная система состоит из нескольких макроскопических
частей с различными физическими свойствами, разделенными
между собой видимыми поверхностями раздела.
Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей
видимыми поверхностями раздела, называются фазами (вода со
льдом – двухфазная система).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Удельный объем рабочего тела
Состояние рабочего тела описывается параметрами состояния.
Всего в термодинамике шесть параметров состояния:
удельный объем, абсолютное давление, абсолютная
температура, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия.
Удельный объем – это объем 1 кг газа, м³/кг:
v=V/m,
где V – полный объем газа, м³;
m – масса газа, кг.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Плотность газа
Величина, обратная удельному объему, называется
плотностью – массой 1 м³ газа, кг/м³:
ρ=m/V.
Отсюда следует, что их произведение равно единице:
ρv=1.
Давление газа в молекулярно-кинетической теории газов
трактуется как средний результат ударов молекул о стенки
сосуда.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Давление газа
Оно направлено по нормали к стенке сосуда и представляет
собой силу, действующую на 1 м² поверхности:
1 Н/м²=1 Па.
Давление может также измеряться в Мега Паскалях, барах,
атмосферах, миллиметрах ртутного столба, метрах водяного
столба.
Соотношения между ними:
1 бар=10 Па=0,1 МПа=750 мм.рт.ст.=0,987 ат=9,87 м.вод.ст.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Параметр состояния –
абсолютное давление
Атмосферное давление В измеряется барометром,
избыточное pи (превышающее атмосферное) – манометром,
разрежение pв (вакуум) – вакуумметром.
Параметром же состояния является абсолютное давление Ра.
Если давление в сосуде p
выше атмосферного:
pа=В+pи; pа pи
а если ниже В
атмосферного, то: В pв
pа=В–pв. pа
0 v
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Параметр состояния абсолютная температура
Температура характеризует степень нагрева тела и
представляет собой меру средней кинетической энергии
поступательного движения молекул.
Понятие температура применимо только к макротелам и
не имеет смысла для одной или нескольким молекул.
Температура измеряется жидкостными термометрами,
термометрами сопротивления, термопарами, оптическими
пирометрами.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Основное уравнение теории газов
Параметром состояния является абсолютная температура, К:
Т,К=t,°С+273,15.
За 0 °С принята температура плавления льда при
атмосферном давлении , а за 100 °С – температура кипения
воды.
Все законы идеальных газов были получены вначале
опытным путем, а затем выведены из основного уравнения
молекулярно-кинетической теории газов:
, (1)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Основное уравнение
молекулярно-кинетической теории газов
где р – давление, Па; n – количество молекул в единице
объема, мол/м³; m – масса молекулы, кг; w – средняя
скорость движения молекул, м/с.
Обозначим через N число молекул в 1 кг газа, тогда
уравнение (1) запишется в виде:
.
Перенесем удельный объем в левую часть уравнения и
учтем, что кинетическая энергия пропорциональна
температуре mw²/2=BT, где В – коэффициент
пропорциональности.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Объединенный закон
Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
Тогда уравнение молекулярно-кинетической теории для двух
состояний газа запишется в виде:
p1v1=2/3NBT1; p2v2=2/3NBT2.
Поделив левые и правые части этих уравнений одно на
другое и перенеся начальные параметры влево, а конечные –
вправо,
получим выражение объединенного закона
Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
или pv/T=сonst. (2)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Законы идеальных газов
Из выражения (2) при T=сonst получаем закон
Бойля-Мариотта:
p1v1=p2v2 или pv=сonst; (3)
при p=сonst – закон Гей-Люссака:
v1/T1=v2/T2 или v/Т=сonst; (4)
а при v=сonst – закон Шарля для идеальных газов:
p1/T1=p2/T2 или p/T=сonst. (5)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Уравнение состояния идеальных газов
В выражении (2) объединенного закона Бойля-Мариотта и
Гей-Люссака для произвольного состояния газа:
pv/T=сonst.
Назовем Const газовой постоянной, обозначим ее буквой R,
приведем уравнение к общему знаменателю и мы получим
уравнение состояния идеальных газов (Клапейрона) для 1 кг:
pv=RT. (6)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Уравнение Клапейрона
Умножая левую и правую части уравнения Клапейрона на
массу газа m и учитывая, что mv=V, получим
уравнение состояния идеальных газов для произвольной
массы газа m:
pV=mRT. (7)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Уравнение Клапейрона – Менделеева
Русский ученый Д.И. Менделеев предложил по аналогии
записать уравнение Клапейрона для 1 кило моля газа,
умножив левую и правую части выражения (6) на
молекулярную массу μ:
p(μv)=(μR)T. (8)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Кило моль газа
Уравнение (8) носит название Клапейрона-Менделеева.
1 кило моль газа – это масса газа в килограммах, численно
равная его молекулярной массе μ.
(μv) – объем 1 кило моля газа, м³/кмоль;
(μR) – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

К выводу закона Авогадро
Пусть имеются два равных объема V1=V2=V двух разных
газов.
Давление каждого из газов можно выразить по основ-
ному уравнению молекулярно-кинетической теории газов:
; .
Пусть давления газов равны между собой р1=р2, тогда:
. (9)
Пусть температуры газов тоже равны между собой, то есть
равны их средние кинетические энергии m1w12/2=m2w22/2.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Закон Авогадро
Из выражения (9) при этом следует: n1=n2. (10)
Умножив обе части уравнения на объем V, получим:
n1V=n2V. После сокращения одинаковых объемов газов V
получим выражение закона Авогадро:
N1=N2, (11)
то есть в равных объемах разных газов при одинаковых
физических условиях (p1=p2; T1=T2) содержится равное
число молекул.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Следствие из закона Авогадро
Выражение (10) – это закон Авогадро для 1 м³ газов.
Масса газа в 1 м³ – это его плотность ρ, значит
ρ1/ρ2 = μ1/μ2, (12)
то есть:
при p1=p2; T1=T2 плотности газов пропорциональны их
молекулярным массам – следствие из закона Авогадро.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Объемы кило молей газов
C учетом того, что ρ=1/v:
v2/v1=μ1/μ2 ,
или:
μ1v1=μ2 v2 , (13)
то есть при одинаковых физических условиях объемы
кило молей разных газов равны между собой.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013