Μέση μοριακή μάζα μείγματος αερίων. Μερικές παράγωγοι παραμέτρων κατάστασης. Θερμικοί συντελεστές

Για τη διενέργεια θερμοδυναμικών υπολογισμών συστημάτων με μείγματα αερίων ή διαλύματα, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τη σύστασή τους. Η σύνθεση του μείγματος μπορεί να προσδιοριστεί:

Σε κλάσματα μάζας, όπου

- μοριακή μάζα Εγώ-ο συστατικό, kg/mol; Μ Εγώ– σχετικό μοριακό βάρος Εγώ-ο συστατικό? n Εγώ- ποσότητα Εγώ-η ουσία, mole;

για κάθε φάση
;

Μοριακά κλάσματα
, Οπου
- ποσότητα ουσίας μείγματος, mol. για κάθε φάση το άθροισμα των μοριακών κλασμάτων των συστατικών του μείγματος
;

Κλάσματα όγκου, τα οποία είναι ίσα με μοριακά κλάσματα
, Οπου
- Ενταση ΗΧΟΥ Εγώτο οο συστατικό του μείγματος, το οποίο στη θερμοκρασία και την πίεση του μείγματος αερίων ονομάζεται μειωμένος όγκος.
, m 3 /mol – μοριακός όγκος του i-ου συστατικού του μείγματος. Σύμφωνα με το νόμο του Avagadro, οι μοριακόι όγκοι όλων των συστατικών ενός μείγματος αερίων είναι ίσοι και
, Οπου
. Το άθροισμα των μειωμένων όγκων των συστατικών ενός μείγματος αερίων είναι ίσο με τον όγκο του μείγματος (νόμος του Amag), δηλ.
.

Η σύνθεση ενός μείγματος ιδανικών αερίων μπορεί επίσης να προσδιοριστεί με μερικές πιέσεις R Εγώ, συγκεντρώσεις μάζας και μοριακές συγκεντρώσεις
.

Κατά τον καθορισμό της σύνθεσης των διαλυμάτων, χρησιμοποιούνται συγκεντρώσεις μάζας και μοριακών.

Μερική πίεση R Εγώ - αυτό είναι πίεση Εγώτο συστατικό του μείγματος αερίων, υπό την προϋπόθεση ότι καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο που προορίζεται για το μείγμα στη θερμοκρασία του μείγματος.

3.2. Σχέσεις για μείγματα ιδανικών αερίων. ο νόμος του Ντάλτον

Η μέση μοριακή μάζα ενός μείγματος αερίων προσδιορίζεται από την έκφραση
, kg/mol, όπου
- μάζα του μείγματος.
- την ποσότητα της ουσίας στο μείγμα. Επειτα

.

Ειδική σταθερά αερίου ενός μείγματος αερίων

, J/(kgK),

Οπου
J/(molK) – μοριακή σταθερά αερίου. - μοριακή μάζα του μείγματος.

Νόμος του Ντάλτον:

, Πα,

εκείνοι. το άθροισμα των μερικών πιέσεων των μεμονωμένων αερίων που περιλαμβάνονται στο μείγμα είναι ίσο με τη συνολική πίεση του μείγματος. Έτσι, κάθε αέριο στο δοχείο καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο στη θερμοκρασία του μείγματος, όντας υπό τη δική του μερική πίεση.

Η εξίσωση κατάστασης για ένα μείγμα ιδανικών αερίων έχει τη μορφή:

.

Για μερική πίεση και για μειωμένο όγκο Εγώ- Το συστατικό του μείγματος, οι εξισώσεις κατάστασης έχουν τη μορφή:

Στη συνέχεια, διαιρώντας αυτές τις εξισώσεις όρο προς όρο, την πρώτη με τη δεύτερη, έχουμε

.

Διαίρεση της εξίσωσης
στην εξίσωση
ανά όρο, παίρνουμε:

.

Κεφάλαιο 4. Θερμοχωρητικότητα

4.1. Τύποι θερμοχωρητικότητας

Η θερμοχωρητικότητα είναι η ιδιότητα των σωμάτων να απορροφούν και να απελευθερώνουν θερμότητα όταν η θερμοκρασία αλλάζει κατά ένα βαθμό σε διάφορες θερμοδυναμικές διεργασίες. Γίνεται διάκριση μεταξύ της συνολικής μέσης και της συνολικής πραγματικής θερμοχωρητικότητας.

Η συνολική μέση θερμοχωρητικότητα μιας θερμοδυναμικής διεργασίας (TP) είναι η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος με μάζα m, kg για το τελικό τμήμα του TP:

, [J/K].

Η συνολική πραγματική θερμοχωρητικότητα ενός TP είναι η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος με μάζα Μ, kg σε κάθε δεδομένη στιγμή TP:

, [J/K].

Θεωρήστε ένα αυθαίρετο TP 1-2 σε συντεταγμένες
, Οπου Q– είσοδος θερμότητας σε [J]; t – θερμοκρασία σε [ 0 C]. Επειτα
,
.

Εάν το όχημα είναι ένα ομοιογενές ρευστό εργασίας, τότε οι σχετικές θερμοχωρητικότητες χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς:

Ειδική θερμοχωρητικότητα – θερμοχωρητικότητα ανά 1 kg ουσίας c=C/Μ J/kgK;

Μοριακή θερμοχωρητικότητα – θερμοχωρητικότητα ανά 1 mol μιας ουσίας
J/molK;

Ογκομετρική θερμοχωρητικότητα – θερμοχωρητικότητα ανά 1 m3 ουσίας
, J/m 3 K.

Η θερμοχωρητικότητα είναι συνάρτηση της διεργασίας και εξαρτάται από τον τύπο του ρευστού εργασίας, τη φύση της διεργασίας και τις παραμέτρους κατάστασης. Έτσι, η θερμοχωρητικότητα σε μια διαδικασία με σταθερή πίεση ονομάζεται ισοβαρική θερμοχωρητικότητα:

,

Οπου H, J – ενθαλπία.

Η θερμοχωρητικότητα σε μια διεργασία με σταθερό όγκο ονομάζεται ισοχωρική θερμοχωρητικότητα:

,

Οπου U, J – εσωτερική ενέργεια.

Η θερμοχωρητικότητα ενός ιδανικού αερίου δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση και εξαρτάται μόνο από τον αριθμό των βαθμών ελευθερίας κίνησης των μορίων και, σύμφωνα με το νόμο της ίσης κατανομής της ενέργειας μεταξύ των βαθμών ελευθερίας κίνησης των μορίων, η θερμοχωρητικότητα είναι:
, Οπου
- περιστροφικοί βαθμοί ελευθερίας ίσοι με μηδέν για ένα μονοατομικό αέριο
, για ένα διατομικό αέριο -
=2 και για τριατομικά αέρια
=3;
J/molK – μοριακή σταθερά αερίου. Θερμοχωρητικότητα προσδιορίζεται από την εξίσωση του Mayer:

.

Για μονοατομικό αέριο
Και
, για διατομικό αέριο
Και
, για τρία ή περισσότερα ατομικά αέρια
Και
.

Η θερμοχωρητικότητα των πραγματικών αερίων εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορούμε να παραβλέψουμε την επίδραση της πίεσης στη θερμοχωρητικότητα και να υποθέσουμε ότι η θερμοχωρητικότητα των πραγματικών αερίων εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία: ντο= φά(t). Αυτή η εξάρτηση προσδιορίζεται πειραματικά.

Η εμπειρική εξάρτηση της ειδικής πραγματικής θερμοχωρητικότητας από τη θερμοκρασία μπορεί να αναπαρασταθεί ως πολυώνυμο:

Οπου
σε θερμοκρασία t=0 0 C. Για τα διατομικά αέρια, μπορούμε να περιοριστούμε σε δύο όρους:
, ή
, Οπου
.

Για το τελευταίο τμήμα της διαδικασίας 1-2, η ποσότητα θερμότητας είναι ίση με:

Τότε η μέση θερμοχωρητικότητα σε αυτό το τμήμα της διαδικασίας θα είναι ίση με:

J/kgK.

Στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών στο Τ<100К прекращается вращательное движение молекул и колебательное движение атомов, а при температуреΤ→0Κ σταματά και η μεταφορική κίνηση των μορίων, δηλ. στο Τ=0K ΜΕ R = ντο v=0 και η θερμική κίνηση των μορίων σταματά (πειραματικά δεδομένα από Nernst et al., 1906-1912). Σε θερμοκρασία Τ→0K οι ιδιότητες των ουσιών παύουν να εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, όπως φαίνεται στο παραπάνω γράφημα της εξάρτησης της θερμοχωρητικότητας από την απόλυτη θερμοκρασία.

1. Κύριοι τύποι πόρων.

Κύρια συστατικά του υγρού καυσίμου

Καύσιμα- πηγή ενέργειας; μια εύφλεκτη ουσία που παράγει σημαντική ποσότητα θερμότητας κατά την καύση.

Ανάλογα με την κατάσταση συσσώρευσής τους, διακρίνονται τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια καύσιμα.

ΠΡΟΣ ΤΗΝ στερεό φυσικό καύσιμοπεριλαμβάνουν καυσόξυλα, καφέ και σκληρό άνθρακα, τύρφη, ανθρακίτη. για στερεό τεχνητό καύσιμο - οπτάνθρακας, κάρβουνο, μπρικέτες και σκόνη από καφέ και λιθάνθρακα, θερμοανθρακίτη. Δεν υπάρχουν φυσικά υγρά καύσιμα. Ως τεχνητό υγρό καύσιμο χρησιμοποιούνται διάφορες ρητίνες και μαζούτ. Το αέριο καύσιμο μπορεί να είναι φυσικό, όπως το φυσικό αέριο. Τα αέρια που παράγονται σε φούρνους οπτάνθρακα (φούρνοι οπτάνθρακα), υψικάμινους (υψικάμινους ή κορυφαίους κλίβανους) και γεννήτριες αερίων (κλίβανοι γεννήτριας) χρησιμοποιούνται ως τεχνητά αέρια καύσιμα.

Υγρά καύσιμα- Πρόκειται κυρίως για ουσίες οργανικής προέλευσης, τα κύρια συστατικά των οποίων είναι ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο και το θείο.

Ο άνθρακας (C) είναι ο κύριος φορέας θερμότητας. Όταν καίγεται 1 kg άνθρακα, απελευθερώνονται 34.000 kJ θερμότητας. Ο άνθρακας μπορεί να περιέχεται στο μαζούτ έως και 85%, σχηματίζοντας ενώσεις.

Το υδρογόνο (Η) είναι το δεύτερο πιο σημαντικό στοιχείο καυσίμου: η καύση 1 kg υδρογόνου απελευθερώνει περίπου 125.000 kJ θερμότητας. Η περιεκτικότητα σε υδρογόνο στα υγρά καύσιμα είναι 10%.

Το υγρό καύσιμο περιέχει επίσης υγρασία (W) και έως και 0,5% τέφρα (A).

Το άζωτο (Ν) και το οξυγόνο (Ο) αποτελούν μέρος των πολύπλοκων οργανικών οξέων και φαινόλων και περιέχονται στα καύσιμα σε μικρές ποσότητες (περίπου 3%).

Το θείο (S) κατά την καύση απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα θερμότητας, ωστόσο, οι θειούχες ενώσεις, όταν αλληλεπιδρούν με λιωμένα ή θερμαινόμενα μέταλλα, υποβαθμίζουν την ποιότητά τους: τα προϊόντα καύσης που περιέχουν θειούχες ενώσεις αυξάνουν τη διάβρωση των μεταλλικών μερών των κλιβάνων, ο χάλυβας κορεσμένος με θείο έχει αυξηθεί κόκκινη ευθραυστότητα. Το θείο περιλαμβάνεται συνήθως στους υδρογονάνθρακες (έως 4% ή περισσότερο).

Σύνθεση καυσίμου λειτουργίας:

ντοΠ +ΗΠ + ΟΠ + ΝΠ +SΠ + ΑΠ = 100 %.

Το αποξηραμένο καύσιμο που δεν έχει υγρασία ονομάζεται ξηρή μάζα (c):

ντοΜε +ΗΜε + O c + NΜε + S c + A c = 100%. Η οργανική μάζα του καυσίμου που περιέχει θείο ονομάζεται εύφλεκτη μάζα (g):

ΜΕσολ + Νσολ + Οσολ + Νσολ +Sσολ = 100.

2. Κύρια συστατικά των αερίων καυσίμων

Αέρια καύσιμα- Βασικά είναι ένα μείγμα από διάφορα αέρια όπως το μεθάνιο, το αιθυλένιο και άλλοι υδρογονάνθρακες. Το αέριο καύσιμο περιλαμβάνει επίσης μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα ή διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, υδρογόνο, υδρόθειο, οξυγόνο και άλλα αέρια, καθώς και υδρατμούς.

Το φυσικό αέριο παράγεται από κοιτάσματα καθαρού αερίου ή μαζί με πετρέλαιο (συγγενές αέριο). Στην πρώτη περίπτωση, το κύριο εύφλεκτο συστατικό είναι το μεθάνιο, η περιεκτικότητα του οποίου μπορεί να φτάσει έως και 95–98%. Τα συναφή αέρια, εκτός από το μεθάνιο, περιέχουν σημαντικές ποσότητες άλλων υδρογονανθράκων: αιθάνιο (C2H6), προπάνιο (C 3 H 8), βουτάνιο (C 4 H 10), πεντάνιο (C 5 H 12) κ.λπ. Τα συναφή αέρια έχουν υψηλή θερμογόνο δύναμη, αλλά σπάνια χρησιμοποιούνται ως καύσιμο. Χρησιμοποιούνται κυρίως στη χημική βιομηχανία.

Χρησιμοποιώντας όργανα που ονομάζονται αναλυτές αερίων, προσδιορίζεται η σύνθεση του αερίου καυσίμου.

Η σύνθεση του ξηρού αερίου καυσίμου περιλαμβάνει:

CH 4 + C 2 H 4 + CO 2 + H 2 + H 2 S + C m H n+ N 2 + O 2 +… = 100.

Το μεθάνιο (CH4) είναι το κύριο συστατικό πολλών φυσικών αερίων. Όταν καίγεται 1 m 3 μεθανίου, απελευθερώνονται 35.800 kJ θερμότητας. Το μεθάνιο στα φυσικά αέρια μπορεί να περιέχει έως και 93-98%.

Αιθυλένιο (C2H4) - όταν καίγεται 1 m 3 αιθυλενίου, απελευθερώνονται 59.000 kJ θερμότητας. Τα αέρια μπορεί να περιέχουν μικρές ποσότητες.

Υδρογόνο (H 2) – η καύση 1 m 3 υδρογόνου απελευθερώνει 10.800 kJ θερμότητας. Πολλά εύφλεκτα αέρια, εκτός από το αέριο οπτάνθρακα, περιέχουν σχετικά μικρές ποσότητες υδρογόνου. Ωστόσο, στο αέριο φούρνου οπτάνθρακα η περιεκτικότητά του μπορεί να φτάσει το 50-60%.

Προπάνιο (C 3 H 8), βουτάνιο (C 4 H 10) - η καύση αυτών των υδρογονανθράκων απελευθερώνει περισσότερη θερμότητα από την καύση του αιθυλενίου, αλλά η περιεκτικότητά τους σε εύφλεκτα αέρια είναι ασήμαντη.

Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) - η καύση 1 m 3 αυτού του αερίου απελευθερώνει 1 2 770 kJ θερμότητας. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι το κύριο εύφλεκτο συστατικό του αερίου υψικαμίνου. Αυτό το αέριο δεν έχει ούτε χρώμα ούτε οσμή και είναι πολύ δηλητηριώδες.

Υδρόθειο (H 2 S) – όταν καίγεται 1 m 3 υδρόθειο, απελευθερώνονται 23.400 kJ θερμότητας. Η παρουσία υδρόθειου στα αέρια καύσιμα αυξάνει τη διάβρωση των μεταλλικών μερών του κλιβάνου και του αγωγού αερίου. Με την ταυτόχρονη παρουσία οξυγόνου και υγρασίας στο αέριο, αυξάνεται η διαβρωτική δράση του υδρόθειου. Το υδρόθειο είναι ένα βαρύ αέριο με δυσάρεστη οσμή και είναι εξαιρετικά τοξικό.

Τα υπόλοιπα αέρια (CO 2, N 2, O 2) και οι υδρατμοί είναι συστατικά έρματος. Η παρουσία τους στο καύσιμο οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας καύσης του. Καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε αυτά τα αέρια, η περιεκτικότητα σε εύφλεκτα συστατικά μειώνεται. Ένα καύσιμο που περιέχει περισσότερο από 0,5% ελεύθερο οξυγόνο θεωρείται επικίνδυνο σύμφωνα με τους κανονισμούς ασφαλείας.

3. Θερμότητα καύσης καυσίμου

Θερμότητα καύσης καυσίμου– αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας Q (kJ) που απελευθερώνεται κατά την πλήρη καύση 1 kg υγρού ή 1 m 3 αερίου καυσίμου.

Ανάλογα με τη συνολική κατάσταση της υγρασίας στα προϊόντα καύσης, διακρίνεται σε υψηλότερες και χαμηλότερες θερμιδικές αξίες.

Η υγρασία στα προϊόντα καύσης του υγρού καυσίμου σχηματίζεται κατά την καύση της εύφλεκτης μάζας του υδρογόνου Η, καθώς και κατά την εξάτμιση της αρχικής υγρασίας του καυσίμου w. Τα προϊόντα καύσης περιέχουν επίσης υγρασία από τον αέρα που χρησιμοποιείται για την καύση. Ωστόσο, συνήθως δεν λαμβάνεται υπόψη. Όταν το καύσιμο περιέχει υδρογόνο με εύφλεκτη μάζα H p kg, σχηματίζεται υγρασία 9H P kg κατά την καύση. Ταυτόχρονα, τα προϊόντα καύσης περιέχουν (9H P + W P) kg υγρασίας. Χρειάζονται περίπου 2500 kJ θερμότητας για να μετατραπεί 1 κιλό υγρασίας σε κατάσταση ατμού. Η θερμότητα που δαπανάται για την εξάτμιση της υγρασίας δεν θα χρησιμοποιηθεί εάν δεν υπάρξει συμπύκνωση υδρατμών. Σε αυτή την περίπτωση, παίρνουμε χαμηλότερη θερμογόνο δύναμη.

Q p H =Q p B -25 (H p + W p).

Η θερμότητα της καύσης προσδιορίζεται με δύο μεθόδους: πειραματική και υπολογισμένη.

Κατά τον πειραματικό προσδιορισμό της θερμότητας της καύσης, χρησιμοποιούνται θερμιδόμετρα.

Μέθοδος προσδιορισμού:ένα μέρος του καυσίμου καίγεται σε μια συσκευή (θερμιδόμετρο), η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την καύση του καυσίμου απορροφάται από το νερό. Γνωρίζοντας τη μάζα του νερού, η θερμότητα της καύσης μπορεί να υπολογιστεί αλλάζοντας τη θερμοκρασία του. Αυτή η μέθοδος είναι καλή γιατί είναι απλή. Για να προσδιοριστεί η θερμογόνος δύναμη, αρκεί να έχουμε δεδομένα τεχνικής ανάλυσης.

Μέθοδος υπολογισμού.Εδώ, η θερμότητα της καύσης προσδιορίζεται σύμφωνα με τον τύπο του D. I. Mendeleev:

Q p H = 339С p +1030Н p -109(О p -S p) – 25 W p kJ/kg,

όπου τα C p, H p, O p, S p και W p αντιστοιχούν στην περιεκτικότητα σε άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο, θείο και υγρασία στο καύσιμο λειτουργίας, %.

Καύσιμο υπό όρουςείναι μια έννοια που χρησιμοποιείται για την τυποποίηση και τον υπολογισμό της κατανάλωσης καυσίμου.

Το συμβατικό καύσιμο ονομάζεται συνήθως καύσιμο με χαμηλότερη θερμογόνο δύναμη (29.310 kJ/kg). Για να μετατρέψετε οποιοδήποτε καύσιμο σε συμβατικό καύσιμο, θα πρέπει να διαιρέσετε τη θερμογόνο δύναμη του με 29.310 kJ/kg, δηλαδή να βρείτε το ισοδύναμο αυτού του καυσίμου: για το μαζούτ είναι 1,37-1,43, για τα φυσικά αέρια - 1,2-1,4 .

4α

4. Κύριο καύσιμο για κλιβάνους

Καύσιμοείναι προϊόν διύλισης λαδιού, χρησιμοποιείται για την ανάφλεξη εστιών. Η θερμότητα καύσης του μαζούτ είναι 39-42 MJ/kg. Κατά προσέγγιση σύνθεση του μαζούτ: 85-80% C; 10-12,5% HP; 0,5-1,0% (Ο Ρ + Ν Ρ); 0,4–2,5% S P; 0,1-0,2% A R; 2% W P . Η περιεκτικότητα σε υγρασία του μαζούτ δεν πρέπει να υπερβαίνει το 2% κατά την έξοδο από το διυλιστήριο. Το μαζούτ περιέχει επίσης θείο, ανάλογα με το ποσοστό του οποίου το μαζούτ διαιρείται σε χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο (<0,5% Sp), сернистый (0,5-1% Sp) и высокосернистый (>1% Sp).

Το μαζούτ διαιρείται επίσης ανάλογα με την περιεκτικότητά του σε παραφίνη και τη μέθοδο διύλισης του λαδιού. Υπάρχουν μαζούτ με απευθείας απόσταξη (χαμηλού ιξώδους) και πυρολυμένο μαζούτ, το οποίο έχει υψηλό ιξώδες. Ανάλογα με το ιξώδες, το μαζούτ ταξινομείται σε ποιότητες. Ο αριθμός μάρκας μαζούτ δείχνει το υπό όρους ιξώδες σε θερμοκρασία 50 o C (VU50). Το ιξώδες προσδιορίζεται με τη χρήση οργάνων - ιξωδόμετρων. Το υπό όρους ιξώδες λαμβάνεται ως ο λόγος του χρόνου ροής 200 cm 3 προϊόντος ελαίου στη θερμοκρασία δοκιμής προς το χρόνο ροής του ίδιου όγκου νερού με θερμοκρασία 20 o C. Σε σχέση με αυτόν τον δείκτη, Το μαζούτ χωρίζεται σε κατηγορίες 40, 100, 200 και MP (μαζούτ για φούρνους ανοιχτής εστίας) .

Καθώς ο αριθμός της μάρκας του μαζούτ αυξάνεται, η πυκνότητά του αυξάνεται, η οποία είναι 0,95-1,05 g/cm 3 στους 20 o C. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η πυκνότητα μειώνεται.

Κατά την προετοιμασία του μαζούτ για καύση, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η πυκνότητα και η ποιότητά του. Η προετοιμασία αποτελείται από καθίζηση και διήθηση του μαζούτ για διαχωρισμό του νερού και των μηχανικών ακαθαρσιών (άργιλος, άμμος κ.λπ.), η οποία λαμβάνει χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα τον διαχωρισμό του μαζούτ από το νερό: το ιξώδες και η πυκνότητα του μαζούτ μειώνονται όταν θερμαίνεται, με αποτέλεσμα να επιπλέει επάνω. Η υγρασία συσσωρεύεται στο κάτω μέρος της δεξαμενής και το αφυδατωμένο μαζούτ συσσωρεύεται στο πάνω μέρος.

Κατά την αποστράγγιση από σιδηροδρομικές δεξαμενές, κατά την τροφοδοσία μέσω αγωγών από τις δεξαμενές εργοστασίων και συνεργείων σε φούρνους, καθώς και κατά τον ψεκασμό με ακροφύσια (το καύσιμο συνήθως καίγεται σε ψεκασμένη κατάσταση), το ιξώδες του μαζούτ έχει μεγάλη σημασία. Όσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες, τόσο λιγότερη ενέργεια δαπανάται για την άντληση και τον ψεκασμό του μαζούτ. Επομένως, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες. Η θερμοκρασία επιλέγεται σύμφωνα με τα γραφήματα ιξώδους, με βάση τη διασφάλιση ότι το υπό όρους ιξώδες του μαζούτ είναι 5-10 μονάδες.

Κατά τη θέρμανση πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το σημείο ανάφλεξης του μαζούτ, δηλαδή η θερμοκρασία θέρμανσης, όταν φτάσει στην οποία αρχίζει η εντατική απελευθέρωση πτητικών συστατικών που μπορούν να αναφλεγούν από σπινθήρα ή φλόγα. Το σημείο ανάφλεξης κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 80-190 o C. Και δεν πρέπει να συγχέουμε το σημείο ανάφλεξης και τη θερμοκρασία ανάφλεξης, η οποία νοείται ως η θερμοκρασία θέρμανσης, όταν επιτευχθεί (η θερμοκρασία ανάφλεξης του μαζούτ είναι 530-600 o C, αέρια - 500-700 o C) το μαζούτ αναφλέγεται αυθόρμητα και, υπό ευνοϊκές συνθήκες, συνεχίζει να καίγεται.

5. Βασικές αρχές θεωρίας καύσης

Καύσηείναι η διαδικασία του γρήγορου χημικού συνδυασμού εύφλεκτων στοιχείων καυσίμου με ένα οξειδωτικό (συνήθως οξυγόνο στον αέρα), που συνοδεύεται από απελευθέρωση θερμότητας και φωτός.

Δάδα- ένας από τους τύπους φλόγας που σχηματίζεται όταν το καύσιμο και ο αέρας εκτοξεύονται στον κλίβανο. Σε έναν φακό, ο οποίος έχει συγκεκριμένα σχήματα και μεγέθη, οι διαδικασίες άμεσης καύσης, θέρμανσης του μείγματος στη θερμοκρασία ανάφλεξης και ανάμειξης συμβαίνουν ταυτόχρονα.

Στη θεωρία της καύσης, γίνεται διάκριση μεταξύ ομοιογενούς και ετερογενούς καύσης. Εμφανίζεται ομοιογενής καύση στον όγκο και ετερογενής καύση εμφανίζεται στην επιφάνεια των σταγονιδίων και στη συνέχεια, μετά την εξάτμιση των πτητικών συστατικών, στα σωματίδια αιθάλης. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των σωματιδίων του υγρού καυσίμου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ειδική επιφάνεια αλληλεπίδρασης μεταξύ της υγρής φάσης και της αέριας φάσης. Επομένως, ο ψεκασμός υγρού καυσίμου σάς επιτρέπει να καίτε περισσότερο καύσιμο ανά μονάδα όγκου, δηλαδή να εντείνετε την καύση.

Η ομοιογενής καύση μπορεί να συμβεί σε δύο περιπτώσεις, που ονομάζονται κινητικές και διάχυσης. Στην κινητική περίπτωση, ένα προπαρασκευασμένο μίγμα καυσίμου-αέρα παρέχεται στη ζώνη καύσης (ας πούμε, στον χώρο εργασίας του κλιβάνου). Το κύριο μέρος της διαδικασίας είναι η άμεση θέρμανση του μείγματος και η οξείδωση των εύφλεκτων συστατικών του καυσίμου και η καύση. Σε αυτή την περίπτωση, ο φακός γίνεται βραχύς και υψηλής θερμοκρασίας. Η προθέρμανση του μείγματος ή ο εμπλουτισμός του αέρα με οξυγόνο επιταχύνει τη διαδικασία καύσης: η θέρμανση σχεδόν όλων των μιγμάτων αερίου-αέρα στους 500 °C αυξάνει τον ρυθμό καύσης κατά σχεδόν 10 φορές.

Αλλά η θερμοκρασία προθέρμανσης του μείγματος δεν πρέπει να υπερβαίνει τη θερμοκρασία ανάφλεξής του. Με την καύση διάχυσης, οι διαδικασίες θέρμανσης, ανάμειξης του μείγματος και καύσης πραγματοποιούνται ταυτόχρονα στον πυρσό. Το πιο αργό στάδιο είναι η αντίθετη διάχυση μορίων μικρο- και μακροόγκων αερίου και αέρα, με άλλα λόγια, ο σχηματισμός μίγματος. Επομένως, ο φακός θα είναι μεγαλύτερος από ό,τι στην πρώτη περίπτωση. Σε μια προσπάθεια να μειωθεί το μήκος του φακού, οι ροές αερίου και αέρα χωρίζονται σε ξεχωριστά ρεύματα. Επίσης, η αύξηση της ταχύτητας των πίδακες και η κατεύθυνση των ροών αερίου και αέρα υπό γωνία μεταξύ τους κ.λπ., βοηθά στη μείωση του πυρσού.

Η ανάφλεξη ενός μείγματος εύφλεκτου αερίου και αέρα είναι δυνατή μόνο σε μια ορισμένη αναλογία. Οι περιοριστικές αναλογίες τους ονομάζονται όρια συγκέντρωσης. Υπάρχουν κατώτερα και ανώτερα όρια που καθορίζονται από τη μέγιστη περιεκτικότητα σε εύφλεκτο αέριο στο μείγμα, %. Για το υδρογόνο, τα όρια είναι 4,1 – 75. μονοξείδιο του άνθρακα - 12,5-75; μεθάνιο – 5,3-14; Αέριο φούρνου οπτάνθρακα – 5,6-30,4 και για φυσικό αέριο – 4-13.

Στη μηχανική θέρμανσης, χρησιμοποιείται συχνά η έννοια της θερμικής καταπόνησης, που σημαίνει την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά την καύση καυσίμου ανά μονάδα χρόνου, που σχετίζεται με το 1 m 3 του κλιβάνου ή του χώρου εργασίας του κλιβάνου. Για υγρό καύσιμο φτάνει τα 600 kW/m 3, και για αέριο καύσιμο είναι διπλάσια.

6. Αναλυτικός υπολογισμός καύσης καυσίμου

Για τους υπολογισμούς χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες αναλογίες και ποσότητες:

1) η αναλογία της ογκομετρικής περιεκτικότητας σε άζωτο προς οξυγόνο σε συνηθισμένο αέρα μη εμπλουτισμένο με οξυγόνο, κ= 3,76;

2) μοριακό βάρος χημικών στοιχείων (για το υδρογόνο είναι περίπου ίσο με 2, για το άζωτο – 28, το οξυγόνο και το θείο – 32 kg/mol).

3) όγκοι αέρα και προϊόντων καύσης υπό κανονικές συνθήκες (θερμοκρασία 0 °C, πίεση 101,3 kPa).

Εξετάστε τη σύνθεση του υγρού καυσίμου:

Με τον Π + ΝΠ + ΟΠ + ΝΠ + S p + A p + W p = 100.

Τα εύφλεκτα συστατικά είναι άνθρακας, υδρογόνο και θείο. Όταν χρησιμοποιείτε ξηρό αέρα, οι αντιδράσεις πλήρους καύσης των συστατικών έχουν τη μορφή:

C + O 2 + kN 2=CO2+kN 2 + Q 1 ;

2H 2 + O 2 + kN 2=2H 2 O + kN 2+ Q 2 ;

S + O 2 + kN 2= ΛΟΙΠΟΝ 2+ kN 2+Q 3 .

Όταν καίγεται 1 mole άνθρακα και θείου, καταναλώνεται 1 mole οξυγόνου. Όταν καίγονται 2 mole υδρογόνου, καταναλώνεται επίσης 1 mole οξυγόνου. Για κάθε mole οξυγόνου, k mole αζώτου εισάγονται στον κλίβανο. Το άζωτο πηγαίνει στα προϊόντα καύσης. Επομένως, για παράδειγμα, όταν καίγεται 1 mole άνθρακα, παράγεται 1 mole διοξειδίου του άνθρακα και 3,76 mole αζώτου. Όταν ο άνθρακας καίγεται χρησιμοποιώντας αυτή την αντίδραση 6βαπελευθερώνεται η ποσότητα θερμότητας Qt. Όταν καίγεται το υδρογόνο, σχηματίζεται η δική του σύνθεση προϊόντων καύσης και απελευθερώνεται διαφορετική ποσότητα θερμότητας.

Η καύση 1 mole άνθρακα απαιτεί 1 kmol οξυγόνου με όγκο 22,4 m 3. Εάν πρέπει να υπολογίσετε την κατανάλωση οξυγόνου ανά 1 kg άνθρακα, τότε ο όγκος 1 kmol οξυγόνου διαιρείται με το μοριακό βάρος του άνθρακα ίσο με 12. Επομένως, 22,4 / 12 = 1,867 m 3 / kg οξυγόνου καταναλώνεται ανά 1 κιλό άνθρακα. Συλλογίζοντας παρομοίως, διαπιστώνουμε ότι η καύση 1 kg υδρογόνου απαιτεί 22,4 / /(2 O2) = 5,5 m 3 οξυγόνου (το προϊόν στον παρονομαστή σημαίνει ότι δύο μόρια υδρογόνου με μοριακό βάρος 2 συμμετέχουν στην αντίδραση καύσης ). Η καύση 1 kg θείου καταναλώνει 22,4 / 32 = 0,7 m 3 οξυγόνου.

Ο λόγος της πραγματικής ροής αέρα προς τη θεωρητικά απαιτούμενη ροή ονομάζεται συντελεστής ροής αέρα:

? = L a /L 0 ,ή L a = ?L 0,

Οπου Λ αΚαι L 0– πραγματικοί και θεωρητικοί ρυθμοί ροής αέρα, m 3 /kg ή m 3 /m 3. Ο συντελεστής κατανάλωσης αέρα εξαρτάται από τον τύπο του καυσίμου, τον σχεδιασμό της συσκευής καύσης καυσίμου (καυστήρα ή ακροφύσιο) και τη θερμοκρασία θέρμανσης του αέρα και του αερίου.

7. Έλεγχος ρυθμού ροής αέρα

Εάν υπάρχει έλλειψη αέρα ή ατελείς συσκευές καύσης καυσίμου, η καύση μπορεί να είναι ατελής.

Η παρουσία εύφλεκτων συστατικών (μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο, μεθάνιο ή μαύρος άνθρακας) στα προϊόντα καύσης προκαλεί χημική ατελή καύση ή, όπως λένε πιο συχνά, χημική υποκαύση του καυσίμου. Το τελευταίο χαρακτηρίζεται από απώλειες θερμότητας ως ποσοστό της χαμηλότερης θερμογόνου δύναμης του καυσίμου.

Όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός ροής του αέρα, τόσο πιο ολοκληρωμένη είναι η διαδικασία καύσης. Ωστόσο, μια αύξηση αυτού του συντελεστή οδηγεί σε αυξημένη κατανάλωση αέρα και σημαντικές απώλειες θερμότητας με τα αέρια που εξέρχονται από τον κλίβανο. Η θερμοκρασία στον κλίβανο μειώνεται, γεγονός που οδηγεί σε επιδείνωση της μεταφοράς θερμότητας στο χώρο εργασίας και αυξημένη οξείδωση των μετάλλων. Ως εκ τούτου, στην πρακτική της λειτουργίας κλιβάνων, προσπαθούν να επιλέξουν τον βέλτιστο ρυθμό ροής αέρα ένα.

Ελεγχος έναπραγματοποιείται με δύο μεθόδους. Χρησιμοποιώντας ένα από αυτά, μετριέται η κατανάλωση καυσίμου και αέρα και προσδιορίζεται το α χρησιμοποιώντας προ-υπολογισμένους πίνακες.Ωστόσο, αυτή η μέθοδος δεν επιτρέπει να λαμβάνεται υπόψη ο αέρας που εισέρχεται στον κλίβανο από τα παράθυρα εργασίας και οι διαρροές στην τοιχοποιία των κλιβάνων. Επομένως, ο ρυθμός ροής αέρα ελέγχεται περιοδικά με βάση τη σύνθεση των προϊόντων καύσης χρησιμοποιώντας αναλυτές αερίων. Η χημική ανάλυση προσδιορίζει την περιεκτικότητα σε RO2, CO, H2, CH4 και O2 στα προϊόντα καύσης και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας τον τύπο του S. G. Troiba προσδιορίζει:

? = 1+ UO 2 καλύβα/ ?RO 2 .

Εδώ περίσσεια O 2 = O 2 – 0,5CO – 0,5H 2 – 2CH 4 είναι η περιεκτικότητα σε περίσσεια οξυγόνου.

RO 2 = RO 2 + CO + CH 4 +…,%;

U– συντελεστής ανάλογα με τον τύπο του καυσίμου.

Για το μαζούτ U= 0,74, για φυσικό αέριο – 0,5.

Ας δούμε παραδείγματα.

Εργο.

Καθορίζω ένα,εάν RO 2 14%, CO 4%, CH 4 0,5%; Η 2 1%, Ο 2 2%.

O 2 g = 2 – 0,5 (4 + 1) – 2 O 0,5 = -1,5%;

RO 2 = 14 + 4 + 0,5 = 18,5%;

ένα= 1 – 0,5 O 1,5 / 18,5 = 0,96.

8. Χρήση ενέργειας

Ορισμένες διατάξεις στον τομέα της θερμικής λειτουργίας κλιβάνων μπορούν να ληφθούν απευθείας από την κλασική θερμοδυναμική των αναστρέψιμων διεργασιών.

Το θερμικό έργο ενός κλιβάνου νοείται ως το σύνολο των θερμικών διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτόν, ο τελικός στόχος των οποίων είναι η ολοκλήρωση μιας ή άλλης τεχνολογικής διαδικασίας.

Ας φανταστούμε έναν κλίβανο ως συνδυασμό ζωνών της τεχνολογικής διαδικασίας ZTP και ζωνών παραγωγής θερμότητας ZHT, που προστατεύονται από το περιβάλλον με τοιχοποιία (επένδυση) Κ. Το υλικό M συγκεντρώνεται στη ζώνη τεχνολογικής διεργασίας. Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, η μπορεί να γραφτεί η ακόλουθη εξίσωση:

Ε ε; K.I.E =Q M + Q k

Οπου Q e– εισαγόμενη ισχύς, W/kg.

? Κ.Ι.Ε– συντελεστής χρήσης ενέργειας εντός του χώρου εργασίας του κλιβάνου·

Q M, Q k– αντίστοιχα, η ισχύς που απορροφά το υλικό Μκαι τοιχοποιία ΠΡΟΣ ΤΗΝ, W/kg.

Όλες οι τιμές στην εξίσωση (1) σχετίζονται με 1 kg μάζας υλικού Μ.

Συντελεστής ενεργειακής χρήσης ? Κ.Ι.Εεξαρτάται κυρίως από το είδος της ενέργειας. Έτσι, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί πλήρως σε θερμότητα που απορροφάται από το υλικό (χρήσιμο) και επομένως η τοιχοποιία ? Κ.Ι.Ε= 1. Όταν χρησιμοποιείται χημική ενέργεια καυσίμου σε φούρνους, ο συντελεστής ενεργειακής χρησιμοποίησης ? Κ.Ι.Επάντα λιγότερο από ένα. Στις σόμπες καυσίμου αυτός ο συντελεστής ονομάζεται συντελεστής χρήσης θερμότητας? ΕΡΓΑΛΕΙΟΘΗΚΗΟ συντελεστής χαρακτηρίζει τη σημαντικότερη έννοια της ενεργειακής απόδοσης υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Γενικά, η τιμή του bkie μπορεί να γραφτεί ως εξής:

? Κ.Ι.Ε= (Q e – Ε; ε)/Q ε=1 – Ε; e/Q e,

Οπου Ε3– ισχύς, η οποία με τη μορφή χημικής και φυσικής θερμότητας της αέριας φάσης υπερβαίνει τον χώρο εργασίας του κλιβάνου, W/kg.

Μέγεθος ? Κ.Ι.Εκαθορίζεται, αφενός, από την πληρότητα της καύσης καυσίμου σε ένα δεδομένο συντελεστή κατανάλωσης οξυγόνου, δηλαδή από την ταχύτητα ανάμειξης καυσίμου και οξυγόνου και, επομένως, από την τελειότητα των διαδικασιών μεταφοράς μάζας. Από την άλλη, η αξία ? Κ.Ι.Εεξαρτάται από τη θερμοκρασία των αερίων που εξέρχονται από τον κλίβανο, δηλαδή από την τελειότητα των διαδικασιών ανταλλαγής θερμότητας.

Η απόδοση της θερμότητας και της χημικής ενέργειας εξαρτάται από τις δεδομένες συνθήκες της τεχνολογικής διαδικασίας και την οργάνωση των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας και μάζας και επομένως αντιπροσωπεύει μια τιμή της οποίας η τιμή δεν μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τη θερμοδυναμική των αναστρέψιμων διεργασιών, καθώς σχετίζεται με την κινητική του μεταφορά θερμότητας και μάζας.

9. Θερμοκρασία και θερμικές συνθήκες

Η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος αποτελείται από κινητικές και δυνητικές ενέργειες. Κινητική ενέργεια– η ενέργεια της τυχαίας κίνησης των ατόμων και των μορίων, η δυναμική ενέργεια – η ενέργεια της αμοιβαίας έλξης και απώθησής τους.

Σύμφωνα με την κινητική θεωρία των αερίων (νόμος Maxwell-Boltzmann), η θερμοδυναμική έννοια της θερμοκρασίας ισορροπίας για ένα ιδανικό αέριο μπορεί να αποκρυπτογραφηθεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση:

T=2NEn/3R= Nmw n 2 / 3R,

Οπου Ε σελ– ενέργεια nσωματίδια με μάζα m σε ένα στενό εύρος των ταχυτήτων τους.

Ν– Ο αριθμός του Avogadro.

R– σταθερά αερίου.

Η ενεργός θερμοκρασία είναι μια ορισμένη υπό όρους (μειωμένη) θερμοκρασία του θερμαντικού τμήματος του κλιβάνου, στην οποία η ίδια πυκνότητα ροής θερμότητας ακτινοβολίας στην επιφάνεια θέρμανσης εξασφαλίζεται μόνο από το θερμαντικό τμήμα του κλιβάνου, το οποίο υπάρχει στην πραγματικότητα στον κλίβανο υπό αμφισβήτηση.

Οι πραγματικές θερμοκρασίες της φλόγας (θερμαντήρας) και της εσωτερικής επιφάνειας της επένδυσης εξαρτώνται από τη θερμοκρασία της επιφάνειας θέρμανσης και την παραγωγή θερμότητας και, γενικά, επίσης από τη θέση στον κλίβανο και την ώρα. Αλλαγές σε αυτές τις τιμές σε όλο το μήκος του κλιβάνου και με την πάροδο του χρόνου T = f(l, t) χαρακτηρίζει το καθεστώς θερμοκρασίας του κλιβάνου.

Η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται, εκφρασμένη σε watt, ονομάζεται θερμική ισχύς Q T.M. . Σε σταθερή λειτουργία, η θερμική ισχύς είναι μια σταθερή τιμή που δεν εξαρτάται από το χρόνο ( Q T.M. = const). Σε μη σταθερή λειτουργία Q T.M. = φά(t). Ο λόγος της μέγιστης θερμικής ισχύος προς τη μέση ισχύ ονομάζεται μερικές φορές παράγοντας ενίσχυσης:

Φ = ( Q T.M.) μέγ. /( QΤ.Μ.) cp

Αν χρησιμοποιήσουμε Dt για να δηλώσουμε τη διάρκεια μιας τεχνολογικής λειτουργίας:

(Ερ T.M. ) av = Q? / ? t.

Συνδυασμοί θερμοκρασίας και θερμικών καθεστώτων.

1. Σχεδόν σταθερή θερμοκρασία και θερμικές συνθήκες με την πάροδο του χρόνου

(T n (t) = const; Q T.M. (r) = const).

2. Μεταβλητή θερμοκρασία και σταθερά θερμικά καθεστώτα με την πάροδο του χρόνου

(T n (t) = const; Q T.M. (t) = const).

3. Χρονικά μεταβλητή θερμοκρασία και θερμικά καθεστώτα

(T n (t) = const; Q T.M. (t) = const), για παράδειγμα φρεάτια θέρμανσης για πλινθώματα.

4. Χρονοσταθερή θερμοκρασία και μεταβλητά θερμικά καθεστώτα

(T n (t) = const; Q T.M. (t) = const).

10. Ισορροπία θερμότητας. Εισερχόμενα στοιχεία ισολογισμού

Μερικές φορές ονομάζεται ισοζύγιο θερμότητας που συντάσσεται σε σύντομες χρονικές περιόδους στιγμή. Άμεση ανάθεση υπολοίπου– αποσαφήνιση της δυναμικής της κατανάλωσης ενέργειας για την τεχνολογική διαδικασία, εάν η διεργασία λαμβάνει χώρα σε μη στάσιμες θερμικές συνθήκες (φούρνοι παρτίδας).

Για κλιβάνους παρτίδας, η συλλογή των ισοζυγίων θερμότητας διαφέρει στο ότι όλα τα στοιχεία του ισοζυγίου θερμότητας αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου (για συνεχείς φούρνους είναι σταθερά με την πάροδο του χρόνου), επομένως, κατά τη σύνταξη ενός ισοζυγίου για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο, πρέπει να λάβετε μέσες τιμές για την καθορισμένη περίοδο. Το δεύτερο χαρακτηριστικό είναι η παρουσία στο αντικείμενο απώλειας θερμότητας ενός εξαρτήματος για συσσώρευση θερμότητας από τοιχοποιία Qakk, το οποίο μπορεί να έχει διαφορετικό πρόσημο: θετικό όταν αυξάνεται η θερμοκρασία στον κλίβανο και αρνητικό όταν μειώνεται κατά την τεχνολογική διαδικασία.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι εξισώσεις του ισοζυγίου θερμότητας επιλύονται σε σχέση με την κατανάλωση καυσίμου Β.

Αντίστροφα ισοζύγια θερμότητας, συμπεριλαμβανομένων των στιγμιαίων, χρησιμοποιούνται συνήθως κατά τη μελέτη λειτουργίας κλιβάνων. Οι εξισώσεις αντίστροφου ισοζυγίου θερμότητας συνήθως λύνονται σε σχέση με τη χρήσιμη θερμότητα Qm και χρησιμοποιούνται για την εύρεση της με βάση πειραματικούς προσδιορισμούς όλων των άλλων στοιχείων του ισοζυγίου.

Κατά τη σύνταξη ενός ισοζυγίου θερμότητας, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι όλες οι ποσότητες εισόδου και εξόδου που χρησιμοποιούνται στο ισοζύγιο θερμότητας λαμβάνονται για τα όρια εκείνου του τμήματος του αντικειμένου για το οποίο συντάσσεται το ισοζύγιο θερμότητας. Για να αποφύγετε πιθανά σφάλματα στην επιλογή μιας τιμής για την κατάρτιση ισορροπίας θερμότητας, είναι βολικό να χρησιμοποιήσετε το διάγραμμα του αντίστοιχου αντικειμένου. Είναι απαραίτητο να σχεδιάσετε βοηθητικά περιγράμματα σε αυτό το διάγραμμα που τέμνουν τις γραμμές ροής υλικού σε κατάλληλα σημεία.

Τα στοιχεία του ισοζυγίου μπορούν να εκφραστούν σε ποσότητα θερμότητας σε joule για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο ή σε αντίστοιχες τιμές θερμικής ισχύος.

Εισερχόμενα στοιχεία ισολογισμού

1. Χημική ενέργεια καυσίμου Q XT ή ηλεκτρική ενέργεια Q e. Αν ΣΕ– κατανάλωση καυσίμου, kg/s ή m 3/s, και Q p H – η θερμότητα καύσης του, τότε:

Q XT = ΣΕ Q p H

2. Θερμότητα που εισάγεται από θερμαινόμενο καύσιμο, Q FT.

3. Η προκύπτουσα θερμική επίδραση των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της τεχνολογικής διαδικασίας, Q TECHN. Εάν η επίδραση είναι αρνητική, τότε αυτό το στοιχείο μεταφέρεται στο σκέλος των εξόδων του ισολογισμού.

4. Η θερμότητα που εισάγεται από τον αέρα που εισάγεται για την καύση καυσίμου για τεχνολογικούς σκοπούς, Q PV, in.

5. Θερμότητα που εισάγεται από θερμαινόμενα στερεά και υγρά υλικά φορτίου, Q FM.

11. Στοιχεία εξόδων ισολογισμού

1. Θερμότητα στερεών και υγρών προϊόντων της τεχνολογικής διαδικασίας Q FP

2. Θερμότητα των καυσαερίων (χημικών και φυσικών), συμπεριλαμβανομένων των αερίων προϊόντων της τεχνολογικής διεργασίας και του αέρα που αναρροφάται από την ατμόσφαιρα, Q yx.

3. Απώλειες θερμότητας (συνολικά) από μηχανική υποκαύση μέσω της τοιχοποιίας (θερμική αγωγιμότητα και συσσώρευση), ακτινοβολία μέσω οπών με νερό ψύξης Q ιδρώτα.

Συνοψίζοντας τα εισερχόμενα και εξερχόμενα στοιχεία του ισολογισμού, εξισώνοντας αυτά τα ποσά, λαμβάνουμε μια εξίσωση ισοζυγίου θερμότητας που ισχύει εξίσου για οποιαδήποτε κατηγορία και τύπο κλιβάνου και, φυσικά, μπορεί να μην υπάρχουν όλα τα στοιχεία σε κάθε συγκεκριμένο ισοζύγιο:

Q XT + Q ee + Q FT ± Q TECH + Q FB + Q FM = Q FP + Q yx + Q ιδρώτας

Η δεξιά πλευρά της εξίσωσης αντιπροσωπεύει τη χρήσιμη θερμότητα qm και η αριστερή πλευρά δείχνει την έκφρασή της μέσω θερμοτεχνικών μεγεθών, τα οποία είναι σχετικά εύκολο να μετρηθούν σε πρακτικές συνθήκες.

Ο λόγος της χρήσιμης θερμότητας προς τη θερμότητα που λαμβάνεται με το καύσιμο και τον αέρα ονομάζεται συντελεστής ωφέλιμης χρήσης θερμότητας:

? KPT =Q M /(Q XT + Q FT + Q FB).

Αυτή η τιμή είναι παρόμοια με την απόδοση, μια έννοια που χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της απόδοσης μηχανών και μηχανισμών. Ο συντελεστής χρήσης χρήσιμης θερμότητας χαρακτηρίζει την απόδοση της θερμικής λειτουργίας του κλιβάνου και σας επιτρέπει να συγκρίνετε την ενεργειακή απόδοση διαφορετικών κλιβάνων. Ας υποθέσουμε ότι οι αριθμοί νερού W (ο αριθμός νερού W είναι ίσος με το γινόμενο της θερμοχωρητικότητας και του ρυθμού ροής μάζας) των προϊόντων καύσης και των αρχικών ουσιών (καύσιμο και αέρας) της καύσης είναι ίσοι, στη συνέχεια αντικαθιστώντας qyxστην εξίσωση του ισοζυγίου θερμότητας και διαιρώντας με W, έχουμε:

Οπου ? φάλαινα. – συντελεστής απόδοσης καυσίμου·

Οπου T theor iT f theor– θεωρητική θερμοκρασία καύσης του καυσίμου χωρίς και λαμβάνοντας υπόψη τη φυσική θερμότητα του καυσίμου και τον αέρα καύσης· Т agr х – θερμοκρασία των καυσαερίων από τη μονάδα.

Εφόσον η Τ αγρ. ε και Ο μέσα. Ο ιδρώτας είναι σχετικά χαμηλός, στο βαθμό που η θεωρητική θερμοκρασία καύσης κατά τη θέρμανση του αέρα λόγω της θερμότητας των καυσαερίων εξαρτάται (σε ​​μια δεδομένη θεωρητική θερμοκρασία καύσης του καυσίμου στον ψυχρό αέρα) από τον συντελεστή χρήσης θερμότητας στον χώρο εργασίας του κλιβάνου:

12. Θερμοδυναμικές αρχές ανάλυσης και σχεδιασμού κλιβάνων

Η ανάλυση της λειτουργίας των κλιβάνων από την άποψη της θερμοδυναμικής καθιστά δυνατή τη θέσπιση ορισμένων γενικών διατάξεων που χαρακτηρίζουν τα τελικά αποτελέσματα της λειτουργίας των κλιβάνων.

Η εφαρμογή του πρώτου και του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής μας επιτρέπει να αξιολογήσουμε τα ενεργειακά αποτελέσματα μόνο της ολοκληρωμένης διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας ή καθορισμένων στοιχείων μιας τέτοιας διαδικασίας και ταυτόχρονα δεν μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε την παραγωγικότητα των θερμικών συσκευών και ειδικότερα, φούρνοι.

Η αξιολόγηση ενέργειας μας επιτρέπει να κρίνουμε την πληρότητα της χρήσης ενέργειας σε μια δεδομένη θερμική συσκευή και δεν λέει τίποτα για την απόδοση της μεταφερόμενης ενέργειας. Αντίθετα, η αξιολόγηση της εξεργίας καθιστά δυνατό να κρίνουμε τις μη αναστρέψιμες απώλειες ενέργειας, τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της μεταφερόμενης ενέργειας και δεν μας επιτρέπει να κρίνουμε την πληρότητα της χρήσης ενέργειας σε μια δεδομένη συσκευή.

Για την ίδια κατανάλωση ενέργειας, η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας είναι, καταρχήν, πιο αποτελεσματική, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του μέσου που δέχεται τη θερμότητα, αφού η απόσβεση της ενέργειας είναι μικρότερη. Με την ίδια εξέργεια του θερμαντικού μέσου, η κατανάλωση ενέργειας στη θερμική συσκευή επιδεινώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία της επιφάνειας θέρμανσης που απαιτείται για τεχνολογικούς λόγους. Όσο υψηλότερη είναι η απαιτούμενη θερμοκρασία της επιφάνειας θέρμανσης, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η εξέργεια του θερμαντικού μέσου και τόσο υψηλότερες είναι οι απαιτήσεις για την ποιότητα του καυσίμου και τις συνθήκες για την καύση του. Αντίθετα, σε χαμηλή θερμοκρασία της επιφάνειας θέρμανσης ή του θερμαινόμενου μέσου, η χρήση θερμαντικού μέσου με υψηλή εξέργεια είναι αδύνατη, αφού η διαδικασία της ενεργειακής απόσβεσης εξακολουθεί να συμβαίνει.

Οι φούρνοι υπολογίζονται και σχεδιάζονται για να επιτυγχάνουν την υψηλότερη δυνατή ενεργειακή απόδοση ? κκαι ε.

Για να πάρει το μέγιστο ? φάλαινα agregate ? Το κιτ χώρου εργασίας πρέπει να έχει κάποια βέλτιστη, αλλά όχι μέγιστη, τιμή.

Αξιολόγηση καυσίμων με υπολογισμό πιθανών τιμών ? φάλαινα. μονάδα υπό διάφορες συνθήκες καύσης καυσίμου είναι πολύ σημαντική για το σχεδιασμό των κλιβάνων και την καθιέρωση ορθολογικών τρόπων λειτουργίας τους.

13. Απαιτήσεις για τον πυρσό των κλιβάνων ανοιχτής εστίας

Αεροδυναμικά περιγράμματα– αυτή είναι η γεωμετρική θέση των σημείων όπου οι ταχύτητες του πίδακα πλησιάζουν το μηδέν. Τα περιγράμματα καύσης καθορίζονται από την ποσότητα της χημικής υποκαύσης του καυσίμου, ενώ η διαμήκης συντεταγμένη που αντιστοιχεί στο μήκος του περιγράμματος καύσης είναι το μήκος της φλόγας L f.

Για να διευκολυνθεί η μαθηματική περιγραφή των διαδικασιών καύσης σε έναν πυρσό και ο υπολογισμός τους, είναι σκόπιμο να οριστεί κάποια ελάχιστη τιμή υποκαύσης, η οποία θα χαρακτηρίζει το περίγραμμα του φακού και το μήκος του. Για να ενοποιηθεί αυτό το μέγεθος, το ποσοστό θα πρέπει να είναι 0,5% CO ή η αντίστοιχη τιμή q 3.Για καύσιμα υψηλής θερμιδικής αξίας (όπως μαζούτ, φυσικά αέρια φούρνου και οπτάνθρακα) η τιμή του 0,5% CO στα προϊόντα καύσης έναΤο =1 αντιστοιχεί σε απώλεια θερμότητας q ζ =1,3-1,8%. Επομένως, για να εκτιμηθεί το μήκος της φλόγας αυτών των καυσίμων, μπορεί να ληφθεί μια τιμή περίπου 2% (λαμβάνοντας υπόψη μια ορισμένη ποσότητα υδρογόνου στα προϊόντα καύσης).

Μήκος φακού.Κατά κανόνα, ένας φούρνος με ανοιχτή εστία απαιτεί έναν κοντό φακό. Κατά τη διάρκεια της περιόδου πλήρωσης, το ορατό τμήμα του πρέπει να καταλήγει περίπου στο μέσο του χώρου εργασίας του κλιβάνου και κατά την περίοδο τελικής επεξεργασίας συνιστάται να επιμηκύνεται ο φακός έτσι ώστε να καταλαμβάνει τα 3/4 του μήκους του λουτρού. Αλλά είναι πάντα απαραίτητο το τελευταίο παράθυρο πλήρωσης κατά μήκος της διαδρομής του φακού να είναι καθαρό και να μην υπάρχουν σημάδια καύσης καυσίμου.

Σχήμα πυρσού.Σε φούρνους ανοιχτής εστίας, το σχήμα του πυρσού είναι υψίστης σημασίας. Είναι απαραίτητο να είναι επίπεδο - να καλύπτει την μπανιέρα χωρίς να αγγίζει πιθανώς τους μπροστινούς και πίσω τοίχους και να βρίσκεται όσο το δυνατόν πιο μακριά από την κύρια καμάρα, δηλαδή, σύμφωνα με οπτικές παρατηρήσεις, να είναι λεπτή και χωρίς προεξοχές. Αυτό το είδος πυρσού συνήθως ονομάζεται επίπεδο και σκληρό.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο χρειάζονται ειδικά ακροφύσια για τη θέρμανση των κλιβάνων ανοιχτής εστίας. Η γωνία κλίσης του ακροφυσίου προς τον καθρέφτη του μπάνιου θα πρέπει να επιλέγεται έτσι ώστε να διασφαλίζεται το απαιτούμενο σχήμα του φακού και να μην εμφανίζεται υπερβολική η παραμόρφωσή του.

Το μέγεθος του πυρσού και το σχήμα του κρίνονται συχνά από την τοπογραφία της καταστροφής της τοιχοποιίας των κλιβάνων ανοιχτής εστίας (θόλος και τοίχοι). Κατά κανόνα, η τοπική καταστροφή συμβαίνει κατά μήκος του περιγράμματος της δάδας.

Χαρακτηριστικά ταχύτητας.Φυσικά, για να εξασφαλιστεί η επιπεδότητα και η ακαμψία του φακού, τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά του πρέπει να είναι αρκετά υψηλά, δηλαδή η αρχική ταχύτητα εκροής του πίδακα από το ακροφύσιο και η ταχύτητα διαστολής του πυρσού κοντά στο λουτρό σε όλο το μήκος του πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε ο πυρσός να μην ξεχωρίζει από το λουτρό και σηκώνοντάς τον στην καμάρα.

Τα χαρακτηριστικά ταχύτητας καθορίζουν τόσο το μήκος του φακού όσο και την οξειδωτική του ικανότητα. Επιπλέον, αντικατοπτρίζουν τον βαθμό της άμεσης μηχανικής πρόσκρουσης του φακού στο λουτρό του κλιβάνου, ο οποίος είναι απαραίτητος για τη μείωση του αφρισμού και τη βελτίωση του βρασμού του λουτρού.

14. Οξειδωτική ικανότητα, χαρακτηριστικά ακτινοβολίας του πυρσού

Οξειδωτική ικανότητα.Η ροή των διεργασιών που είναι πολύ σημαντικές για την τεχνολογία, ιδίως η διαδικασία της οξείδωσης του άνθρακα, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την οργάνωση του πυρσού σε έναν κλίβανο ανοιχτής εστίας. Οι διαδικασίες οξείδωσης των ακαθαρσιών του λουτρού καθορίζονται κυρίως από διαδικασίες μεταφοράς μάζας, όπως φαίνεται στην τεχνική βιβλιογραφία.

Για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας στον χώρο εργασίας των κλιβάνων ανοιχτής εστίας (ειδικά εκείνων μεγάλης κλίμακας που λειτουργούν με υγρό χυτοσίδηρο), είναι απαραίτητο να ληφθούν όλα τα μέτρα για την επιτάχυνση της υλοποίησης της χημικής ενέργειας των ακαθαρσιών του μπάνιου και της μετακαύσης του μονοξειδίου του άνθρακα. απευθείας στην επιφάνεια του λουτρού. Αυτή η διαδικασία είναι αυτοεπιταχυνόμενη: η δημιουργία συνθηκών για έντονη καύση διασφαλίζει το βρασμό του λουτρού, το οποίο με τη σειρά του προάγει τη μεταφορά θερμότητας και οξυγόνου από την ατμόσφαιρα του κλιβάνου στο λουτρό. Επομένως, οποιαδήποτε βελτίωση στην παροχή αέρα που θερμαίνεται στους αναγεννητές στην επιφάνεια του λουτρού δημιουργεί συνθήκες για την επιτάχυνση της τήξης. Η μεταφορά μάζας μπορεί να ενταθεί δημιουργώντας έναν σύντομο και κατευθυνόμενο πυρσό και χρησιμοποιώντας ενισχυτές. Δεν πρέπει να ξεχνάμε την ανάγκη για σωστή κατανομή της θερμότητας και του οξειδωτικού στην επιφάνεια του λουτρού, έτσι ώστε το λουτρό να βράζει ομοιόμορφα και χωρίς να αφρίζει η σκωρία. Αυτή η απαίτηση μπορεί να ικανοποιηθεί με την επιλογή ενός φακού κατάλληλου μήκους και την εξασφάλιση ορισμένων χαρακτηριστικών ακτινοβολίας του, κάτι που, φυσικά, είναι αδύνατο χωρίς μέσα ελέγχου του φακού.

Χαρακτηριστικά ακτινοβολίας.Ο πυρσός ενός κλιβάνου ανοιχτής εστίας πρέπει να είναι φωτεινός, δηλαδή να έχει τον υψηλότερο δυνατό βαθμό μαύρου χρώματος (σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία). Αυτή η αρχή, που δεν αμφισβητείται σε πρακτικές συνθήκες, έχει αμφισβητηθεί θεωρητικά κατά καιρούς, ξεκινώντας από τα έργα του E. K. Wensthrom. Ωστόσο, κάθε φορά τα αποτελέσματα της έρευνας και η εμπειρία λειτουργίας των κλιβάνων διαψεύδουν τέτοιες αμφιβολίες, όπως, για παράδειγμα, συνέβη πρόσφατα κατά τη μετατροπή των κλιβάνων ανοιχτής εστίας σε θέρμανση με φυσικό αέριο και τη λειτουργία τους με ελαφρύ μαζούτ. Είναι προφανές ότι στο συνδυασμό των δύο τελευταίων απαιτήσεων για ένα φακό ("κοντό" και ταυτόχρονα "φωτεινό"), υπάρχει μια ορισμένη αντίφαση, καθώς όσο πιο γρήγορα συμβαίνουν οι διαδικασίες ανάμειξης καυσίμου με αέρα και οι διαδικασίες καύσης, τόσο λιγότερο δημιουργούνται ευκαιρίες για την απελευθέρωση ανθρακούχων ενώσεων.σωματίδια που παρέχουν τη φωτεινότητα του πυρσού.

Η θεωρητική έρευνα είναι ακριβώς για να βοηθήσει τους σχεδιαστές και τους εργαζόμενους στην παραγωγή να βρουν τον πιο αποτελεσματικό φακό. Δεδομένου ότι η ένταση των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας και μάζας και η διάρκεια ζωής του κλιβάνου καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από το μήκος του πυρσού, οι ερευνητές αναζητούσαν κυρίως μια απάντηση στο πιο σημαντικό ερώτημα: ποιο είναι το μήκος του φακού και από ποιους παράγοντες εξαρτάται.

15. Θερμομηχανικές μελέτες κλιβάνων ανοιχτής εστίας

Κατά την αναζήτηση νέων μεθόδων θέρμανσης κλιβάνων ανοιχτής εστίας με μαζούτ, πραγματοποιήθηκαν μελέτες θερμικής μηχανικής και μελετήθηκε η συμπεριφορά του θείου στον χώρο εργασίας του κλιβάνου. Μελετήθηκαν φούρνος πετρελαίου αερίου, φούρνοι θερμαινόμενοι με μαζούτ ψεκασμένο στον χώρο εργασίας του και κλίβανοι θερμαινόμενοι με αεριοποιημένο μαζούτ.

Κατά τη διεξαγωγή μελετών θερμικής μηχανικής, οι κλίβανοι θερμάνονταν κυρίως με ελαφριά καύσιμα χαμηλού ιξώδους που προέρχονταν από διυλιστήρια πετρελαίου του Νότου. Κατά την περίοδο τελικής επεξεργασίας, όλοι οι φούρνοι διατήρησαν το ίδιο θερμικό φορτίο: η κατανάλωση μαζούτ ήταν 2400 kg/h και k = 1,3.

Για τον έλεγχο της πληρότητας της εναπόθεσης αιθάλης, τοποθετήθηκε ένα απορροφητικό φίλτρο μαλλιού πίσω από το κύριο φίλτρο υαλοβάμβακα.

Η θερμοκρασία του αερίου στο άνοιγμα αερίου (σε απόσταση 150 mm πριν το αέριο εξέλθει από το κισσόνι) μετρήθηκε με ένα θερμοστοιχείο ξιφολόγχης βολφραμίου-ραμμολυβδαινίου τοποθετημένο σε ένα υδρόψυκτο περίβλημα. Η διασταύρωση εργασίας του θερμοστοιχείου προστατεύτηκε από μια άκρη χαλαζία.

Η μελέτη των ιδιοτήτων ακτινοβολίας των πυρσών ξεκίνησε με τη μέτρηση των θερμοκρασιών ακτινοβολίας του φακού και της τοιχοποιίας σε όλο το μήκος του χώρου εργασίας του κλιβάνου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήσαμε πυρόμετρα ολικής ακτινοβολίας RAPIRA με τηλεσκόπια TERL-50. Πέντε πυρόμετρα εγκαταστάθηκαν μόνιμα και κατευθύνθηκαν στον πυρσό μέσω υδρόψυκτων σωλήνων που είναι εγκατεστημένοι στο πίσω τοίχωμα του κλιβάνου. Η εγκατάσταση πυρόμετρων στο πίσω τοίχωμα του κλιβάνου κατέστησε δυνατή τη διεξαγωγή πειραμάτων σε όλη τη διαδικασία τήξης.

Για τη μέτρηση των ροών θερμότητας χρησιμοποιήθηκε ένας θερμικός αισθητήρας VNIMT, ο οποίος εισήχθη στον χώρο εργασίας του κλιβάνου μέσω των ματιών των παραθύρων φόρτισης.

Για μια πληρέστερη μελέτη των χαρακτηριστικών ακτινοβολίας των πυρσών, προσδιορίστηκαν οι βαθμοί μαύρης τους και οι θερμοκρασίες Schmidt. Ποσότητες vfκαθορίζεται σε τέσσερα σημεία κατά μήκος του χώρου εργασίας του κλιβάνου.

Οι ροές θερμότητας μετρήθηκαν με ένα πυρόμετρο ακτινοβολίας οξείας γωνίας.

Κατά τη βαθμονόμηση του ακραίου ραδιομέτρου, ταυτόχρονα με τον προσδιορισμό των τιμών της στιγμής απενεργοποίησης του μαζούτ, ελήφθησαν δείγματα αερίου από τον χώρο εργασίας του κλιβάνου. Η χημική ανάλυση αυτών των δειγμάτων έδειξε ότι τα απορροφητικά συστατικά της ατμόσφαιρας του κλιβάνου δεν μπορούν να έχουν αξιοσημείωτη επίδραση στα αποτελέσματα βαθμονόμησης (περιεκτικότητα σε CO 2<0,1%).

Η φύση της εξάρτησης των TC και PM από τις μετρήσεις του ραδιομέτρου αποδείχθηκε ότι ήταν περίπου η ίδια για όλους τους κλιβάνους που μελετήθηκαν.

16. Μελέτη των χαρακτηριστικών ακτινοβολίας του πυρσού

Θερμοκρασία καύσης πυρσού:

Οπου L R f.k.–μήκος φλόγας M;

Χ– περιεκτικότητα σε υγρασία του μαζούτ, kg/kg.

Λαμβάνεται με θέρμανση κλιβάνων με αεριοποιημένο μαζούτ.

Σε φούρνους που θερμαίνονται με αεριοποιημένο μαζούτ, επιτυγχάνονται υψηλές τιμές wf. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την έντονη εκπομπή αιθάλης κατά την οξειδωτική πυρόλυση του μαζούτ, καθώς και από το μεγαλύτερο πάχος του στρώματος ακτινοβολίας του φακού. Στο πρώτο μισό του χώρου εργασίας του κλιβάνου, ο βαθμός εκπομπής είναι στην περιοχή e f = 0,7-0,95 και ποικίλλει σχετικά λίγο κατά το μήκος του φακού. Κοντά στο μέσο του χώρου εργασίας, η ef μειώνεται απότομα και στο τέλος φτάνει τις χαμηλότερες τιμές της ( e f = 0,13-0,18).

Μια σαφώς αξιοσημείωτη επίδραση του τύπου του μαζούτ στα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας του πυρσού παρατηρήθηκε σε έναν κλίβανο πετρελαίου με δύο κανάλια. Η αύξηση του ιξώδους του μαζούτ συνοδεύτηκε από αύξηση των τιμών e f σε όλο το μήκος του κλιβάνου. Έτσι, όταν χρησιμοποιείτε μαζούτ βαθμού 40 έναντι του δεύτερου παραθύρου πλήρωσης κατά μήκος της λάμψης, η τιμή είναι e f = 0,67 και κατά την καύση μαζούτ βαθμού 80 e f = 0,76. Καθώς αυξανόταν ο αριθμός βαθμού μαζούτ, αυξήθηκε και η μεταφορά θερμότητας.

Η ανθεκτικότητα του κλιβάνου σχετίζεται επίσης με το ιξώδες του μαζούτ, αφού καθώς αυξανόταν το ιξώδες, η μέγιστη θερμοκρασία φλόγας στο τέλος του χώρου εργασίας μειώθηκε.

Σύμφωνα με οπτικές παρατηρήσεις, όταν θερμαίνεται ένας φούρνος με καύσιμο υψηλού ιξώδους, η φωτεινότητα του φακού διατηρείται μέχρι τα 2/3 του μήκους του χώρου εργασίας, η σκωρία αφρίζει σημαντικά λιγότερο και το μέταλλο θερμαίνεται πιο γρήγορα.

Κατά τη θέρμανση ενός κλιβάνου δύο καναλιών με καύσιμο πετρελαίου ποιότητας 80, χρησιμοποιήθηκε ως ψεκασμός υπέρθερμος ατμός υπό πίεση 11 atm και πεπιεσμένος αέρας υπό πίεση 5,5-6,0 atm. Στην περίπτωση ψεκασμού του μαζούτ με αέρα συμπιεστή, παρατηρήθηκε ελαφρά αύξηση του βαθμού μαυρότητας του φακού, καθώς και q fc.

Τα αποτελέσματα των μελετών της θερμικής λειτουργίας των κλιβάνων μας επιτρέπουν να εξαγάγουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα:

1) η σύνθεση και η θερμοκρασία του μισού αερίου μαζούτ καθορίζονται από την τιμή του συντελεστή κατανάλωσης πρωτογενούς αέρα κατά την αεριοποίηση του μαζούτ. Η βέλτιστη τιμή του είναι 1 περίπου 0,4.

2) όταν χρησιμοποιείτε λιπαντικά ελαφρού και χαμηλού ιξώδους, οι υψηλότερες τιμές ροών θερμότητας που προσπίπτουν στο λουτρό και η απορρόφηση θερμότητας του λουτρού, η υψηλότερη τιμή στη ρίζα του πυρσού και στο πρώτο μισό του κλιβάνου, και οι χαμηλότερες τιμές κοντά στην κεφαλή καθαρισμού λήφθηκαν για φούρνους που θερμαίνονται με αεριοποιημένο μαζούτ.

3) όταν καίγεται βαρύ μαζούτ, η διαφορά είναι τόσο σε απόλυτες όσο και σε σχετικές τιμές.

17. Βασικές θερμοδυναμικές παράμετροι της κατάστασης αερίου

Πίεση

R– μέτρο δύναμης που δρα σε μοναδιαία επιφάνεια:

R= lim ?Fn / ?S = dFn/ dS,

όπου DS -> 0; ?Fn – δύναμη που κατευθύνεται κάθετα στην επιφάνεια.

Συγκεκριμένη ένταση

V– το αντίστροφο της πυκνότητας rουσίες:

v = 1 / r = dV / dm,

Οπου dV– απειροελάχιστο στοιχείο όγκου.

dm– μάζα της ουσίας.

ΕΛΙΑ δερματος

Η ποσότητα μιας ουσίας που περιέχει έναν αριθμό μορίων ίσο με τον αριθμό των ατόμων που περιέχονται σε 12 g του ισοτόπου άνθρακα 12 C ονομάζεται προσευχόμαστε.

Ο αριθμός του Avogadro

Ν Α= 6,02 h 10 23 mol -1. Η τιμή που απαιτείται για τους υπολογισμούς. Δείχνει πόσα μόρια περιέχονται σε ένα μόριο οποιασδήποτε ουσίας.

Μοριακή μάζα

Μ– μάζα ενός μορίου:

M = N A m x 1a. τρώω,

Οπου Ν Α– Ο αριθμός του Avogadro.

Μ- μοριακή μάζα.

Μοριακή μάζα [M] = kg/mol και μοριακός όγκος = m 3 /mol.

Όγκος ενός mol – μοριακός όγκος:

V M = M / r

Οπου Μ- μοριακή μάζα;

r– πυκνότητα της ουσίας.

Οι τύποι για τον προσδιορισμό του αριθμού των μορίων μιας ουσίας και του αριθμού των μορίων μιας ουσίας είναι οι εξής:

u= m /M= V/ V M ,

N = uN A = (m / M)NA = (V/ V M)N A .

Θερμοκρασία

Συνηθίζεται να λαμβάνεται η μέση κινητική ενέργεια της μεταφορικής κίνησης των μορίων ως μέτρο της θερμοκρασίας. Εάν δύο σώματα σε επαφή δεν ανταλλάσσουν ενέργεια μέσω της ανταλλαγής θερμότητας, μπορούμε να πούμε ότι αυτά τα σώματα έχουν την ίδια θερμοκρασία και υπάρχει θερμική ισορροπία στο σύστημα.

18. Σωματικές καταστάσεις. Θερμοδυναμικό σύστημα. Αδιαβατική διαδικασία

Υπάρχουν τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης: στερεά, υγρή και αέρια.

Εάν οι παράμετροι του συστήματος δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, τότε μπορούμε να μιλήσουμε για θερμοδυναμική ισορροπία του συστήματος.

Ένα σύνολο σωμάτων και πεδίων που μπορούν να ανταλλάξουν ενέργεια όχι μόνο μεταξύ τους, αλλά και με το εξωτερικό περιβάλλον ονομάζεται θερμοδυναμικό σύστημα. Εάν συμβεί μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα, τότε μπορούμε να μιλήσουμε για εργασία που γίνεται από αυτό το σύστημα και για ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ τμημάτων του συστήματος.

Παράμετροι θερμοδυναμικής κατάστασης

Πίεση, θερμοκρασία, πυκνότητα, συγκέντρωση, όγκος του συστήματος είναι θερμοδυναμικές παράμετροι της κατάστασης.

Μια διαδικασία κατά την οποία δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του συστήματος και του εξωτερικού περιβάλλοντος ονομάζεται αδιαβατικός.Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής στο dQ =Το 0 μοιάζει με αυτό:

C v dT + PdV= 0,

και όταν λαμβάνεται υπόψη dT= (PdV + VdP) / R

dP/ Π= -gdV/ V,

Οπου σολ– αδιαβατικός δείκτης.

R- πίεση

V- Ενταση ΗΧΟΥ.

Αυτή η εξίσωση έχει μια λύση με τη μορφή:

PV g= συνθ.

Λέγεται Η εξίσωση του Poisson.Λαμβάνοντας υπόψη την εξίσωση Mendeleev-Clayperon, η εξίσωση Poisson θα μοιάζει με:

Tv g-1 = const,

Τ g p 1-g = συνεχ.

Οι εξισώσεις του Poisson περιγράφουν οιονεί στατικές αδιαβατικές διεργασίες. Η αδιαβατική συμπίεση προκαλεί τη θέρμανση του αερίου· στην περίπτωση της αδιαβατικής διαστολής, ψύχεται.

Σε αντίθεση με μια ισοθερμική διαδικασία, μια αδιαβατική διεργασία χαρακτηρίζεται από μια πιο γρήγορη μείωση της πίεσης με την αύξηση του όγκου. Το έργο που εκτελείται από ένα αέριο κατά τη διάρκεια μιας αδιαβατικής διεργασίας είναι πάντα μικρότερο από το έργο που εκτελείται κατά τη διάρκεια μιας ισοθερμικής διεργασίας, αν υποθέσουμε ότι η μεταβολή του όγκου είναι ίδια και για τις δύο περιπτώσεις. Σε μια αδιαβατική διαδικασία, υπάρχει μια εξάρτηση της εργασίας από τον αδιαβατικό εκθέτη. Σκηνοθεσία ζ -> 1, λαμβάνουμε την αξία της εργασίας κατά τη διάρκεια μιας ισοθερμικής διαδικασίας, δηλ. θα συμβεί μια αδιαβατική μετάβαση (Q = const) σε ισόθερμο (Τ= const).

19. Πολυτροπική διεργασία

Η διαδικασία ονομάζεται πολυτροπικό,αν υποθέσουμε ότι η θερμοχωρητικότητα παραμένει σταθερή. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής στο C = const είναι ο εξής:

(ΝΤΟ– Cv)dT = PdV,

και όταν λαμβάνεται υπόψη dT= (PdV + VdP)/ Rπαίρνουμε τον ακόλουθο συμβολισμό:

ndV/ V= -dP/ Π,

n= (ΝΤΟ– CP)/ (ΝΤΟ– ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ),

Η εξίσωση έχει μια λύση με τη μορφή:

PVn= const,

Οπου Π- πίεση αερίου;

V– όγκος αερίου.

Μια πολυτροπική διαδικασία χαρακτηρίζεται από μερική ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του συστήματος και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Η καμπύλη πολυτροπικής διεργασίας βρίσκεται στο διάγραμμα ΦΒ μεταξύ της ισόθερμης (Γ = const) και της αδιαβατικής καμπύλης ( Q= const) και καλείται πολύτροπος.Λαμβάνοντας υπόψη την εξίσωση Mendeleev-Clayperon, η πολυτροπική εξίσωση θα μοιάζει με αυτό:

TV n-1 = const,

Τ η Ρ η-1= συνθ.

Ας προσδιορίσουμε το έργο που κάνει ένα αέριο κατά τη διάρκεια μιας πολυτροπικής διαδικασίας:

A 12 = (m / M)R(T 1 – T 2) / (n – 1),

Οπου Μ– μάζα αερίου.

Μ– μοριακή μάζα αερίου.

R

n– πολυτροπικός δείκτης.

Τ 1Και Τ 2– αρχικές και τελικές θερμοκρασίες.

Περίπτωση T 2 > T 1 και A 12< 0 соответствует сжатию газа, т. е. работа совершается над ним. Показатель политропы можно получить из опыта. В отдельных случаях политропический процесс может переходить в следующие термодинамические процессы.

1. Αδιαβατική διαδικασία: ΜΕ= 0, n= σολ= ντο/C και Σελ = const, dU= C v dT= -dA, d/ = C p dT= -gdA.

2. Ισοθερμική διαδικασία: ΜΕ= Ґ, n =1 και PV = const, T = const, dA= PdV, dU= 0, dl = 0, dQ= dA.

3. Ισοβαρική διαδικασία: C = C p, n= 0 και V/T = const, R= const, dA = PdV, dU = C V dT, dl= dU+ PdV= dQ = C p dT.

4. Ισοχωρική διαδικασία: C = C, n= Ґ και P/T= const, V= const, dA= 0, dU= ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ dT = dQ, dl = dU + PdV = C p dT.

20. Ζεστασιά

Ζεστασιάείναι η διαδικασία αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας με σταθερές εξωτερικές παραμέτρους h = = const. Τα σώματα μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια μεταξύ τους απευθείας κατά την επαφή ή ακτινοβολώντας την. Η θερμότητα ονομάζεται μικροσκοπικός μετασχηματισμός ενέργειας. Η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας καθορίζεται από το έργο που εκτελούν τα μόρια κατά τη χαοτική θερμική κίνηση. Η ποσότητα θερμότητας έχει την ακόλουθη διάσταση στο SI: [Q]= J. Χρησιμοποιούν επίσης μονάδες θερμότητας - θερμίδες, 1 cal = 4,1868 J. Αν ένα σώμα που συμμετέχει στη διαδικασία λάβει μια ποσότητα θερμότητας, τότε γράφεται με πρόσημο συν, και αν εκπέμπει, τότε η ποσότητα του η ζέστη έχει πρόσημο μείον.

Τύπος για τον προσδιορισμό της στοιχειώδους ποσότητας θερμότητας που προσδίδεται στο σώμα για να αλλάξει τη θερμοκρασία του:

dQ= CDT,

Οπου ΜΕ– θερμοχωρητικότητα του σώματος.

ΜΕ= dQ/dT.

Φυσική έννοια της θερμοχωρητικότητας- αυτή είναι μια τιμή ίση με την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταφερθεί στο σώμα για να αλλάξει η θερμοκρασία του κατά 10K. Θερμοχωρητικότητα ΜΕκαθορίζεται από τη μάζα του σώματος, τη χημική του σύνθεση και τη θερμοδυναμική του κατάσταση.

Η έννοια της θερμοχωρητικότητας περιλαμβάνει τις έννοιες της ειδικής και της μοριακής θερμοχωρητικότητας. Η θερμοχωρητικότητα ανά μονάδα μάζας μιας ουσίας ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα.Στην περίπτωση ενός ομοιογενούς σώματος ισούται με:

c = C/Μ

Οπου Μ– μάζα αερίου.

Η θερμοχωρητικότητα ενός mol μιας ουσίας ονομάζεται μοριακή ή μοριακή θερμοχωρητικότητα(σημειώνεται ΜΕ).Η γραμμομοριακή και η ειδική θερμική ικανότητα σχετίζονται με τη σχέση:

c = C/Μ,

Οπου Μ– μοριακή μάζα της ουσίας.

Στο SI, οι ειδικές και μοριακές θερμοχωρητικότητες έχουν τις ακόλουθες διαστάσεις: [s] = J/kgK, [C] = J/molK.

Η έννοια της θερμοχωρητικότητας περιλαμβάνει δύο τύπους θερμοχωρητικότητας: σε σταθερό όγκο και σε σταθερή πίεση. Η θερμοχωρητικότητα (ειδική και μοριακή) σε σταθερό όγκο προσδιορίζεται με θέρμανση του σώματος στο V= const και συμβολίζεται με c vκαι Γ v. Η θερμοχωρητικότητα (ειδική και μοριακή) σε σταθερή πίεση προσδιορίζεται με θέρμανση του σώματος στο R= const και συμβολίζεται με σελκαι Γ σελ

21. Εργασία

Δουλειάείναι η διαδικασία αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας λόγω αλλαγών στις εξωτερικές παραμέτρους όταν dQ= 0. Στοιχειώδη εργασίαείναι το έργο που εκτελεί το σύστημα κατά τη διάρκεια μιας απειροελάχιστης οιονείστατης διαστολής, ως αποτέλεσμα της οποίας ο όγκος του συστήματος αυξάνεται κατά dV:

dA= Fdx = PSdx = PdV,

Οπου Sdx= dV– αύξηση όγκου.

μικρό– εμβαδόν επιφάνειας κάθετη στην οποία δρα η δύναμη F.

R- πίεση.

Μια εξιδανικευμένη διαδικασία κατά την οποία ένα σύστημα μπορεί να μεταβεί από μια κατάσταση ισορροπίας σε μια άλλη κατάσταση ισορροπίας ονομάζεται οιονεί στατικό.Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των οιονεί στατικών διεργασιών είναι η ισότητα της εσωτερικής πίεσης αερίου προς την εξωτερική πίεση: P = P",και δ ΕΝΑ"= -dA= -P"dV– έργο εξωτερικών δυνάμεων. Για μια πεπερασμένη διαδικασία, το συνολικό έργο μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

τότε το έργο του Α 12 δεν εξαρτάται από τις αρχικές και τελικές καταστάσεις του συστήματος και καθορίζεται από τον τρόπο μετάβασης του συστήματος από τη μια κατάσταση στην άλλη. Η εργασία δεν είναι συνάρτηση συνθήκης.

Στην περίπτωση που το σύστημα έχει πολλούς βαθμούς ελευθερίας και η εσωτερική του κατάσταση καθορίζεται από εξωτερικές παραμέτρους x nκαι θερμοκρασία Τ,Το σύστημα θα εκτελέσει στοιχειώδη εργασία σε εξωτερικά σώματα:

dA = X 1 dx 1 + X 2 dx 2 + … + X n dx n,

όπου x 1 ,x 2 ,…,x n είναι συναρτήσεις εξωτερικών παραμέτρων της κατάστασης του συστήματος x (γενικευμένες δυνάμεις). Εάν οι αλλαγές θερμοκρασίας στο εξωτερικό περιβάλλον δεν έχουν καμία επίδραση στην κατάσταση του συστήματος, τότε συνήθως ονομάζεται ένα τέτοιο σύστημα αδιαβατικά απομονωμένη.Η εσωτερική ενέργεια ενός αδιαβατικά απομονωμένου συστήματος μπορεί να προσδιοριστεί ως μια ορισμένη συνάρτηση κατάστασης U,Επιπλέον, η αύξηση αυτής της συνάρτησης πρέπει να είναι ίση με την εργασία που γίνεται στο σύστημα κατά τη μετάβασή του από την αρχική κατάσταση στην τελική κατάσταση, ανεξάρτητα από τη διαδρομή:

A 12 = U 2 - U 1,

Οπου U 2Και U 1– εσωτερικές ενέργειες του συστήματος στις καταστάσεις 2 και 1.

22. Νόμος Boyle-Mariotte

Ένας από τους ιδανικούς νόμους του αερίου είναι Δίκαιο Boyle-Marriott,που γράφει: προϊόν πίεσης Πανά τόμο Vαέριο σε σταθερή αέρια μάζα και θερμοκρασία συνεχώς. Αυτή η ισότητα ονομάζεται ισοθερμικές εξισώσεις. Η ισόθερμη απεικονίζεται στο διάγραμμα ΦΒ της κατάστασης του αερίου με τη μορφή υπερβολής και, ανάλογα με τη θερμοκρασία του αερίου, καταλαμβάνει τη μία ή την άλλη θέση. Η διαδικασία συνεχίζεται Τ= const, καλούμενος ισόθερμος.Αέριο στο Τ= το const έχει σταθερή εσωτερική ενέργεια U. Εάν ένα αέριο διαστέλλεται ισόθερμα, τότε όλη η θερμότητα πηγαίνει στην εκτέλεση εργασίας. Το έργο που κάνει ένα αέριο όταν διαστέλλεται ισόθερμα είναι ίσο με την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταδοθεί στο αέριο για να το εκτελέσει:

dA= dQ= PdV,

όπου δ ΕΝΑ– βασική εργασία.

dV-στοιχειώδης όγκος?

Π- πίεση. Εάν V 1 > V 2 και P 1< P 2 , то газ сжимается, и работа принимает отрицательное значение. Для того чтобы условие Τ= το const εκπληρώθηκε, είναι απαραίτητο να υποθέσουμε ότι οι αλλαγές στην πίεση και τον όγκο είναι απείρως αργές. Υπάρχει επίσης μια απαίτηση για το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται το αέριο: πρέπει να έχει επαρκώς υψηλή θερμοχωρητικότητα. Οι τύποι υπολογισμού είναι κατάλληλοι και στην περίπτωση παροχής θερμικής ενέργειας στο σύστημα. ΣυμπιεστόΗ ιδιότητα ενός αερίου να μεταβάλλεται σε όγκο όταν αλλάζει η πίεση ονομάζεται. Κάθε ουσία έχει συντελεστής συμπιεστότητας,και ισούται με:

c = 1 / V O(dV/CP)T,

εδώ η παράγωγος λαμβάνεται στο Τ= συνθ.

Ο συντελεστής συμπιεστότητας εισάγεται για να χαρακτηρίσει τη μεταβολή του όγκου με μια αλλαγή στην πίεση. Για ένα ιδανικό αέριο ισούται με:

c = -1 / Π.

Στο SI, ο συντελεστής συμπιεστότητας έχει την ακόλουθη διάσταση: [c] = m 2 /N.

23. Ο νόμος του Gay-Lussac

Ο νόμος του Gay-Lussacδηλώνει: ο λόγος του όγκου ενός αερίου προς τη θερμοκρασία του σε σταθερή πίεση αερίου και τη μάζα του είναι σταθερή.

V/ Τ= Μ/ ΜΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ R/ Π= συνθ

στο Π= const, Μ= συνθ.

Αυτή η ισότητα ονομάζεται ισοβαρείς εξισώσεις.

Η ισοbar απεικονίζεται στο διάγραμμα ΦΒ με μια ευθεία γραμμή παράλληλη προς τον άξονα V.Η διαδικασία συνεχίζεται Π= const, καλούμενος ισοβαρής.Αν V 1Και Τ 1– αρχικό, και V 2Και Τ 2είναι πεπερασμένος όγκος και θερμοκρασία, τότε ισχύει η ακόλουθη ισότητα:

V 1 / T 1 = V 2 / T 2.

Η εργασία που γίνεται από το αέριο κατά τη διαστολή μπορεί εύκολα να βρεθεί υπολογίζοντας το εμβαδόν του τριγώνου στο διάγραμμα ΦΒ:

A12 = PDV= Μ/ ΜΣχετικά με το RDT,

όπου DV= V 2 – V 1 – μεταβολή όγκου.

DT = T 2 – T 1 – αλλαγή θερμοκρασίας.

Σε ένα διάγραμμα VT, μια ισοβαρή απεικονίζεται ως μια ευθεία γραμμή που εκτείνεται από την αρχή. Ο νόμος του Gay-Lussac μπορεί να γραφτεί με την ακόλουθη μορφή:

V= V 0 (1+ a v t),

Οπου V– όγκος σε θερμοκρασία t,μετρημένο από 0 o C;

V 0– όγκος ιδανικού αερίου σε θερμοκρασία Τ 0= 273.j6 Κ.

ονομάστε την ποσότητα:

a v = V/ V 0 T = 1 / T 0 = 1/ 273,16 K - 1.

Στη γενική περίπτωση οποιασδήποτε ουσίας, ο συντελεστής ογκομετρικής διαστολής ορίζεται ως:

ένα= 1 / V.O./ (dV/dT) p .

Ο συντελεστής ογκομετρικής διαστολής ενός ιδανικού αερίου είναι ίσος με:

ένα= 1/ Τ.

Αν Τ= 0 o C, μετά a =a V

Για τα πραγματικά αέρια, ο νόμος του Gay-Lussac δεν ισχύει στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών (δηλαδή κοντά στο απόλυτο μηδέν). Όταν ψύχονται στο απόλυτο μηδέν, όλα τα αέρια εκτός από το ήλιο υγροποιούνται.

24. Νόμος του Καρόλου

Νόμος του Καρόλουδηλώνει ότι ο λόγος της πίεσης του αερίου προς τη θερμοκρασία του είναι σταθερός εάν ο όγκος και η μάζα του αερίου είναι σταθερές:

Π/ Τ= Μ/ ΜΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ R/ V= συνθ

στο V= const, Μ= συνθ.

Αυτή η ισότητα ονομάζεται ισοχορικές εξισώσεις.

Μια ισόχωρη απεικονίζεται σε ένα διάγραμμα ΦΒ ως ευθεία γραμμή παράλληλη προς τον άξονα P και σε ένα διάγραμμα PT είναι μια ευθεία γραμμή που εκτείνεται από την αρχή. Η διαδικασία συνεχίζεται V= const, καλούμενος ισοχωρικός.Χαρακτηριστικό γνώρισμα της ισοχωρικής διεργασίας είναι ότι το αέριο V= το const δεν κάνει καμία δουλειά. Όταν παρέχεται θερμική ενέργεια στο αέριο, η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται λόγω της παρεχόμενης θερμότητας:

DU = Μ/ ΜΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ Βιογραφικό D.T.

Οπου Μ- μοριακή μάζα;

βιογραφικό– Μοριακή θερμοχωρητικότητα.

D.T. = T 2 – T 1 – αλλαγή θερμοκρασίας.

Εάν τα P 1 και T 1 είναι αρχικά και τα P 2 και T 2 είναι τελική πίεση και θερμοκρασία, τότε:

P 1 / T 1 = P 2 / T 2

Ο νόμος του Καρόλου μπορεί να γραφτεί με την ακόλουθη μορφή:

P = P 0 (1 + a p t)

Οπου R– πίεση σε θερμοκρασία t, μετρημένη από 0 o C.

P 0– ιδανική πίεση αερίου σε θερμοκρασία Τ0=273,16 Κ.

Συντελεστής θερμοκρασίας αλλαγής πίεσης,ή απλά ο συντελεστής θερμικής πίεσης, ονομάζεται η ακόλουθη παράμετρος:

a р = Р / Р 0 T = 1 / T 0 .

25. Εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου

Εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίουπεριγράφει τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και της πίεσης του. Δεδομένου ότι η πίεση ενός ιδανικού αερίου σε ένα κλειστό σύστημα Π= 1/3 O mn , Π= nkT, τότε η εξίσωση ιδανικού αερίου θα μοιάζει με αυτό:

P = NkT,

Οπου Ν– αριθμός μορίων που περιέχονται στον όγκο V.

PV = m/ M x NkT,

Φ/Β= Μ/ M x RT,

Οπου Μ- μοριακή μάζα;

Να– Ο αριθμός του Avogadro.

κ– Σταθερά Boltzmann;

R– καθολική σταθερά αερίου.

Ισότητα λέγεται Εξισώσεις Mendeleev-Clayperon.Στην περίπτωση που η ποσότητα της ουσίας αερίου είναι 1 mol, η εξίσωση Mendeleev-Clayperon θα λάβει τη μορφή PV = RT.Μπορεί να ληφθεί υπόψη το φυσικό αέριο τέλειος,αν η κατάστασή του περιγράφεται από την εξίσωση Mendeleev-Clayperon ή μια από τις συνέπειές της.

F(P,V, t 0) καλείται εξισώσεις κατάστασης.Στο διάγραμμα ΦΒ, ένα σύνολο καταστάσεων με t 0 = const παρουσιάζεται με τη μορφή υπερβολής. Το σύνολο των υπερβολών που αντιστοιχεί σε διαφορετικές θερμοκρασίες ονομάζεται ισόθερμες.Η διαδικασία κατά την οποία ένα αέριο αλλάζει από τη μια κατάσταση στην άλλη όταν t 0= const, καλούμενος ισόθερμος.

Οταν Π= const (1) υπάρχει μια γραμμική εξάρτηση του όγκου μιας ορισμένης μάζας αερίου από τη θερμοκρασία:

V= V 0 (1 + στο 0).

Αντιπροσωπεύει το νόμο του Gay-Lussac. Ομοίως για V= const:

P = P 0 (1 + στο 0).

Από αυτές τις εξισώσεις προκύπτει ότι όλες οι ισοβαρείς και ισόχωρες τέμνουν τον άξονα t 0σε ένα μόνο σημείο που προσδιορίζεται από τη συνθήκη 1 + στο 0= 0. Λύση αυτής της εξίσωσης:

t 0 = -1 / ένα= -273,15 o C.

R= 8,31 h 10 3 J/(deg. h kmol) – καθολική σταθερά αερίου.

PV = m/m x RT.

26. Καθολική εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου

Αναλογία μάζας Μαέριο (ουσία) στην ποσότητα αερίου (ουσία) vαυτό το σύστημα ονομάζεται μοριακή μάζα αερίου (ουσία):

M = m/ v.

Η διάσταση της μοριακής μάζας είναι η εξής: [Μ]= 1 kg / 1 mol.

Ένα συμπέρασμα από το νόμο του Avogadro μας επιτρέπει να βρούμε την αναλογία συγκεκριμένων όγκων:

v 2 / v 1 = M 1 / M 2

v 1 M 1 = M 2 v 2 .

Η τελευταία αναλογία αντικατοπτρίζει ένα σημαντικό ιδιότητα ιδανικού αερίου:υπό τις ίδιες φυσικές συνθήκες, το γινόμενο του συγκεκριμένου όγκου ενός αερίου και της μοριακής του μάζας είναι μια σταθερή τιμή που δεν εξαρτάται από τη φύση του αερίου, δηλ. vM= idem. Δουλειά vMαντιπροσωπεύει τον όγκο 1 mole ενός ιδανικού αερίου και η τελευταία ισότητα σημαίνει την ισότητα των μοριακών όγκων όλων των αερίων στις ίδιες πιέσεις και θερμοκρασίες.

Η εξίσωση κατάστασης για ένα mol αερίου είναι η εξής:

PV m = MRT,

Οπου MR = Rm= PV m/ Τ.

Το προϊόν MR είναι καθολική (μοριακή) σταθερά αερίου.Η φυσική έννοια της καθολικής σταθεράς αερίου είναι ότι είναι ra 26βπερισσότερα από ένα mole ιδανικού αερίου με μεταβολή θερμοκρασίας 1 o και σταθερή πίεση της διεργασίας. Δεν εξαρτάται από τη φύση του αερίου. R= = 8,314/m. Εξίσωση της φόρμας

PV m = 8,314Τ

που ονομάζεται καθολική εξίσωση κατάστασης.

Η καθολική εξίσωση κατάστασης ενός ιδανικού αερίουμπορούμε να θεωρήσουμε την εξίσωση Mendeleev–Cliperon:

PV = uRT.

Εάν διατηρείτε τον όγκο σταθερό και λαμβάνετε την πίεση του αερίου ως δείκτη θερμοκρασίας, μπορείτε να πάρετε ένα θερμόμετρο με τέλεια γραμμική κλίμακα. Ονομάζεται κλίμακα ιδανικής θερμοκρασίας αερίου.Είναι βολικό να λαμβάνεται το υδρογόνο ως θερμομετρική ουσία. Η κλίμακα που έχει καθοριστεί για το υδρογόνο ονομάζεται εμπειρική κλίμακα θερμοκρασίας.

27. Βασικές ιδιότητες αερίων μειγμάτων

Ένα σύνολο πολλών διαφορετικών αερίων μεταξύ των οποίων είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί χημική αλληλεπίδραση ονομάζεται μείγμα ιδανικών αερίων.Η πίεση υπολογίζεται με τον τύπο:

P i = N i kT/ V,

Οπου Εγώ= 1, 2, r, καλείται μερικός,

r– αριθμός αερίων στο μείγμα.

N είναι ο αριθμός των μορίων του i-ου αερίου.

V– όγκος του μείγματος.

κ– Σταθερά Boltzmann;

Τ- θερμοκρασία.

ο νόμος του Ντάλτοναντανακλά τη σχέση μεταξύ της πίεσης ενός μείγματος ιδανικών αερίων και των μερικών πιέσεών τους. Λέει: «Πίεση μείγματος rΤα ιδανικά αέρια και το άθροισμα των μερικών πιέσεών τους είναι ίσα μεταξύ τους». Η μαθηματική διατύπωση του νόμου του Dalton έχει ως εξής:

P = P1+ P2 +… + Pr = NkT/V

Οπου N = N 1+ Ν 2+. + N r– αριθμός μορίων στο μείγμα rαέρια

Ο νόμος του Amag.Αντανακλά τη σχέση μεταξύ του όγκου ενός μείγματος ιδανικών αερίων και των μερικών όγκων τους. Ο νόμος του Amag αναφέρει: «Ο όγκος ενός μείγματος rΤα ιδανικά αέρια και το άθροισμα των μερικών όγκων τους είναι ίσα μεταξύ τους»:

V = V 1 + V 2 + … + V r.

Οι παράμετροι του μείγματος αερίων μπορούν να βρεθούν γνωρίζοντας Ο νόμος του Clapeyron:

PV = mRT,

Ο λόγος της μάζας κάθε αερίου προς τη συνολική μάζα του μείγματος ονομάζεται κλάσμα μάζας:

g 1 = m 1 / m; g 2 = m 2 / m; ...; g n = m n / m,

Οπου g 1 , g 2 , g n– κλάσματα μάζας.

m 1, m 2, m n– μάζες αερίων χωριστά.

Μ– μάζα του μείγματος.

Το άθροισμα των κλασμάτων μάζας όλων των αερίων στο μείγμα είναι ίσο με μονάδα.

Η μάζα ενός μείγματος είναι το άθροισμα των μαζών των αερίων που περιλαμβάνονται σε αυτό το μείγμα.

Ο λόγος του μερικού όγκου προς τον όγκο ολόκληρου του μείγματος ονομάζεται κλάσμα όγκου:

r 1= V 1/ V, r 2= V 2/ V,., r n = V n/ V,

Οπου r 1 , r 2 , r n– κλάσματα όγκου.

V 1, V 2,., Vn– μερικοί όγκοι αερίων του μείγματος.

V– όγκος μίγματος αερίων.

28. Μέση μοριακή μάζα μείγματος αερίων

Η εξίσωση για την εύρεση της σταθεράς του συγκεκριμένου μείγματος αερίων είναι:

R = еg i R i = 8314,2(g 1 / M 1 + g 2 / M 2 +… + g n / M n)

Γνωρίζοντας τη μοριακή μάζα του μείγματος, μπορείτε να βρείτε τη σταθερά αερίου του μείγματος:

Γνωρίζοντας την ογκομετρική σύνθεση του μείγματος, λαμβάνουμε τους ακόλουθους τύπους:

g i = (R/ R i),

π.χ Εγώ= Re(r Εγώ/R Εγώ) = 1.

Ο τύπος για τον υπολογισμό της συγκεκριμένης σταθεράς αερίου θα έχει τη μορφή:

R= 1 / e(r Εγώ/R Εγώ) = 1 / (r 1 / R 1 + R 2 +… + r n / R n).

Μέση μοριακή μάζα μείγματος αερίωνείναι μια αρκετά συμβατική τιμή:

Μ= 8314,2 / (σολ 1 R 1 + σολ 2 R 2 +. + g n R n).

Εάν αντικαταστήσετε τις συγκεκριμένες σταθερές αερίου R 1, R 2,…, Rnχρησιμοποιώντας τις τιμές τους από την εξίσωση Clayperon, βρίσκουμε τη μέση μοριακή μάζα ενός μείγματος αερίων εάν το μείγμα προσδιορίζεται από κλάσματα μάζας:

Μ= 1 / (r 1/ Μ 1+ r 2/ Μ 2+. + r n/ Mn).

Στην περίπτωση που το μείγμα προσδιορίζεται με κλάσματα όγκου, λαμβάνουμε την ακόλουθη έκφραση:

R= 1 / er i R i= 8314,2 / e r i M i .

Γνωρίζοντας ότι R= 8314,2 / M, παίρνουμε:

Μ= er i M i= r 1 M 1 + r 2 M 2 +. + r n M n .

Ετσι, μέση μοριακή μάζα μείγματος αερίωνκαθορίζεται από το άθροισμα των γινομένων των κλασμάτων όγκου και των μοριακών μαζών των επιμέρους αερίων που αποτελούν το μείγμα.

29. Μερικές πιέσεις

Πίεση, γραμμένη ως: P i =N i kT/ V,

Οπου Εγώ= 1,2,..., r, καλείται μερικός.Εδώ r– αριθμός αερίων στο μείγμα.

N i– αριθμός μορίων του αερίου i-ου.

V– όγκος του μείγματος.

κ– Σταθερά Boltzmann;

Τ- θερμοκρασία.

Μπορεί να βρεθεί εάν όλες οι κύριες παράμετροι του αερίου είναι γνωστές:

P i = m i R i T/ V =m i R i/ mR = Pg i R i/R = Pg i M/Μ ι

Εάν το μείγμα καθορίζεται με κλάσματα όγκου, τότε για να ληφθεί η μερική πίεση κάθε αερίου στρέφεται στον νόμο Boyle-Mariotte, από τον οποίο μπορεί κανείς να βρει ότι σε T = const:

P i V = P V iΚαι P i = P V i/ V = r i P.

Μερική πίεσηοποιουδήποτε αερίου υπολογίζεται ως το γινόμενο της συνολικής πίεσης ενός μείγματος αερίων και του κλάσματος όγκου του. Η τελευταία εξίσωση χρησιμοποιείται κατά την επίλυση τεχνικών προβλημάτων και κατά τον έλεγχο θερμικών εγκαταστάσεων. Τα κλάσματα όγκου των αερίων λαμβάνονται πειραματικά χρησιμοποιώντας αναλυτές αερίων.

Φυσική έννοια της μερικής πίεσης Πιείναι ότι αυτή είναι η πίεση του i-ου αερίου, με την προϋπόθεση ότι καταλαμβάνει τον όγκο V.

ο νόμος του Ντάλτοναντανακλά τη σχέση μεταξύ της πίεσης ενός μείγματος ιδανικών αερίων και των μερικών πιέσεών τους. Λέει: πίεση μίγματος rτα ιδανικά αέρια και το άθροισμα των μερικών πιέσεών τους είναι ίσα μεταξύ τους. Η μαθηματική διατύπωση του νόμου του Dalton έχει ως εξής:

R= Р 1 + Р 2 + ...+ P r= NkT/V

Οπου Ν= Ν 1+ Ν 2+... + N r– αριθμός μορίων σε μείγμα αερίων r.

Η πίεση που ασκούν τα μόρια του καθενός rιδανικά αέρια, δεν εξαρτάται από την πίεση που ασκούν τα μόρια άλλων αερίων. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι ότι τα μόρια σε ένα ιδανικό αέριο δεν αλληλεπιδρούν. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι σε υψηλές πιέσεις (της τάξης των 10 6 Pa) ο νόμος του Dalton δεν ικανοποιείται.

30. Νόμος διατήρησης και μετατροπής της ενέργειας

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής βασίζεται στον παγκόσμιο νόμο της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας, ο οποίος δηλώνει ότι η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται.

Τα σώματα που συμμετέχουν σε μια θερμοδυναμική διαδικασία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας ενέργεια. Ταυτόχρονα, σε ορισμένα σώματα η ενέργεια μειώνεται, ενώ σε άλλα αυξάνεται. Υπάρχουν δύο επιλογές για τη μεταφορά ενέργειας από φυσικά σώματα: ανταλλαγή θερμότητας και μηχανική εργασία.

Στην πράξη, η μονάδα εργασίας είναι επίσης το τζάουλ, η ποσότητα εργασίας συμβολίζεται με L και το συγκεκριμένο έργο ανά μονάδα μάζας (P kg) συμβολίζεται με /.

Υπάρχουν αρκετές βασικές διατάξεις του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής.

L Οποιοσδήποτε τύπος ενέργειας δεν προκύπτει από μόνος του, αλλά μετατρέπεται αμοιβαία ο ένας στον άλλο και οι ποσότητες τους είναι πάντα οι ίδιες.

2. Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια μηχανή αέναης κίνησης πρώτου είδους.

3. Εάν το σύστημα είναι πλήρως απομονωμένο, τότε η εσωτερική του ενέργεια παραμένει σταθερή.

Ας το προσποιηθούμε Q- την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο σώμα, η οποία πρέπει να δαπανηθεί για την εκτέλεση εργασιών και τη μετατροπή της εσωτερικής ενέργειας:

Q= ?U +L,

Οπου L = ml– όγκος εργασίας·

DU = mДu – διαφορά μεταξύ της εσωτερικής ενέργειας της αρχικής και της τελικής κατάστασης.

Στην περίπτωση σωματικού βάρους ίσου με 1 κιλό:

q =?u+l,

Οπου l, q, Du – συγκεκριμένες ποσότητες εργασίας, θερμότητα, διαφορά στις εσωτερικές ενέργειες της αρχικής και της τελικής κατάστασης. Αν η διαδικασία είναι απειροελάχιστη, τότε

dq = du + dl.

Η αναλογία που προκύπτει είναι μαθηματικό μοντέλο του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής.Ως εκ τούτου, η ακόλουθη διατύπωση του νόμου ακολουθεί: «Όλη η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει ένα φυσικό σώμα δαπανάται για να κάνει εργασία και να μετατρέπει την εσωτερική ενέργεια του σώματος».

Υπάρχει ένας λεγόμενος κανόνας σημάδι για τις παραμέτρους: q> 0, εάν παρέχεται θερμότητα στο φυσικό σώμα, και q<0, если отводится; μεγάλο> 0 εάν η εργασία γίνεται από το ίδιο το σώμα (διαστολή), και μεγάλο< 0, если работу совершают над телом извне (сжатие); Du> 0 – εάν η εσωτερική ενέργεια του σώματος αυξηθεί, D u< 0 – если внутренняя энергия уменьшается.

31. Εσωτερική ενέργεια

Εσωτερική ενέργειααποτελείται από εσωτερικές κινητικές και δυνητικές ενέργειες. Η εσωτερική κινητική ενέργεια δημιουργείται από τη χαοτική κίνηση των μορίων μιας ουσίας.

Η κινητική ενέργεια ολόκληρου του μακροσυστήματος υπολογίζεται:

Οπου Μ– μάζα του συστήματος.

w– την ταχύτητα της κίνησής του στο χώρο.

Οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των μορίων μιας ουσίας μεταξύ τους καθορίζουν την εσωτερική δυναμική ενέργεια του σώματος.

Εσωτερική ενέργειαΑυτή είναι η ενέργεια που περιέχεται στο ίδιο το σύστημα και έχει δύο συστατικά - κινητική ενέργεια.

Αλλαγή συγκεκριμένης δυναμικής (εσωτερικής) ενέργειας του ίδιου σώματος. Η μεταβολή της συνολικής ειδικής (εσωτερικής) ενέργειας κατά τη διάρκεια μιας θερμοδυναμικής διαδικασίας θα μοιάζει με αυτό:

U - Ηνωμένο Βασίλειο– και Ρ.

Η εσωτερική ενέργεια ενός λειτουργικού ρευστού αυθαίρετης μάζας υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο:

?v-V k – V p .

Ας υποθέσουμε ότι το ρευστό εργασίας περνά από την πρώτη κατάσταση στη δεύτερη όταν η θερμότητα παρέχεται από το εξωτερικό. Τότε η ποσότητα αυτής της θερμότητας θα εκφραστεί ως:

q 1, 2 – u 2 - U 1.

Η διαδικασία προχωρά σύμφωνα με τον ισοχορικό νόμο, έχουμε:

q 1,2 = ? v(Τ 2 -Τ 1).

Γενικά, για οποιαδήποτε ουσία με μάζα Μ:

v 2 -v 1 - Μ? v (T 2 – T 1),

όπου T 1 είναι η αρχική θερμοκρασία της θερμοδυναμικής διαδικασίας.

Τ 2– τελική θερμοκρασία

u 1 – αρχική τιμή εσωτερικής ενέργειας.

u 2 – τελική τιμή εσωτερικής ενέργειας.

? – μέση ειδική θερμοχωρητικότητα (ισοχωρική).

32. Υπολογισμός εργασίας αερίου

Το αέριο λαμβάνει θερμότητα από μια συγκεκριμένη πηγή εκτός του συστήματος. ας υποδηλώσουμε την πίεση του αερίου με το γράμμα p, την περιοχή του εμβόλου με το S, στη συνέχεια υπό την επίδραση μιας εξωτερικής δύναμης F = pSστο έμβολο θα είναι ακίνητο. Όταν η εξωτερική δύναμη F μειώνεται, η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο δυνάμεων pS–Fθα μετακινήσει το έμβολο προς τα δεξιά. Το αέριο κάτω από το έμβολο θα επεκταθεί και θα υπερνικήσει τις εξωτερικές δυνάμεις, κάνοντας δουλειά στη διαδικασία. Για μια διαδικασία ισορροπίας έχουμε τα εξής.

1. Το έμβολο πρέπει να κινείται κατά μήκος του κυλίνδρου απείρως αργά (δηλαδή με απειροελάχιστη ταχύτητα). Αυτό θα επιτρέψει να υποθέσουμε ότι η πίεση του αερίου σε ολόκληρο τον όγκο είναι ανά πάσα στιγμή η ίδια.

2. Η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας πρακτικά δεν διαφέρει από τη θερμοκρασία του ρευστού εργασίας (για το οποίο χρησιμοποιούμε αέριο), δηλαδή η διαφορά στις θερμοκρασίες τους είναι απειροελάχιστη. Αυτό καθιστά δυνατό να υποθέσουμε ότι η θερμοκρασία σε ολόκληρο τον όγκο του αερίου είναι η ίδια ανά πάσα στιγμή.

Κάτω από τέτοιες συνθήκες, η διαδικασία διαστολής του ρευστού εργασίας ανά πάσα στιγμή θα έχει την ίδια θερμοκρασία, πυκνότητα και πίεση σε όλο τον όγκο, δηλαδή η κατάστασή του θα είναι επίσης σε ισορροπία.

Αναλυτική λύση στο πρόβλημα του υπολογισμού της εργασίας που κάνει ένα αέριο λόγω της διαστολής του. Η ταχύτητα του εμβόλου ενώ κινείται στον κύλινδρο είναι απειροελάχιστη. Επομένως, για να αναλύσουμε τη διαδικασία διαστολής, χωρίζουμε όλο το μήκος της διαδρομής που διανύει το έμβολο σε απειροελάχιστα μέρη dl. Επειτα dA(στοιχειώδες έργο) σε οποιοδήποτε στοιχειώδες τμήμα dl καθορίζεται από το γινόμενο:

dA = pSdl,

Οπου ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ- δύναμη

δλ- μονοπάτι.

Χρησιμοποιώντας την ισότητα

Sdl = dv,

παίρνουμε

dA = pdv.

Δίνει την έκφραση:

Οπου ΕΝΑείναι το έργο που εκτελεί ένα αέριο μάζας j kg κατά τη διαστολή.

Το έργο που κάνει το αέριο κατά τη διαστολή ονομάζεται επίσης τεχνικός.

33. Αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες διεργασίες

Εάν ένα θερμοδυναμικό σύστημα, υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, διέρχεται από μια σειρά διαδοχικών καταστάσεων, τότε το σύνολο τους ονομάζεται θερμοδυναμική διαδικασία.Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται από το ρευστό εργασίας και η κατάστασή του αλλάζει με τέτοιο τρόπο ώστε η μάζα να παραμένει σταθερή. Η κύρια ιδιότητα μιας απλοποιημένης ιδανικής διαδικασίας είναι αυτή αναστρεπτό.

Αναστρεπτόςείναι διεργασίες που συμβαίνουν τόσο προς τα εμπρός όσο και προς την αντίστροφη κατεύθυνση και στις οποίες δεν συμβαίνουν υπολειπόμενες αλλαγές ούτε στο λειτουργικό ρευστό ούτε στον περιβάλλοντα χώρο. Επιπλέον, το ρευστό εργασίας διέρχεται και προς τις δύο κατευθύνσεις από τις ίδιες στοιχειώδεις καταστάσεις ισορροπίας και στο τέλος της διαδικασίας επιστρέφει στο αρχικό σημείο.

Οποιαδήποτε αναστρέψιμη διαδικασία είναι ισορροπία. Η διαδικασία ονομάζεται ισορροπία,αν οι διαδοχικές καταστάσεις από τις οποίες περνά το σύστημα είναι επίσης ισορροπίες. Μια διαδικασία που προχωρά πολύ αργά και έτσι προσεγγίζει την ισορροπία ανά πάσα στιγμή ονομάζεται οιονεί στατικό(είναι και αναστρέψιμο).

Γραφικά, η κατάσταση ισορροπίας απεικονίζεται ως ένα σημείο σε ένα χωρικό σύστημα συντεταγμένων με τρεις παραμέτρους v, p, T,και η ίδια η διαδικασία ισορροπίας είναι μια καμπύλη που διέρχεται από πολλά τέτοια σημεία.

Η κατάσταση του συστήματος ονομάζεται ισορροπία,εάν σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή σε ολόκληρο τον όγκο που καταλαμβάνει το αέριο, οι τιμές v, p, T(οι παράμετροι κατάστασης) είναι οι ίδιες, αν και αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου εάν αλλάξει η κατάσταση. Στην περίπτωση ενός απομονωμένου συστήματος, τελικά επιστρέφει σε κατάσταση ισορροπίας και δεν μπορεί να το αφήσει το ίδιο. Στην πράξη, οι αναστρέψιμες διεργασίες είναι δυνατές υπό ορισμένες προϋποθέσεις.

1. Το ρευστό εργασίας αλλάζει την κατάστασή του απείρως αργά.

2. Το ρευστό εργασίας έχει άπειρο αριθμό καταστάσεων ισορροπίας.

3. Απουσιάζει η ανταλλαγή θερμότητας με το εξωτερικό περιβάλλον (μη αναστρέψιμη διαδικασία), η εξωτερική τριβή, η εσωτερική τριβή των σωματιδίων του σώματος μεταξύ τους.

4. Δεν υπάρχουν χημικές αλλαγές στην ουσία εργασίας.

Οι διεργασίες που δεν ικανοποιούν την ιδιότητα αναστρεψιμότητας είναι μη αναστρεψιμο.

Οποιαδήποτε πραγματική διαδικασία κατά την οποία το λειτουργικό ρευστό αλλάζει την κατάστασή του είναι μη αναστρέψιμη.

Οποιαδήποτε πραγματική διαδικασία είναι επίσης μη ισορροπημένη. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι η διαδικασία έχει μια πεπερασμένη ταχύτητα και η κατάσταση ισορροπίας στην ουσία εργασίας απλά δεν έχει χρόνο για να καθοριστεί. Οι πραγματικές διεργασίες μπορούν να πλησιάσουν την περιοχή ισορροπίας, αλλά δεν συμπίπτουν με τις διεργασίες ισορροπίας· μπορούν να συμβούν μόνο προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός και προς την αντίθετη κατεύθυνση μόνο όταν επηρεάζονται από το εξωτερικό.

34. Βασικές διατάξεις του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μας επιτρέπει να απαντήσουμε στα ερωτήματα: εάν η ανάπτυξη της υπό εξέταση διεργασίας είναι δυνατή ή όχι, ποια κατεύθυνση της διαδικασίας θα είναι κυρίαρχη όταν η ισορροπία εδραιωθεί στο θερμοδυναμικό σύστημα. Αυτός ο νόμος βοηθά επίσης στον καθορισμό των συνθηκών υπό τις οποίες το σύστημα θα εκτελέσει τη μέγιστη ποσότητα εργασίας.

Η ουσία αυτού του νόμου εκφράστηκε για πρώτη φορά από έναν Γάλλο επιστήμονα και μηχανικό Sadi Carnot(1824). Έγραψε ότι όπου υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας, μπορεί να εμφανιστεί μια κινητήρια δύναμη. Επιπλέον, εξαρτάται μόνο από τις θερμοκρασίες των σωμάτων που αλληλεπιδρούν και δεν εξαρτάται από τον τύπο αυτών των σωμάτων. Για να ληφθούν μεγάλες τιμές μιας τέτοιας κινητήριας δύναμης, η αρχική θερμοκρασία του ρευστού εργασίας πρέπει να είναι σημαντική και κατά συνέπεια η ψύξη είναι επίσης μεγάλη. Επιπλέον, δεν θα είναι ποτέ δυνατή η χρήση της κινητήριας δύναμης (ενέργειας) του καυσίμου στο σύνολό της στην πράξη.

Αυτές οι δηλώσεις του επιστήμονα καθορίζουν τις συνθήκες για τη μετατροπή της θερμότητας του κινητήρα σε χρήσιμο έργο και από ποιες παραμέτρους εξαρτάται η ποιότητα αυτής της μετατροπής. Με βάση τις καθιερωμένες διατάξεις, θα πρέπει να μιλήσουμε για την ανάγκη δύο διεργασιών να συμβαίνουν ταυτόχρονα σε θερμικές συσκευές - η κύρια, στην οποία η θερμότητα μετατρέπεται σε εργασία και η πρόσθετη - η συνοδευτική διαδικασία μεταφοράς θερμότητας σε μια ψυχρή πηγή.

Στη θερμοδυναμική αυθόρμητοςονομάζουν τέτοιες διαδικασίες για τις οποίες μπορούμε να πούμε ότι συμβαίνουν μόνες τους, δηλαδή ανεξάρτητα. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, οι αυθόρμητες διεργασίες συμβαίνουν μόνο όταν δεν υπάρχει ισορροπία στο θερμοδυναμικό σύστημα. Επιπλέον, η κατεύθυνση εμφάνισης τέτοιων διεργασιών συμπίπτει με την κατεύθυνση στην οποία το σύστημα προσεγγίζει το σημείο ισορροπίας.

Η βάση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής είναι αξιώματα. Το πρώτο αξίωμα του Γερμανού επιστήμονα R. Clausius(1850) παρουσιάζει τη γενική διατύπωση του δεύτερου νόμου με την ακόλουθη μορφή: «Από ένα σώμα (λιγότερο θερμαινόμενο) σε άλλο (περισσότερο θερμαινόμενο) η θερμότητα δεν μεταφέρεται αυθόρμητα, αλλά μόνο με τη βοήθεια αντιστάθμισης». Ένα άλλο αξίωμα (του Κυρίου Kelvin-Thomson, 1852) δηλώνει ότι είναι αδύνατο να δημιουργηθεί μια μηχανή θερμότητας - μια μηχανή αέναης κίνησης δεύτερου είδους (στην οποία η θερμότητα μετατρέπεται πλήρως σε εργασία). Από αυτό προκύπτει ότι ένας θερμικός κινητήρας θα εκτελέσει εργασία μόνο παρουσία τουλάχιστον δύο πηγών θερμότητας με διαφορετικές θερμοκρασίες. Επιπλέον, μόνο ένα μέρος της συνολικής θερμότητας που απελευθερώνεται από τον πομπό θερμότητας (μια πηγή θερμότητας με υψηλή θερμοκρασία) μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμη εργασία. Η υπόλοιπη θερμότητα μεταφέρεται στην ψύκτρα.

Στην πράξη, οι αυθόρμητες διεργασίες (μεταφορά θερμότητας από θερμά σε ψυχρά σώματα, διάχυση, φαινόμενα διάλυσης και πολλές άλλες) είναι μη αναστρέψιμες. Επομένως, υπάρχει μια άλλη διατύπωση δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής:«Αν μια πραγματική διαδικασία είναι αυθόρμητη, τότε είναι μη αναστρέψιμη».

35. Θερμοδυναμική απόδοση και συντελεστής ψύξης κύκλων

Πηγές υψηλής θερμοκρασίας (Τ 1)και που εκπέμπει θερμότητα στο ρευστό εργασίας ονομάζονται αισθητήρες θερμότητας.Πηγές χαμηλής θερμοκρασίας (Τ 2)και η λήψη θερμότητας από την ουσία εργασίας ονομάζονται ψύκτες θερμότητας.

Σε ένα διάγραμμα EN, το χρήσιμο έργο μιας κυκλικής διεργασίας ισούται με την περιοχή που σχηματίζεται από την εμπρόσθια και την αντίστροφη καμπύλη της διεργασίας και περιέχεται στον κύκλο. Εάν στο γράφημα η γραμμή διαστολής βρίσκεται πάνω από τη γραμμή συμπίεσης, η κατεύθυνση του κύκλου εμφανίζεται δεξιόστροφα και το έργο που παράγεται στη διαδικασία καταναλώνεται από εξωτερικές συσκευές, ένας τέτοιος κύκλος είναι απευθείας.Εάν στο διάγραμμα η γραμμή συμπίεσης βρίσκεται πάνω από τη γραμμή διαστολής, η κατεύθυνση του κύκλου είναι αριστερόστροφα και η εργασία γίνεται με τη βοήθεια μιας εξωτερικής πηγής, ένας τέτοιος κύκλος είναι ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ

Χρήσιμη εργασία κινητήρα μπορεί να επιτευχθεί μόνο όταν η εργασία εκτόνωσης είναι μεγαλύτερη από την εργασία συμπίεσης. Η μετατροπή της θερμότητας σε μηχανικό έργο είναι μια μη αυθόρμητη διαδικασία και πρέπει να συνοδεύεται αποζημίωση.

Θερμικές συσκευές λαμβάνονται υπόψη ιδανικό,εάν δεν υπάρχουν απώλειες. Ένας κύκλος θεωρείται επίσης ιδανικός εάν σχηματίζεται μόνο από αναστρέψιμα φαινόμενα. Στις θερμικές μηχανές, ονομάζεται εκτίμηση της απόδοσης ενός ιδανικού άμεσου κύκλου θερμική απόδοση.Είναι ίση με την αναλογία της θερμότητας που μετατράπηκε σε εργασία κατά τη διάρκεια του κύκλου προς όλη τη θερμότητα που παρέχεται και συμβολίζεται h t(«αυτό», ελληνικό γράμμα):

Οπου 1 γ- χρήσιμη εργασία.

q1 – παρεχόμενη θερμότητα.

q 2– αφαιρέθηκε η θερμότητα. Η εξωτερική εργασία κατά τη διάρκεια του αντίστροφου κύκλου ισούται με:

1 γ = q 1 – q2,

όπου q 1 – θερμότητα που απορρίπτεται στη θερμή πηγή.

q 2 – η θερμότητα αφαιρείται από μια ψυχρή πηγή.

Υπάρχει ένας όρος για τον αντίστροφο ιδανικό κύκλο αποτελεσματικότητα ψύξης,ποιο υποδεικνυεται? t :

Μπορεί να διατυπωθεί δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικήςΈτσι: «Σε μια θερμική μηχανή, η μετατροπή της θερμότητας σε μηχανικό έργο είναι 100% αδύνατη».

36. Αντίστροφος και αναστρέψιμος κύκλος Carnot

Στη θερμοδυναμική έρευνα, όχι μόνο η προς τα εμπρός κατεύθυνση, αλλά και η αντίστροφη κατεύθυνση του κύκλου Carnot έχει λάβει πρακτική εφαρμογή. Διαφορά αντίστροφου κύκλουείναι ότι η θερμότητα αφαιρείται από μια πηγή με χαμηλή θερμοκρασία και δίνεται σε μια πηγή με υψηλή θερμοκρασία. Αυτός ο κύκλος είναι ιδανικός για ψυκτικές μονάδες.

Το ρευστό εργασίας που εμπλέκεται στον αντίστροφο κύκλο ονομάζεται ψυκτικός.Κατά τη διάρκεια της αδιαβατικής διαστολής, η θερμοκρασία μειώνεται από μια τιμή 71 σε μια τιμή T tΜετά από αυτό, όταν λαμβάνεται θερμότητα R2 από ψυχρή πηγή (T2), το αέριο συμπιέζεται ισοθερμικά. Στην επόμενη διαδικασία, εμφανίζεται αδιαβατική συμπίεση και η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας αυξάνεται από την τιμή Τ 2μέχρι την τιμή Τ 1.Κατά την ισοθερμική συμπίεση, θερμαίνεται q 1 αφαιρείται από την ουσία εργασίας και πηγαίνει στη θερμή πηγή.

Το ψυκτικό μηχάνημα λειτουργεί με αντίστροφο κύκλο, η δημιουργία του οποίου απαιτεί συγκεκριμένη ποσότητα εργασίας (Ι). Σε αυτή την περίπτωση, το q μεταφέρεται από μια ψυχρή σε μια θερμή πηγή 2 (ποσότητα θερμότητας), και η θερμή πηγή εξακολουθεί να λαμβάνει θερμότητα αριθμητικά ίση με την εργασία που έγινε I. Έτσι, η συνολική ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στη θερμή πηγή είναι ίση με:

q 1 = q 2 + 1

Η εργασία κατά τη διαδικασία διαστολής είναι θετική και η εργασία κατά τη διαδικασία συμπίεσης είναι αρνητική. Η συνολική εργασία που απαιτείται για τη μεταφορά θερμότητας από μια κρύα σε μια θερμή πηγή είναι:

και αρνητικό.

Συντελεστής απόδοσηςμιχαρακτηρίζει την απόδοση των συσκευών ψύξης και καθορίζεται από την αναλογία:

όπου q 2 – την ποσότητα θερμότητας που αφαιρείται από την ψυχρή πηγή και λαμβάνεται από τη θερμή πηγή·

I – τέλεια δουλειά.

Για έναν αντίστροφο και αναστρέψιμο κύκλο Carnot, ο συντελεστής απόδοσης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τη σχέση:

37. Θεώρημα Carnot

Ας αναλύσουμε εν συντομία τον τύπο για την απόδοση τερματικού ενός αναστρέψιμου άμεσου κύκλου Carnot:

Από την ισότητα αυτή προκύπτει:

1) η θερμική απόδοση εξαρτάται μόνο από τις θερμοκρασίες των ζεστών και ψυχρών πηγών.

2) h t(για τον κύκλο Carnot) όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία της θερμής πηγής (71) και τόσο χαμηλότερη η θερμοκρασία της ψυχρής πηγής (72).

3) στον κύκλο Carnot, η θερμική απόδοση πρέπει να είναι μικρότερη από τη μονάδα. Επειδή h t= 1 μπορεί να είναι μόνο στην περίπτωση T 2 / T 1 = 0, όταν T 1 = 0, ή T 2 = 0 (ή T 2 = -273,15 o C). Η θερμοκρασία της ψυχρής πηγής 72 στις πραγματικές θερμικές μηχανές είναι συνήθως μια θερμοκρασία T 2 = 260 – 300 κ(περιβάλλον). Η θερμοκρασία του θερμαντήρα στον κλίβανο των σταθμών παραγωγής ατμού είναι περίπου 2000 K και στους κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι περίπου 2500 K, καθώς τα τοιχώματα των κυλίνδρων εμβόλου αυτών των κινητήρων ψύχονται και τα προϊόντα καύσης γίνονται η ουσία εργασίας. Αυτό συνεπάγεται την ίδια δήλωση ότι όλη η θερμότητα που παρέχεται στο αέριο κατά τη διάρκεια του κύκλου δεν μπορεί να μετατραπεί πλήρως σε χρήσιμο έργο· αυτή η μετάβαση πρέπει απαραίτητα να συνοδεύεται από απώλεια μέρους της θερμότητας (απορροφάται από την ψυχρή πηγή).

4) στον κύκλο Carnot η θερμική απόδοση είναι μηδέν στην περίπτωση του T 1 = Τ 2 . Από αυτό προκύπτει ότι εάν διατηρείται η θερμική ισορροπία στο σύστημα, δηλαδή η θερμοκρασία όλων των σωμάτων του συστήματος είναι η ίδια, τότε η μετατροπή της θερμότητας σε χρήσιμο έργο είναι αδύνατη. Για τον κύκλο Carnot (άμεσος) ισχύει: h t= 1 – T 2 / T 1 = 1 – 1 = 0 στο T 1 = ? t = T 2 (σε περίπτωση ίσων θερμοκρασιών και των δύο πηγών).

5) θερμική απόδοση; Το t χαρακτηρίζει έναν αναστρέψιμο κύκλο Carnot (κυκλική διαδικασία). Όλες οι πραγματικές διεργασίες είναι μη αναστρέψιμες, αυτό εξηγείται από απώλειες ενέργειας (λόγω μεταφοράς θερμότητας, τριβής κ.λπ.). Επομένως, η θερμική απόδοση ενός πραγματικού κύκλου Carnot (μη αναστρέψιμη) είναι πάντα μικρότερη από την τιμή 1 – T 2 /Τ 1 . Το κύριο χαρακτηριστικό αυτού του κύκλου είναι ότι είναι το ίδιο τόσο για τα ιδανικά όσο και για τα συνηθισμένα πραγματικά αέρια, εάν δοθούν οι θερμοκρασίες (Τ 1 , Τ 2) πηγές. Αυτή η δήλωση είναι η ουσία Θεώρημα Carnot,που λέει: «Σε μια θερμική μηχανή για οποιονδήποτε αναστρέψιμο κύκλο, η θερμική απόδοση δεν θα εξαρτάται ούτε από τη φύση του κύκλου ούτε από τον τύπο της ουσίας (ρευστό εργασίας).» Θα προσδιοριστεί μόνο από την αναλογία των θερμοκρασιών του θερμαντήρα (πομπός θερμότητας) και του ψυγείου (δέκτης θερμότητας). Με άλλα λόγια, σε μια θερμική μηχανή, για κάθε αναστρέψιμο κύκλο, η θερμική απόδοση υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ίδιο τύπο που ορίζεται για τον αναστρέψιμο κύκλο Carnot.

38. Μεταβολή της εντροπίας στις διεργασίες

Εντροπίαείναι μια παράμετρος κατάστασης που εξαρτάται από τη μειωμένη θερμότητα (αναλογία q/Τ). Η μεταβολή της εντροπίας υπολογίζεται με τον τύπο:

όπου q 1.2 είναι η ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο λειτουργικό ρευστό ή αφαιρείται από αυτό.

Tav – μέση θερμοκρασία παρεχόμενης (ή αφαιρούμενης) θερμότητας.

Αυτή η σχέση καθορίζει τη μεταβολή της εντροπίας από την αρχική τιμή εντροπίας S 1 στην τελική τιμή S 2

1) σε q 1,2 > 0 (η θερμότητα παρέχεται στο ρευστό εργασίας), η μεταβολή της εντροπίας είναι θετική: S 2 – S 1 > 0, S 2 > S 1, αφού η μέση θερμοδυναμική θερμοκρασία πρέπει να είναι πάντα θετική, δηλ. Τ μ.σ> 0. Με άλλα λόγια, η εντροπία του σώματος αυξάνεται.

2) στο q 1,2< 0 (теплота отводится от рабочего тела) изменение энтропии отрицательно: S 2 – S 1 <0, S 2 < S 1 т. е. энтропия тела снижается;

3) σε q 1,2 = 0 (αδιαβατική διαδικασία), η μεταβολή της εντροπίας είναι μηδέν: S 2 – S 1 = 0, S 2 = S 1 δηλ. η εντροπία του σώματος παραμένει σταθερή. Μια διαδικασία κατά την οποία η τιμή της εντροπίας δεν αλλάζει ονομάζεται ισεντροπική.

Για ένα ιδανικό αέριο βγάζουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα.

1. Σε μια ισοθερμική διεργασία, αντί για T av αρκεί να αντικατασταθούν οι τιμές θερμοκρασίας T στην εξίσωση εντροπίας, αφού T 1 = T 2 = const.

2. Η μεταβολή της εντροπίας κατά τη διάρκεια μιας ισοχωρικής διεργασίας ισούται με:

S 2 – S 1 = 2,3m; v log (T 2 / T 1).

3. Η μεταβολή της εντροπίας κατά τη διάρκεια μιας ισοβαρικής διεργασίας είναι ίση με:

S 2 – S 1 = 2,3m; p log (T 2 / T 1).

Οπου? V – ειδική θερμοχωρητικότητα σε διεργασία με σταθερό όγκο.

?Π– ειδική θερμοχωρητικότητα σε διαδικασία με σταθερή πίεση.

Έτσι, η εντροπία μπορεί να αυξηθεί (μειωθεί) όταν η θερμότητα παρέχεται (αφαιρείται) σε ένα αυθαίρετο ρευστό εργασίας ή να παραμείνει αμετάβλητη απουσία μεταφοράς θερμότητας. Όταν ολοκληρώνεται ένας κύκλος, η εντροπία του ρευστού εργασίας αυξάνεται επίσης όταν λαμβάνει θερμότητα από μια πηγή ή μειώνεται όταν απελευθερώνεται θερμότητα σε μια πηγή.

Σε πραγματικές διεργασίες, λόγω του φαινομένου της μη αναστρεψιμότητας, η απόδοση της θερμικής συσκευής μειώνεται. Το μέτρο τέτοιων απωλειών είναι η εντροπία: η αύξησή της εξαρτάται άμεσα από την απώλεια του όγκου της εργασίας.

39. Η αρχή της αυξανόμενης εντροπίας και η φυσική έννοια του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής

Ας διερευνήσουμε την έννοια της εντροπίας ως συνάρτηση της κατάστασης:

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικήςμπορεί να διατυπωθεί ως: Τιμή εντροπίας

αντιπροσωπεύει ένα πλήρες διαφορικό, δηλαδή είναι συνάρτηση κατάστασης.

Μία από τις φυσικές έννοιες της εντροπίας μπορεί να ονομαστεί αύξηση της οργάνωσης (τακτικότητας) ενός συστήματος με μείωση της εντροπίας.

Ας εξετάσουμε το φαινόμενο της αύξησης της εντροπίας χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός κλειστού απομονωμένου συστήματος που αποτελείται από ένα λειτουργικό ρευστό, θερμές και ψυχρές πηγές θερμότητας που σχηματίζουν το περιβάλλον του συστήματος. Η μετάβαση του συστήματος από τη μια θέση στην άλλη συνοδεύεται από εργασία, και

dS >= 0,S 2 > S 1 .

Για ένα απομονωμένο κλειστό σύστημα, η μεταβολή (αύξηση) της εντροπίας είναι θετική (μη αναστρέψιμη διαδικασία) ή ίση με μηδέν (αναστρέψιμη διαδικασία) για μια αυθαίρετη θερμοδυναμική διεργασία.

Για την κυκλική διαδικασία μετατροπής της θερμότητας σε εργασία (μη αυθόρμητη) SdS i = 0 (αναστρέψιμες διεργασίες) και SDS > 0 (μη αναστρέψιμες διεργασίες), επομένως, σε ένα απομονωμένο σύστημα, η εντροπία αυξάνεται.

Αυτή η δήλωση ονομάζεται την αρχή της αυξανόμενης εντροπίας.

Η μαθηματική έκφραση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής σε διαφορική μορφή γράφεται ως εξής:

όπου το πρόσημο ίσου χρησιμοποιείται για μια αναστρέψιμη διαδικασία και το πρόσημο της ανισότητας για μια μη αναστρέψιμη.

Από αυτή την εξίσωση είναι σαφές ότι η συνολική αύξηση της εντροπίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Είναι γνωστό ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας, αυξάνεται η ποσότητα θερμότητας που μπορεί να μετατραπεί σε εργασία. Με άλλα λόγια, η ενεργειακή αξία της θερμότητας αυξάνεται. Έτσι, η εντροπία μέσω της θερμοκρασίας καθορίζει την ποσότητα της θερμότητας που μετατρέπεται σε έργο, γεγονός που καθορίζει τη σύνδεσή της με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο. Ο νόμος αυτός ορίζει τις προϋποθέσεις μετατροπής της θερμότητας σε χρήσιμο έργο.

Ασκητικές λειτουργίεςονομάζονται εκφράσεις που επιτρέπουν σε κάποιον να υπολογίσει την τιμή της εξεργίας.

40. Εντροπία και στατική φύση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής

Είναι γνωστό ότι στη θεωρία της μηχανικής, χρησιμοποιούνται δυναμικοί νόμοι για τη μελέτη της κίνησης μεμονωμένων μορίων. Η μοριακή κινητική θεωρία διαφέρει από τη μηχανική στο ότι μελετά συστήματα που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μορίων. Η χαοτική κίνηση των σωματιδίων σε τέτοια συστήματα υπακούει σε άλλους (στατιστικούς) νόμους. Παρά το γεγονός ότι η κίνηση κάθε μορίου περιγράφεται από μηχανικούς νόμους, ολόκληρο το σύνολο των σωματιδίων δεν λαμβάνεται υπόψη στη θεωρία της μηχανικής· η συμπεριφορά του μελετάται από τη στατιστική φυσική. Το γεγονός είναι ότι για όλα τα σωματίδια καθορίζεται η μέση τιμή των χαρακτηριστικών τους - μέση ταχύτητα, μέση ενέργεια κ.λπ. (μέση θερμοκρασία, μέση πίεση).

Κάτω από τέτοιες στατιστικές συνθήκες, ο μέσος όρος των χαρακτηριστικών της ύπαρξης οποιασδήποτε θερμοδυναμικής κατάστασης μιας ουσίας (για παράδειγμα, ενός αερίου) δεν είναι αυστηρά απαραίτητος, αλλά έχει μόνο μια ορισμένη πιθανότητα.

Το απλούστερο παράδειγμα είναι η περίπτωση της ισότητας των ταχυτήτων όλων των μορίων αερίου ως η μικρότερη πιθανότητα ύπαρξης μιας κατάστασης μιας δεδομένης ουσίας. Ας υποδηλώσουμε υπό όρους μια τέτοια πιθανότητα με την τιμή της ποσότητας.Στην περίπτωση άνισων ταχυτήτων, ο πιθανός αριθμός των συνδυασμών τους είναι μεγάλος και η ύπαρξη μιας κατάστασης στην οποία οι ταχύτητες των σωματιδίων είναι άνισες έχει την πιθανότητα W> W0,και αυτή η διαφορά είναι αρκετά σημαντική. Ετσι, θερμοδυναμική πιθανότηταη ποσότητα ονομάζεται:

Η τιμή του είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μονάδα, και ως εκ τούτου ονομάζεται επίσης στατιστικό βάρος της θερμοδυναμικής κατάστασης. Η στατιστική φυσική καθιερώνει επίσης μια σύνδεση μεταξύ της θερμοδυναμικής πιθανότητας και εντροπίασυστήματα.

Η άμεση εξάρτηση της εντροπίας από τον λογάριθμο της θερμοδυναμικής πιθανότητας προσδιορίζεται από την έκφραση:

Οπου R– Σταθερά Clayperon;

N 0 – Η σταθερά του Avogadro.

Η ποσότητα Κ είναι σταθερά (ή σταθερά) του Boltzmann.

Κατά συνέπεια, με την αύξηση της εντροπίας, η πιθανότητα εμφάνισης μιας ή άλλης θερμοδυναμικής κατάστασης αυξάνεται. Επιπλέον, η πιο πιθανή κατάσταση εμφανίζεται στη μέγιστη τιμή της εντροπίας.

41. Εξίσωση κατάστασης Van der Waals

Στη γενική περίπτωση, για πραγματικά αέρια, κατά τον υπολογισμό των παραμέτρων κατάστασης, είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθεί η εξίσωση της κατάστασης pv = RT,

πράγμα που ισχύει για τα ιδανικά αέρια.

Γενική εξίσωση κατάστασης για πραγματικά αέρια.

στα οποία οι συντελεστές B i -ονομάζονται virial. Αυτοί οι συντελεστές είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας των πραγματικών μορίων αερίου και της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασής τους.

Στον ορισμό Β Εγώ– οι συντελεστές υπολογίζονται μόνο για τους δύο πρώτους όρους της σειράς, οι υπόλοιποι ιογενείς συντελεστές απορρίπτονται.

Τότε η εξίσωση κατάστασης για τα πραγματικά αέρια παίρνει την ακόλουθη μορφή:

Οπου ΕΝΑΚαι ΣΕ– οι δύο πρώτοι ιογενείς συντελεστές, ανάλογα μόνο με τη θερμοκρασία.

Σε μια ειδική περίπτωση (χαμηλή πυκνότητα αερίου), η εξίσωση έχει τη μορφή:

Αν Β 1 = f(T, Uδυναμικό), τότε η εξίσωση γίνεται εξίσωση κατάστασης για ένα πραγματικό αέριο van der Waals:

Οπου σι– ο ελάχιστος όγκος που μπορεί να αποκτήσει ένα πραγματικό αέριο κατά τη συμπίεση.

ΕΝΑ– συντελεστής που δεν είναι συνάρτηση παραμέτρων κατάστασης.

Για διαφορετικά αέρια οι τιμές ΕΝΑΚαι σιείναι διαφορετικά.

Με άλλα λόγια, η εξίσωση van der Waals είναι μια ειδική περίπτωση του νόμου Bogolyubov-Mayer, στην οποία παραβλέπονται όλοι οι όροι 1/v πάνω από τον δεύτερο βαθμό. Εάν ένα πραγματικό αέριο έχει υψηλή πυκνότητα, τότε οι εξισώσεις αυτού του τύπου θα ισχύουν για μεγαλύτερο αριθμό όρων της σειράς. Σε αυτή την περίπτωση, οι εξισώσεις της κατάστασης των πραγματικών αερίων παρέχουν ακρίβεια υπολογισμού που είναι αποδεκτή στην πράξη.

42. Εξίσωση κατάστασης για πραγματικά αέρια από τους M. N. Vukalovich και I. I. Novikov

Μια καθολική εξίσωση που περιγράφει την κατάσταση οποιωνδήποτε πραγματικών αερίων ελήφθη το 1939 από Ρώσους επιστήμονες I. I. NovikovΚαι Μ. Ν. Βουκάλοβιτς.Σε αυτόν

το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης δυνάμεων των μορίων (σύνδεση, διάσταση) είχε ήδη ληφθεί υπόψη και σε γενική μορφή γράφτηκε με τη μορφή:

Οπου ΕΝΑΚαι ΣΕ– συντελεστές που υπολογίζονται με τους τύπους:

Οπου ΕΝΑΚαι σι– για πραγματικά αέρια, σταθερές ποσότητες στις εξισώσεις κατάστασης.

R– καθολική σταθερά αερίου. r, c, k, m 1, m 2 – συντελεστές που εκφράζουν το βαθμό συσχέτισης.

Διαφορετικά, η εξίσωση Vukalovich-Novikov μπορεί να αναπαρασταθεί ως:

Οπου ΕΝΑΚαι σι– σταθερές τιμές στην εξίσωση van der Waals. m, γ– σταθερές, υπολογισμένες εμπειρικά.

Γενικά, οι κύριες παράμετροι για τον υπέρθερμο ατμό (παρόμοιο με το αέριο) είναι παράμετροι κατάστασης όπως η θερμοκρασία, η πίεση και ο ειδικός όγκος. Ο υπέρθερμος ατμός είναι κοντά σε ιδιότητες σε ένα ιδανικό αέριο, αφού οι παράμετροί του βρίσκονται μακριά από το κρίσιμο σημείο και από την οριακή καμπύλη (άνω καμπύλη στα διαγράμματα). Εάν η πίεση του υπέρθερμου ατμού δεν είναι πολύ υψηλή, τότε η εξίσωση της κατάστασης μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση van der Waals για την περίπτωση ενός πραγματικού αερίου, εισάγοντας διορθώσεις σε αυτό.

Για τους υδρατμούς, η εξίσωση κατάστασης των M.N. Vukalovich και I.I. Novikov στη σύγχρονη θερμοδυναμική είναι η πιο ακριβής εξίσωση. Επιπλέον, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των καταστάσεων του υπέρθερμου ατμού (υπό τον υπολογισμό της πίεσης), εάν προσθέσετε αρκετούς επόμενους όρους της εξίσωσης σε αυτό.

43. Μερικές παράγωγοι παραμέτρων κατάστασης. Θερμικοί συντελεστές

Περιγράφονται οι ιδιότητες των πραγματικών ουσιών θερμικοί συντελεστές.

Ορισμός 1. Συντελεστής διαστολής όγκουέναείναι η μεταβολή του όγκου μιας ουσίας όταν η θερμοκρασία της αυξάνεται κατά ένα βαθμό.

– μερική παράγωγος παραμέτρων κατάστασης.

Χαρακτηρίζει τη μεταβολή του όγκου μιας ουσίας με μια ορισμένη μάζα εάν η θερμοκρασία της αυξηθεί κατά ένα βαθμό και η εξωτερική πίεση παραμένει σταθερή.

Ορισμός 2. Συντελεστής θερμικής πίεσηςσιονομάζεται μεταβολή της πίεσης ανάλογα με τη μεταβολή της θερμοκρασίας της ουσίας. Αυτή η τιμή είναι επίσης σχετική και υπολογίζεται ως:

– μερική παράγωγο, χαρακτηρίζοντας τις αλλαγές πίεσης Π,Αν η θερμοκρασία μιας ουσίας αυξηθεί κατά ένα βαθμό και ο όγκος παραμείνει σταθερός, η πίεση Πείναι συνάρτηση της θερμοκρασίας.

Ορισμός 3. Ισοθερμικός συντελεστής συμπιεστότηταςσολονομάζεται η μεταβολή του όγκου ανάλογα με τη μεταβολή της πίεσης.

– μερική παράγωγο, χαρακτηρίζει τη μεταβολή του όγκου μιας ουσίας εάν η πίεση μεταβάλλεται κατά μία μονάδα.

44. Ιδιότητες χαρακτηριστικών συναρτήσεων

Οι συναρτήσεις που περιγράφουν οποιεσδήποτε θερμοδυναμικές ιδιότητες ονομάζονται χαρακτηριστικές συναρτήσεις ή θερμοδυναμικά δυναμικά του συστήματος.Οι πιο σημαντικές χαρακτηριστικές λειτουργίες είναι: η ενθαλπία

Εγώ= Εγώ(S,p),

εσωτερική ενέργεια

U= U(S,v),

ισοβαρικό-ισόθερμο δυναμικό ή ελεύθερη ενθαλπία,

Ζ= Z(T,p),

ισοχωρικό-ισόθερμο δυναμικό ή ελεύθερη ενέργεια,

φά= φά(Τηλεόραση).

Προς το κύριο ιδιότητες χαρακτηριστικών συναρτήσεωνπεριλαμβάνουν τα ακόλουθα.

1. Τα θερμοδυναμικά δυναμικά διαφέρουν από άλλες συναρτήσεις στο ότι έχουν απλούστερη δομή και συγκεκριμένη φυσική σημασία.

2. Οι παράμετροι της κατάστασης του συστήματος είναι ίσες με τις μερικές παραγώγους του θερμοδυναμικού δυναμικού, που λαμβάνονται σύμφωνα με τις ίδιες παραμέτρους.

3. Ως αποτέλεσμα διαφοροποίησης του θερμοδυναμικού δυναμικού, προκύπτει το συνολικό διαφορικό αυτής της συνάρτησης.

4. Χρησιμοποιώντας χαρακτηριστικές συναρτήσεις γραμμένες σε διαφορική μορφή, μπορείτε να λάβετε τυχόν θερμοδυναμικές παραμέτρους του συστήματος.

5. Το θερμοδυναμικό δυναμικό ολόκληρου του συστήματος αποτελείται από τις δυναμικές τιμές των μερών του, δηλαδή έχει την ιδιότητα της προσθετικότητας.

6. Οι χαρακτηριστικές συναρτήσεις καθορίζουν τη σχέση μεταξύ των διαφόρων θερμοδυναμικών ιδιοτήτων μιας ουσίας. Έτσι, για παράδειγμα, οι πρώτες παράγωγοι του δυναμικού χαρακτηρίζουν τις θερμικές ιδιότητες (δηλαδή, ποσότητες που μετρώνται απευθείας από όργανα - όγκος, θερμοκρασία, πίεση), και οι δεύτερες παράγωγοι αντιστοιχούν στις θερμιδικές ιδιότητες του συστήματος (αυτές είναι ποσότητες εκφρασμένες σε μονάδες θερμοχωρητικότητα, εντροπία, ενθαλπία, εσωτερική ενέργεια).

7. Μερικές παράγωγοι χαρακτηριστικών συναρτήσεων σας επιτρέπουν να συνθέσετε εξισώσεις θερμοχωρητικότητας ΒιογραφικόΚαι C p,εξισώσεις καταστάσεων και άλλες θερμοδυναμικές εξαρτήσεις.

8. Η συνάρτηση είναι χαρακτηριστική μόνο για ορισμένες παραμέτρους. Κατά την επιλογή άλλων μεταβλητών, χάνει τις ιδιότητές του, γιατί σε αυτή την περίπτωση οι επιμέρους παράγωγοι δεν εκφράζουν τις θερμοδυναμικές ιδιότητες του συστήματος.

45. Χημικό δυναμικό

Χημική ενέργειαΑυτή είναι η ενέργεια που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα χημικών αλληλεπιδράσεων και αποτελεί μέρος της εσωτερικής ενέργειας μιας ουσίας. Οι χημικές αντιδράσεις διακρίνονται σε εξώθερμες (που λαμβάνουν χώρα με την απελευθέρωση ενέργειας) και ενδόθερμες (συνοδευόμενες από την απορρόφησή της).

Στην περίπτωση μιας χημικής αντίδρασης, η εσωτερική ενέργεια του συστήματος αλλάζει, καθώς αλλάζει η απορρόφηση των ατόμων στις αντιδρώντες ουσίες. Για τέτοιες διαδικασίες, μπορούμε να εφαρμόσουμε τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο με τη μορφή:

U 1 -U 2 =?U=Q+A,

Οπου Q- ποσότητα θερμότητας.

DU – αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια μιας ουσίας.

ΕΝΑ– χρήσιμη εργασία, συμπεριλαμβανομένης της εργασίας για την υπέρβαση διαφόρων ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων.

Η εργασία που γίνεται σε μια αναστρέψιμη χημική αντίδραση είναι μέγιστη. Εκφράζεται χρησιμοποιώντας την εξίσωση Gibbs-Helmholtz:

Ας εξετάσουμε το χημικό δυναμικό της αντίδρασης. Στην περίπτωση των χημικών αντιδράσεων, η μάζα των αντιδρώντων δεν είναι σταθερή· μπορεί να οριστεί ως συνάρτηση Τ(ποσότητα ουσίας) από βασικές παραμέτρους (v, p, T, F, S,Uκαι τα λοιπά). Ας διαφοροποιήσουμε την ισότητα:

Οπου u– συγκεκριμένη ποσότητα εσωτερικής ενέργειας, έχουμε:

dU = mdu + udm,

f = u– ST+ pv= Εγώ– ST

ι– χημικό δυναμικό.

Αλλά, χημικό δυναμικόονομάζεται μερική παράγωγος ως προς τη μάζα, που λαμβάνεται από οποιοδήποτε θερμοδυναμικό δυναμικό σε ορισμένες τιμές του ορίσματος. Το χημικό δυναμικό δείχνει πώς αλλάζει η ενέργεια μιας ουσίας εάν η μάζα της αλλάξει κατά ένα.

46. ​​Βασικές διαφορικές εξισώσεις θερμοδυναμικής

Διαφορικές εξισώσεις στη θερμοδυναμικήχρησιμοποιείται για τη μελέτη πραγματικών αερίων σε θεωρητικούς (και πρακτικούς) υπολογισμούς.

Ας εξετάσουμε τις παρακάτω περιπτώσεις.

1. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές είναι οι παράμετροι p, V.

Αυτός είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής σε διαφορική μορφή.

2. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές είναι παράμετροι r, T.

και η συνολική διαφορά όγκου έχει τη μορφή:

3. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές είναι παράμετροι V, T.

4. Πότε Π= σταθερή θερμοχωρητικότητα

στο v= σταθερή θερμοχωρητικότητα

47. Μερικά παράγωγα ως προς τον όγκο, την πίεση, τη θερμοκρασία

1. Μερική παράγωγος ως προς τον όγκο:

Αυτή είναι η μερική παράγωγος σε σχέση με τον όγκο που λαμβάνεται από την εσωτερική τιμή ενέργειας. 2. Μερική παράγωγος ως προς την πίεση.

Ας αντικαταστήσουμε την τιμή dQΣχετικά με dS = dQ/ T, παίρνουμε:

Αυτή είναι η μερική παράγωγος σε σχέση με την πίεση που λαμβάνεται από την τιμή της εσωτερικής ενέργειας. 3. Μερική παράγωγος ως προς τη θερμοκρασία.

Αυτή είναι η μερική παράγωγος σε σχέση με τη θερμοκρασία που λαμβάνεται από την εσωτερική τιμή ενέργειας.

48. Εξίσωση συνέχειας

Σύμφωνα με τη θεωρία της ροής αερίου, η ροή αερίου στην περίπτωση της στασιμότητας προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας ένα ειδικό σύστημα εξισώσεων. Περιλαμβάνει τις ακόλουθες αναλογίες:

1) εξίσωση ενέργειας για τη ροή αερίου.

2) εξίσωση κατάστασης?

3) εξίσωση για τη συνέχεια της ροής του αερίου.

Εξίσωση ενέργειαςακολουθεί από την πρώτη αρχή

θερμοδυναμική για ροές αερίου.

Εξίσωση συνέχειαςη αναλογία ονομάζεται:

Gv = Fw.

Από αυτό προκύπτει ότι στην περίπτωση της σταθερής ροής αερίου σε κάθε τμήμα της ροής, ο ρυθμός ροής αερίου κατά μάζα είναι μια σταθερή τιμή. Διαφορετικά, αυτή η εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως:

σολ=pFw =p 1 F 1 w 1 =P 2 F 2 w 2 =συνστ,

Οπου r 1 ,r 2, r= 1/v πυκνότητα αερίου σε διατομές.

F 1, F 2– επιφάνεια διατομής ροής·

w 1, w 2– ταχύτητα ροής, μετρούμενη στην περιοχή της διατομής.

Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχουν δύο τμήματα ροής (1ο και 2ο) και η τιμή σολΑπό αυτή την εξίσωση ονομάζεται ταχύτητα ροής μάζας αερίου (ανά δευτερόλεπτο).

Όπως γνωρίζετε, ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα δηλώνει: «Η δύναμη καθορίζεται από το γινόμενο της μάζας και της επιτάχυνσης». Εάν η ροή του αερίου είναι μονοδιάστατη, τότε ο δεύτερος νόμος ακολουθεί:

Σε αυτή τη σχέση, κάθε όρος έχει μια συγκεκριμένη φυσική σημασία. Ας δούμε κάθε παράγοντα της εξίσωσης.

1. Μέγεθος

δείχνει πώς αλλάζει η πίεση ανάλογα με τη συντεταγμένη Χ.

2. Μέγεθος

δείχνει πώς αλλάζει η ταχύτητα ανάλογα με τη συντεταγμένη X.

3. Αναλογία

είναι ίση με τη δύναμη που εφαρμόζεται στον στοιχειώδη όγκο, dV είναι ο επιλεγμένος όγκος.

4. Μέγεθος

αέριο ισούται με την επιτάχυνση της μάζας pdf(στοιχειακή μάζα).

49. Εργασία ώθησης

Εργασία ώθησης.Για να το προσδιορίσετε στην εξίσωση:

ας αντικαταστήσουμε την ισότητα i = u + pv, έχουμε ως αποτέλεσμα:

όπου d(pv) είναι το έργο ώθησης που υπολογίζεται για έναν στοιχειώδη όγκο,

d(pv) = pdv+vdp– εξίσωση για στοιχειώδη εργασία.

Η σχέση (2), συμπεριλαμβανομένων των βαρυτικών δυνάμεων, έχει τη μορφή:

Στην περίπτωση που η ροή του αερίου αναπαρίσταται ως αδιαβατική διεργασία στην οποία dq = 0, η σχέση (1) γράφεται ως εξής:

Με την αδιαβατική κίνηση ροής, το άθροισμα της συγκεκριμένης κινητικής ενέργειας και της ειδικής ενθαλπίας είναι μια σταθερή τιμή.

Εάν πραγματοποιηθεί τεχνική εργασία στη διαδικασία, τότε για μια ροή αερίου ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής θα έχει τη μορφή:

Οπου dl TEK– χρήσιμη εργασία (στοιχειώδης).

50. Διαθέσιμες εργασίες κατά την εκροή αερίου

Ας μελετήσουμε τη διαδικασία κίνησης (εκροής) μιας ροής αερίου.

Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα συγκεκριμένο δοχείο· περιέχει ατμό ή αέριο (δηλαδή, ένα λειτουργικό ρευστό) με παραμέτρους κατάστασης με τη μορφή τιμών f 1, v 1, p 1. Από αυτό το δοχείο, στο τοίχωμα του οποίου υπάρχει μια τρύπα, ρέει αέριο στο περιβάλλον. Αυτό συμβαίνει λόγω της διαφοράς πίεσης (p 1 – p 2), η έξοδος αερίου έχει πίεση p 1< p 2 Соответственно температура газа при этом равна t2,και ο ειδικός όγκος είναι v 2 Για να λάβει το ρεύμα του διαφυγόντος αερίου μια δεδομένη κατεύθυνση, τοποθετούνται κυλινδρικά ακροφύσια (τα λεγόμενα ακροφύσια) στο εξωτερικό του δοχείου προς την επιφάνεια που βρίσκεται η οπή. Τις περισσότερες φορές έχουν το σχήμα ενός κόλουρου κώνου, που λεπταίνει προς την εξωτερική άκρη. Τέτοια ακροφύσια ονομάζονται συγχυτικά. Στην περίπτωση ενός καναλιού που λειτουργεί σύμφωνα με την αντίστροφη διαδικασία, ένα τέτοιο ακροφύσιο είναι ένας διαχύτης. Το στόμιο είναι το εξωτερικό (δηλαδή, έξοδος) τμήμα του ακροφυσίου.

Ας υποδηλώσουμε την ταχύτητα του πίδακα αερίου στην έξοδο από το στόμιο με την τιμή και στην είσοδο του δοχείου - με την τιμή W 1 (εισερχόμενο αέριο), ενώ το ακροφύσιο έχει ένα στόμιο, η διατομή του οποίου είναι καθορίζεται από την περιοχή f. Στην πράξη w 1πολύ λιγότερο w2,Κατά τον υπολογισμό, παραμελείται και γίνεται αποδεκτό: w 1= 0, w 2= w.

dq = du + dA,

Οπου dA = pdv –εργασίες διαστολής ή στοιχειώδεις εργασίες που γίνονται από το ίδιο το αέριο. Από εδώ:

Έτσι, ως αποτέλεσμα της εκροής αερίου, έχουμε έργο ίσο με Α 0.Αριθμητικά, ισούται είτε με την αύξηση της κινητικής ενέργειας κατά την εκροή, είτε με το άθροισμα του έργου της ώθησης και κατά των εξωτερικών δυνάμεων.

51. Ταχύτητα εκροής σε κωνικό κανάλι, ταχύτητα ροής μάζας

Ταχύτητα εκροής σε κωνικό κανάλι

Ας εξετάσουμε τη διαδικασία της αδιαβατικής εκροής της ύλης. Ας υποθέσουμε ότι ένα λειτουργικό ρευστό με συγκεκριμένο συγκεκριμένο όγκο (v 1)βρίσκεται σε μια δεξαμενή υπό μια ορισμένη πίεση (σελ 1).Η διαδικασία εκροής περιλαμβάνει την κίνηση αερίου (ή ατμού) από ένα μέσο υπό πίεση σελ 1(δεξαμενή) στο περιβάλλον, η πίεση στο οποίο p2< p 1 . Ταυτόχρονα, κατά τη διαδικασία ροής της ουσίας εργασίας από το ακροφύσιο, η πίεση μέσα στη δεξαμενή πρακτικά δεν μειώνεται· αυτό είναι αποδεκτό στην περίπτωση πολύ μεγάλου όγκου δεξαμενής. Όταν μια ροή αερίου (ατμού) κινείται μέσα από ένα ακροφύσιο, η δυναμική του ενέργεια είναι πολύ μικρή και η αλλαγή του συνήθως παραμελείται. Σε αυτή την περίπτωση, η κινητική ενέργεια αυξάνεται.

Οπου w 1– ταχύτητα κίνησης της ροής της ουσίας στο τμήμα εισόδου του ακροφυσίου.

w 2– ταχύτητα στην έξοδο του ακροφυσίου.

ρυθμός ροής αερίου (ατμού).από το ακροφύσιο.

Τις περισσότερες φορές ταχύτητα w 1πολύ μικρότερη ταχύτητα w 2(W1 << W2), επομένως παραμελείται και θεωρείται W 1 = 0.

Ταχύτητα μαζικής ροήςη σχέση ονομάζεται:

Οπου Ζ γ– δεύτερη κατανάλωση ατμού (αερίου).

S – επιφάνεια διατομής ροής.

r– πυκνότητα του ρευστού εργασίας.

52. Εκροή υγρού σταγονιδίων. Μαζική ροή

Η διαθέσιμη εργασία για οποιαδήποτε ουσία που είναι λειτουργικό ρευστό καθορίζεται από τον τύπο:

I 0 = q +(i 1 – i 2).

Εάν η ροή είναι αδιαβατική (στο q= 0)

Οπου Εγώ– ενθαλπία (J/kg);

W2 = w– ταχύτητα εκροής (m/s).

Λέγεται η ποσότητα Di = i 1 – i 2, ίση με τη διαφορά ενθαλπίας απώλεια θερμότητας αερίου (ατμός).

και για ένα υγρό σταγονιδίων ισχύει η ισότητα:

Οπου w– ταχύτητα ροής υγρού από το ακροφύσιο.

Μαζική ροήείναι η ποσότητα της ουσίας που ρέει μέσα από τα ακροφύσια ανά δευτερόλεπτο. Είναι ίσος με την αναλογία του δεύτερου όγκου εκροής μιας ουσίας (αερίου) U2στον ειδικό όγκο της ίδιας ουσίας που αντιστοιχεί στην πίεση p2:

ροή μάζας (καθορίζεται επίσης από την εξίσωση συνέχειας: Gv = Sw).

53. Κρίσιμη ταχύτητα

Η ανάλυση του τύπου για την ταχύτητα εκροής δείχνει ότι όσο μειώνεται η τιμή του p 2 / p 1, η ταχύτητα ροής αυξάνεται. Αυτό είναι δυνατό, για παράδειγμα, εάν pi = const και η πίεση p2μειώνεται.

Είναι γνωστό από πειράματα ότι η πίεση στην έξοδο ενός συγκλίνοντος ακροφυσίου (ή ενός ακροφυσίου σταθερής διατομής) p 2 μπορεί να μειωθεί μόνο σε μια ορισμένη οριακή τιμή, τη λεγόμενη κρίσιμη πίεση (p κρίσιμη). Εν αναλογία κρίσιμης πίεσηςονομάζεται ποσότητα σι= p κρίσιμο /p 1, επομένως P k = bp 1

Ως αποτέλεσμα της μείωσης της πίεσης p 0 (εξωτερικό περιβάλλον) στο σελ 1= είναι δυνατές δύο περιπτώσεις:

1) p o >= P k, δηλαδή, ενώ η πίεση p o μειώνεται σε μια κρίσιμη τιμή, παρατηρείται η ισότητα p2= p o όπου p 2 είναι η πίεση της ουσίας στην έξοδο του συγκλίνοντος ακροφυσίου, p o είναι η πίεση του εξωτερικού περιβάλλοντος.

2) p o< P к, т. е. дальнейшее падение давления p o среды ниже критического значения определяется равенством p 2 = pk,και η πίεση p 2 της ρέουσας ουσίας είναι σταθερή (σελ 2= const).

Έτσι, ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο η πίεση στο στόμιο του ακροφυσίου είναι σταθερή και δεν μειώνεται κλείνοντας το ακροφύσιο.Επομένως, μια τέτοια πίεση στην έξοδο του ακροφυσίου, η οποία δεν μπορεί να μειωθεί με τη μείωση της πίεσης του εξωτερικού περιβάλλοντος μέσα στο οποίο ρέει το ρευστό εργασίας, ονομάζεται κρίσιμος(Ρ 2κ).

Ανεξάρτητα από την πτώση της πίεσης του περιβάλλοντος p oστο στόμιο του συγκλίνοντος ακροφυσίου στο β κρυθμίζεται η πίεση P 2k = const, που αντιστοιχεί στο G max = const (ροή μάζας), εβδ= const (ταχύτητα λήξης), Tk= const (θερμοκρασία) και v 2 k= const (συγκεκριμένος όγκος), δηλαδή η σταθερότητα όλων των παραμέτρων στην έξοδο του ακροφυσίου (οι λεγόμενες παράμετροι εξόδου).

Στους τύπους που προκύπτουν, τα a, Y είναι συντελεστές που καθορίζονται μόνο από την τιμή κ(αδιαβατικός εκθέτης), οι τιμές τους βρίσκονται από ειδικούς πίνακες.

Α-πριό κρίσιμη ταχύτηταονομάζεται η υψηλότερη ταχύτητα μιας ουσίας όταν ρέει έξω από ένα ακροφύσιο, που δεν υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου, δηλ. w k =a,Οπου ΕΝΑ– η λεγόμενη τοπική ταχύτητα ήχου.

Ο τύπος που προκύπτει ονομάζεται Η εξίσωση του Laplace.

54. Ροή ιδανικού αερίου μέσω συνδυασμένου ακροφυσίου Laval

Ακροφύσια Lavalχρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μιας υπερκρίσιμης διαδικασίας εκροής του ρευστού εργασίας, η κατάσταση της οποίας είναι p o /p 1 < b k В нем выделяют три основные области.

1. Ένα λεπτυνόμενο βραχύ τμήμα στο οποίο η ταχύτητα ροής είναι υποηχητική.

2. Ένα στενό τμήμα στο οποίο η ύλη κινείται με την ταχύτητα του ήχου.

3. Ακροφύσιο διογκούμενου σχήματος κώνου (ταχύτητα ροής υπερήχων).

Η κύρια προϋπόθεση για την επιλογή των διαστάσεων του ευρέος τμήματος του ακροφυσίου Laval για την εκροή του ρευστού εργασίας είναι η συνέχειά του από τα τοιχώματα του ακροφυσίου. Επομένως, η γωνία ανοίγματος του κώνου πρέπει να έχει όριο 12 o, αυτό βοηθά στην εξάλειψη σημαντικών απωλειών λόγω διαστολής αερίου (ατμού).

Ας εξετάσουμε τις διεργασίες που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία ενός συνδυασμένου ακροφυσίου. Στην περίπτωση που η εξωτερική πίεση p o< pk,η ταχύτητα ροής και η πίεση στο στενό επίπεδο των ακροφυσίων είναι κρίσιμος.

Ο σχεδιασμός του ακροφυσίου Laval επιτρέπει κάθε αναλογία o< p o/σελ 1< σιεπιτυγχάνεται πλήρης διαστολή της ουσίας εντός των ορίων της τιμής πίεσης. Σε αυτή την περίπτωση, δεν χάνεται ενέργεια στο τμήμα εξόδου του ακροφυσίου και όταν η πίεση του ρευστού εργασίας και του εξωτερικού περιβάλλοντος εξισωθεί, η ταχύτητα ροής γίνεται υπερηχητική, κάτι που είναι απαραίτητο για τη χρήση του ακροφυσίου στην πράξη. Σε αυτή την περίπτωση, ο ρυθμός ροής μάζας γίνεται μέγιστος· η τιμή του εξαρτάται από την περιοχή της μικρότερης διατομής του ακροφυσίου (S min).

Στο στενό τμήμα του ακροφυσίου (που ονομάζεται λαιμός), καθορίζονται οι κρίσιμες τιμές των παραμέτρων V k, T k, p k, w k = w ήχος, G max (όπου W ήχος είναι η τοπική ταχύτητα του ήχου). Η κίνηση της ροής κατά μήκος του διαστελλόμενου τμήματος χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι το αέριο διαστέλλεται περαιτέρω εντός των ορίων [p 2k, p 1], η ταχύτητα αυξάνεται στο διάστημα (δηλ. σε τιμές w> Ήχος W), που οδηγεί σε μείωση της πίεσης, αλλά ταυτόχρονα αυξάνεται η συγκεκριμένη ένταση (δηλ. v>v k , Π< p k).

Το διαστελλόμενο τμήμα του ακροφυσίου μπορεί να χρησιμεύσει ως διαχύτης εάν βρίσκεται σε στενό επίπεδο w< w зв (для p o / p 1 > β ια).

55. Στραγγαλισμός αερίου και εξίσωση διεργασίας

Για τους υδρατμούς η κρίσιμη θερμοκρασία είναι Τ κ= 647 K, αντίστοιχα, T inv> 4400 K (θερμοκρασία αναστροφής). ΣΕ διαδικασία στραγγαλισμούΗ ψύξη των υδρατμών συμβαίνει πάντα· αυτό οφείλεται στην πλήρη διάσπαση των μορίων ατμού σε τέτοιες όχι πολύ υψηλές τιμές μιας δεδομένης θερμοκρασίας αναστροφής.

Ο στραγγαλισμός υδρατμών χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες ιδιότητες που λαμβάνονται από την ανάλυση του διαγράμματος (i, s):

1) για οποιαδήποτε κατάσταση ατμού, ο στραγγαλισμός πάντα μειώνει τη θερμοκρασία των υδρατμών.

2) ο στραγγαλισμός υγρών ατμών σε χαμηλές πιέσεις συνοδεύεται από μετάβαση από υγροποιημένη σε ξηρή και στη συνέχεια σε υπερθερμασμένη κατάσταση. Οι υγροί ατμοί σε υψηλές πιέσεις πρώτα υγραίνονται περαιτέρω, αλλά στη συνέχεια σχηματίζουν επίσης μια ξηρή και υπερθερμασμένη φάση.

3) ο στραγγαλισμός των υπερθερμασμένων ατμών σε υψηλές πιέσεις (αν η θερμοκρασία υπερθέρμανσης είναι χαμηλή) συνοδεύεται από το πέρασμά τους από διάφορες φάσεις (ξηρό κορεσμένο, υγρό, ξηρό και τέλος, υπερθερμασμένο). Η τελευταία κατάσταση του ατμού χαρακτηρίζεται από χαμηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Γενικά, κατά τη διάρκεια του στραγγαλισμού, οι υπερθερμασμένοι ατμοί διατηρούν την υπέρθερμη κατάστασή τους εάν οι πιέσεις τους ήταν υψηλές στην αρχή της διαδικασίας.

Τυπικά, σε ένα διάγραμμα is, η διαδικασία στραγγαλισμού i 1 = i 2 είναι μια οριζόντια γραμμή που κατευθύνεται προς την αύξηση της εντροπίας (λόγω της μη αναστρέψιμης διαδικασίας).

Είναι γνωστό ότι η πίεση του υπέρθερμου ατμού (και το χρήσιμο έργο του) μειώνεται κατά τη διαδικασία σύνθλιψης.

και κόλαση< a дрос, где а дрос - температурный эффект адиабатного необратимого расширения (т. е. дросселирования), а а ад – эффект адиабатного обратимого расширения. Отсюда при одном давлении dpέχουμε:

dT dros< dT ад на величину v/cp.

56. Μεταφορά θερμότητας μέσω σφαιρικού τοιχώματος

Ας υπάρχει μια κούφια μπάλα με εσωτερική και εξωτερική ακτίνα, αντίστοιχα r 1 και r 2, συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας Εγώπου είναι σταθερό. Για δεδομένες οριακές συνθήκες του τρίτου είδους, θα καθοριστούν και οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας στις επιφάνειες της μπάλας Α'1Και Α2και τις θερμοκρασίες του εσωτερικού και του εξωτερικού περιβάλλοντος, αντίστοιχα, Tl 1 και Tl 2. Πιθανότητα ένα 1, ένα 2θα είναι σταθερές στο χρόνο και οι θερμοκρασίες Tl 1, Tl 2 θα είναι σταθερές τόσο χρονικά όσο και πάνω από τις επιφάνειες.

Σε μια σταθερή λειτουργία μεταφοράς θερμότητας, η συνολική ροή θερμότητας Q που μεταφέρεται μέσω ενός ομοιόμορφου σφαιρικού τοιχώματος από ένα θερμό σε ένα ψυχρό μέσο θα είναι σταθερή για όλες τις ισοθερμικές επιφάνειες και μπορεί να προσδιοριστεί με τρεις εξισώσεις.

όπου d 1 ,d 2 – εσωτερικές και εξωτερικές διάμετροι της μπάλας.

ένα 1, ένα 2συντελεστές μεταφοράς θερμότητας από το ζεστό μέσο στον τοίχο και από τον τοίχο στο κρύο μέσο.

Εγώ– συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού τοίχου.

T 1, T 2 – θερμοκρασίες των εσωτερικών και εξωτερικών τοιχωμάτων.

όπου DT = Tzh 1 – Tzh 2 – συνολική διαφορά θερμοκρασίας.

K sh– συντελεστής μεταφοράς θερμότητας του σφαιρικού τοιχώματος (W/deg).

Η μερική πίεση κάθε αερίου που περιλαμβάνεται στο μείγμα είναι η πίεση που θα δημιουργούσε η ίδια μάζα ενός δεδομένου αερίου εάν καταλάμβανε ολόκληρο τον όγκο του μείγματος στην ίδια θερμοκρασία.

Στη φύση και στην τεχνολογία, πολύ συχνά ασχολούμαστε όχι μόνο με ένα καθαρό αέριο, αλλά με ένα μείγμα πολλών αερίων. Για παράδειγμα, ο αέρας είναι ένα μείγμα αζώτου, οξυγόνου, αργού, διοξειδίου του άνθρακα και άλλων αερίων. Από τι εξαρτάται η πίεση ενός μείγματος αερίων;

Το 1801, ο John Dalton το καθιέρωσε η πίεση ενός μείγματος πολλών αερίων είναι ίση με το άθροισμα των μερικών πιέσεων όλων των αερίων που αποτελούν το μείγμα.

Αυτός ο νόμος ονομάστηκε νόμος των μερικών πιέσεων των αερίων

Ο νόμος του Dalton Η μερική πίεση κάθε αερίου που περιλαμβάνεται σε ένα μείγμα είναι η πίεση που θα δημιουργούσε η ίδια μάζα ενός δεδομένου αερίου εάν καταλάμβανε ολόκληρο τον όγκο του μείγματος στην ίδια θερμοκρασία.

Ο νόμος του Dalton ορίζει ότι η πίεση ενός μείγματος (ιδανικών) αερίων είναι το άθροισμα των μερικών πιέσεων των συστατικών του μείγματος (η μερική πίεση ενός συστατικού είναι η πίεση που θα ασκούσε ένα συστατικό εάν καταλάμβανε μόνο του ολόκληρο τον χώρο που καταλάμβανε από το μείγμα). Αυτός ο νόμος υποδεικνύει ότι κάθε συστατικό δεν επηρεάζεται από την παρουσία άλλων συστατικών και ότι οι ιδιότητες των συστατικών στο μείγμα δεν αλλάζουν.

Οι δύο νόμοι του Ντάλτον

Νόμος 1 Η πίεση ενός μείγματος αερίων είναι ίση με το άθροισμα των μερικών πιέσεών τους. Από αυτό προκύπτει ότι η μερική πίεση ενός συστατικού ενός μείγματος αερίων είναι ίση με το γινόμενο της πίεσης του μείγματος και του μοριακού κλάσματος αυτού του συστατικού.

Νόμος 2 Η διαλυτότητα ενός συστατικού ενός μείγματος αερίων σε ένα δεδομένο υγρό σε σταθερή θερμοκρασία είναι ανάλογη της μερικής πίεσης αυτού του συστατικού και δεν εξαρτάται από την πίεση του μείγματος και τη φύση άλλων συστατικών.

Οι νόμοι διατυπώθηκαν από τον J. Dalton resp. το 1801 και το 1803.

Εξίσωση του Νόμου του Ντάλτον

Όπως έχει ήδη σημειωθεί, τα επιμέρους συστατικά ενός μείγματος αερίων θεωρούνται ανεξάρτητα. Επομένως, κάθε στοιχείο δημιουργεί πίεση:

\[ p = p_i k T \quad \αριστερά(1\δεξιά), \]

και η συνολική πίεση είναι ίση με το άθροισμα των πιέσεων των συστατικών:

\[ p = p_(01) k T + p_(02) k T + \cdots + p_(i) k T = p_(01) + p_(02) + \cdots + p_(i) \quad \left( 2\δεξιά),\]

όπου \(p_i\) είναι η μερική πίεση του συστατικού αερίου i. Αυτή η εξίσωση είναι ο νόμος του Dalton.

Σε υψηλές συγκεντρώσεις και υψηλές πιέσεις, ο νόμος του Dalton δεν πληρούται ακριβώς. Δεδομένου ότι υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ των συστατικών του μείγματος. Τα εξαρτήματα δεν είναι πλέον ανεξάρτητα. Ο Ντάλτον εξήγησε το νόμο του χρησιμοποιώντας την ατομικιστική υπόθεση.

Έστω ότι υπάρχει i συστατικό σε ένα μείγμα αερίων, τότε η εξίσωση Mendeleev-Cliperon θα έχει τη μορφή:

\[ ((p)_1+p_2+\dots +p_i)V=(\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)((\mu )_2)+\dots +\frac(m_i )((\mu )_i))RT\ \τετράδα \αριστερά(3\δεξιά), \]

όπου \(m_i\) είναι οι μάζες των συστατικών του μείγματος αερίων, \((\mu )_i\) είναι οι μοριακές μάζες των συστατικών του μείγματος αερίων.

Αν μπεις \(\αριστερά\langle \mu \δεξιά\rangle \)έτσι ώστε:

\[ \frac(1)(\left\langle \mu \right\rangle )=\frac(1)(m)\left[\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)( (\mu )_2)+\dots +\frac(m_i)((\mu )_i)\right] \quad \left(4\right), \]

τότε γράφουμε την εξίσωση (3) με τη μορφή:

\[ pV=\frac(m)(\left\langle \mu \right\rangle )RT \quad \left(5\right). \]

Ο νόμος του Dalton μπορεί να γραφτεί ως εξής:

\[ p=\sum\limits^N_(i=1)(p_i)=\frac(RT)(V)\sum\limits^N_(i=1)((\nu )_i)\ \quad \αριστερά (6\δεξιά). \]

\[ p_i=x_ip\ \quad \αριστερά(7\δεξιά), \]

Οπου \(x_i-μοριακή\ συγκέντρωση\ του i-ου\)αέριο στο μείγμα, ενώ:

\[ x_i=\frac((\nu )_i)(\sum\limits^N_(i=1)(n_i))\ \quad \left(8\right), \]

όπου \((\nu )_i \) είναι ο αριθμός γραμμομορίων \(i-ου \) αερίου στο μείγμα.

Η Javascript είναι απενεργοποιημένη στον browser σας.
Για να εκτελέσετε υπολογισμούς, πρέπει να ενεργοποιήσετε τα στοιχεία ελέγχου ActiveX!

Ένα μείγμα αερίων βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας εάν οι συγκεντρώσεις των συστατικών και οι παράμετροι κατάστασής του σε όλο τον όγκο έχουν τις ίδιες τιμές. Στην περίπτωση αυτή, η θερμοκρασία όλων των αερίων που περιλαμβάνονται στο μείγμα είναι ίδια και ίση με τη θερμοκρασία του μείγματος Τεκ.

Σε κατάσταση ισορροπίας, τα μόρια κάθε αερίου διασκορπίζονται ομοιόμορφα σε όλο τον όγκο του μείγματος, δηλαδή έχουν τη δική τους ειδική συγκέντρωση και, επομένως, τη δική τους πίεση R Εγώ, Πα, που λέγεται μερικός . Ορίζεται ως εξής.

Η μερική πίεση είναι ίση με την πίεση ενός δεδομένου συστατικού, υπό την προϋπόθεση ότι μόνο αυτό καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο που προορίζεται για το μείγμα στη θερμοκρασία του μείγματος T εκ .

Σύμφωνα με το νόμο του Άγγλου χημικού και φυσικού Dalton, που διατυπώθηκε το 1801, η πίεση ενός μείγματος ιδανικών αερίων p εκ ίσο με το άθροισμα των μερικών πιέσεων των συστατικών του p Εγώ :

Οπου n– αριθμός εξαρτημάτων.

Η έκφραση (2) ονομάζεται επίσης νόμος των μερικών πιέσεων.

3.3. Ο μειωμένος όγκος ενός συστατικού ενός μείγματος αερίων. Νόμος του Amag

Εξ ορισμού, η μειωμένη ένταση Εγώτο συστατικό του μείγματος αερίων V Εγώ, m3, είναι ο όγκος που θα μπορούσε να καταλάβει αυτό το ένα συστατικό, υπό την προϋπόθεση ότι η πίεση και η θερμοκρασία του είναι ίσες με την πίεση και τη θερμοκρασία ολόκληρου του μείγματος αερίων.

Ο νόμος του Γάλλου φυσικού Amag, που διατυπώθηκε γύρω στο 1870, λέει: το άθροισμα των μειωμένων όγκων όλων των συστατικών ενός μείγματος είναι ίσο με τον όγκο του μείγματοςV εκ :

, m 3. (3)

3.4. Χημική σύνθεση του μείγματος αερίων

Η χημική σύνθεση του μείγματος αερίων μπορεί να προσδιοριστεί τρία διαφορετικάτρόπους.

Θεωρήστε ένα μείγμα αερίων που αποτελείται από n συστατικά. Το μείγμα καταλαμβάνει έναν όγκο V cm, m 3, έχει μάζα Μ cm, kg, πίεση R cm, Pa και θερμοκρασία Τ cm, Κ. Επίσης, ο αριθμός των mol του μείγματος είναι ίσος με Ν cm, τυφλοπόντικας. Ταυτόχρονα, η μάζα του ενός Εγώτο συστατικό Μ Εγώ, kg και τον αριθμό των moles αυτού του συστατικού ν Εγώ, ΕΛΙΑ δερματος.

Είναι προφανές ότι:

, (4)

. (5)

Χρησιμοποιώντας το νόμο του Dalton (2) και το νόμο του Amag (3) για το μείγμα που εξετάζουμε, μπορούμε να γράψουμε:

, (6)

, (7)

Οπου R Εγώ– μερική πίεση Εγώου συστατικό, Pa; V Εγώ– μειωμένη ένταση Εγώου συστατικό, m3.

Αναμφισβήτητα, η χημική σύνθεση ενός μείγματος αερίων μπορεί να προσδιοριστεί είτε κατά μάζα, είτε κατά γραμμομοριακό ή όγκο κλασμάτων των συστατικών του:

, (8)

, (9)

, (10)

Οπου σολ Εγώ , κ Εγώ Και r Εγώ– κλάσματα μάζας, mole και όγκου Εγώτο συστατικό του μείγματος, αντίστοιχα (αξίες χωρίς διαστάσεις).

Είναι προφανές ότι:

,
,
. (11)

Συχνά στην πράξη, η χημική σύνθεση ενός μείγματος δεν προσδιορίζεται σε κλάσματα Εγώη συνιστώσα και το ποσοστό της.

Για παράδειγμα, στη μηχανική θέρμανσης είναι περίπου αποδεκτό ότι ο ξηρός αέρας αποτελείται από 79 τοις εκατό κατ' όγκο άζωτο και 21 τοις εκατό κατ' όγκο οξυγόνο.

Τοις εκατό Εγώ Το οο συστατικό στο μείγμα υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το μερίδιό του επί 100.

Για παράδειγμα με ξηρό αέρα θα έχουμε:

,
. (12)

Οπου
Και
– κλάσματα όγκου αζώτου και οξυγόνου σε ξηρό αέρα. N 2 και O 2 – προσδιορισμός του ποσοστού όγκου αζώτου και οξυγόνου, αντίστοιχα, % (vol.).

Σημείωση:

1)Τα μοριακά κλάσματα ενός ιδανικού μείγματος είναι αριθμητικά ίσα με τα κλάσματα όγκου:κ Εγώ = r Εγώ . Ας το αποδείξουμε.

Χρησιμοποιώντας τον ορισμό του κλάσματος όγκου(10)και τον νόμο του Amag (3) μπορούμε να γράψουμε:

, (13)

ΟπουV Εγώ – μειωμένη έντασηΕγώου συστατικό, m 3 ; ν Εγώ – αριθμός σπίλωνΕγώου συστατικό, mol; – όγκος ενός moleΕγώου συστατικό σε πίεση μίγματος pεκ και θερμοκρασία μίγματος Τεκ , Μ 3 /mol.

Από το νόμο του Avogadro (βλ. παράγραφο 2.3 αυτού του παραρτήματος) προκύπτει ότι στην ίδια θερμοκρασία και πίεση, ένα mole οποιουδήποτε αερίου (συστατικό μείγματος) καταλαμβάνει τον ίδιο όγκο. Ειδικότερα, στο Τεκ και πεκ θα είναι λίγος όγκοςV 1 , Μ 3 .

Αυτό μας επιτρέπει να γράψουμε την ισότητα:

. (14)

Αντικατάσταση(14)V(13)παίρνουμε αυτό που χρειαζόμαστε:

. (15)

2)Τα κλάσματα όγκου των συστατικών ενός μείγματος αερίων μπορούν να υπολογιστούν γνωρίζοντας τις μερικές πιέσεις τους. Ας το δείξουμε.

Ας σκεφτούμεΕγώ-ο συστατικό ενός ιδανικού μείγματος αερίων σε δύο διαφορετικές καταστάσεις: όταν βρίσκεται στη μερική του πίεση p Εγώ ; όταν καταλαμβάνει τον μειωμένο όγκο τουV Εγώ .

Η εξίσωση κατάστασης ενός ιδανικού αερίου ισχύει για οποιαδήποτε από τις καταστάσεις του, ιδίως για τις δύο προαναφερθείσες.

Σύμφωνα με αυτό, και λαμβάνοντας υπόψη τον ορισμό του συγκεκριμένου όγκου, μπορούμε να γράψουμε:

, (16)

, (17)

ΟπουR Εγώ – σταθερά αερίουΕγώτο συστατικό του μείγματος, J/(kg K).

Αφού χωρίσετε και τα δύο μέρη(16)Και(17)ο ένας στον άλλο παίρνουμε τα απαιτούμενα:

. (18)

Από(18)φαίνεται ότι οι μερικές πιέσεις των συστατικών του μείγματος μπορούν να υπολογιστούν από τη χημική του σύνθεση, με γνωστή ολική πίεση του μείγματος pεκ :

. (19)

Στείλτε την καλή δουλειά σας στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα

Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.

Δημοσιεύτηκε στις http://www.allbest.ru/

Εισαγωγή

Η θερμική μηχανική είναι μια επιστήμη που μελετά μεθόδους λήψης, μετατροπής, μεταφοράς και χρήσης θερμότητας, καθώς και τις αρχές λειτουργίας και σχεδιαστικά χαρακτηριστικά των θερμικών μηχανών, συσκευών και συσκευών. Η θερμότητα χρησιμοποιείται σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας.

Για να καθοριστούν οι πιο ορθολογικοί τρόποι χρήσης του, να αναλυθεί η αποτελεσματικότητα των διαδικασιών εργασίας των θερμικών εγκαταστάσεων και να δημιουργηθούν νέοι, πιο προηγμένοι τύποι θερμικών μονάδων, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν τα θεωρητικά θεμέλια της μηχανικής θέρμανσης. Υπάρχουν δύο θεμελιωδώς διαφορετικές κατευθύνσεις για τη χρήση της θερμότητας - ενέργειας και τεχνολογίας.

Όταν χρησιμοποιείται ως ενέργεια, η θερμότητα μετατρέπεται σε μηχανικό έργο, με τη βοήθεια του οποίου δημιουργείται ηλεκτρική ενέργεια σε γεννήτριες, βολικές για μετάδοση σε απόσταση. Η θερμότητα λαμβάνεται με την καύση καυσίμου σε εγκαταστάσεις λεβήτων ή απευθείας σε κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Στις τεχνολογικές διαδικασίες, η θερμότητα χρησιμοποιείται για τη σκόπιμη αλλαγή των ιδιοτήτων διαφόρων σωμάτων (τήξη, στερεοποίηση, αλλαγή της δομής, μηχανικές, φυσικές, χημικές ιδιότητες). Η ποσότητα των ενεργειακών πόρων που παράγονται και καταναλώνονται είναι τεράστια.

Η θερμική μηχανική είναι μια γενική τεχνική πειθαρχία στην εκπαίδευση ειδικών σε τεχνικές ειδικότητες και αποτελείται από τρία αλληλένδετα θέματα: τεχνική θερμοδυναμική, τα θεμέλια της θεωρίας της μεταφοράς θερμότητας, στην οποία οι νόμοι του μετασχηματισμού και οι ιδιότητες της θερμικής ενέργειας και οι διαδικασίες της θερμότητας μελετώνται η διάδοση.

Ο στόχος του μαθήματος θερμικής μηχανικής είναι να προετοιμάσει έναν χημικό μηχανικό-τεχνολόγο που έχει τις δεξιότητες να διαχειρίζεται σωστά το σχεδιασμό και τη λειτουργία της σύγχρονης χημικής παραγωγής, που είναι ένα σύνολο τεχνολογικών και θερμικών διεργασιών και αντίστοιχου τεχνολογικού και θερμικού εξοπλισμού. Η προετοιμασία αυτή θα συμβάλει στην επιτυχή υλοποίηση των παραπάνω εργασιών από πτυχιούχους πανεπιστημίων χημικών μηχανικών. Η σημασία μιας τέτοιας προετοιμασίας θα αυξηθεί καθώς οι πυρηνικοί, θερμοπυρηνικοί και ανανεώσιμοι τύποι ενέργειας περιλαμβάνονται στη σειρά πρακτικά σημαντικών και αποτελεσματικών, επειδή, όπως λέει η γνωστή έκφραση, κανένα είδος ενέργειας δεν είναι τόσο ακριβό όσο η έλλειψή του.

αεριοστρόβιλος μερικός αεριοστρόβιλος συναγωγής

Θεωρητική ερώτηση Νο 1

Η έννοια του μείγματος αερίων. Μερική πίεση. ο νόμος του Ντάλτον. Μερικός όγκος. Ο νόμος του Amag. Μέθοδοι προσδιορισμού μιγμάτων αερίων. Κίνδυνος πυρκαγιάς εύφλεκτων μιγμάτων με αέρα

Ένα μείγμα αερίων είναι ένα μείγμα πολλών ιδανικών αερίων που δεν εισέρχονται σε καμία χημική αντίδραση μεταξύ τους. Παραδείγματα μίγματος αερίων περιλαμβάνουν: ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος αποτελείται από μείγμα κυρίως αζώτου και οξυγόνου. φυσικό αέριο; καυσαέρια κινητήρων εσωτερικής καύσης (ICE), τα οποία περιέχουν CO 2, CO, N 2, NO 2, O 2 και άλλα αέρια, υγρό αέρα (υδρατμοί) στις μονάδες στεγνώματος κ.λπ.

Η κύρια αρχή που καθορίζει τις ιδιότητες ενός μείγματος αερίων είναι η αρχή της ανεξαρτησίας της δράσης των αερίων στο μείγμα, δηλαδή, κάθε αέριο στο μείγμα δρα ανεξάρτητα από άλλα αέρια, δεν αλλάζει τις ιδιότητές του και υπακούει σε όλους τους νόμους των αερίων. Επιπλέον, κάθε αέριο καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο του μείγματος και όλα τα αέρια στο μείγμα έχουν την ίδια θερμοκρασία και οι ιδιότητες του μείγματος αερίων είναι το άθροισμα των ιδιοτήτων όλων των συστατικών του.

Από αυτό προκύπτει ότι τα μείγματα αερίων υπακούουν στους ίδιους νόμους και εξισώσεις με τα ομοιογενή ιδανικά αέρια. Ο βασικός νόμος που καθορίζει τη συμπεριφορά ενός μείγματος αερίων είναι ο νόμος του Dalton: η συνολική πίεση ενός μείγματος αερίων ιδανικών αερίων είναι ίση με το άθροισμα των μερικών πιέσεων όλων των συστατικών του:

R εκ= σελ 1 + σελ 2 + … + r n =

όπου P cm είναι η πίεση του μείγματος αερίων. P 1, P 2, P n - μερικές πιέσεις των συστατικών του μείγματος.

Κάθε συστατικό του μείγματος, που καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο του μείγματος, βρίσκεται υπό τη δική του μερική πίεση. Αν όμως αυτό το συστατικό τοποθετηθεί υπό πίεση P cm στην ίδια θερμοκρασία του μείγματος T cm, τότε θα καταλάβει όγκο μικρότερο (V i) από τον όγκο του μείγματος V cm). Αυτός ο τόμος Vi ονομάζεται μειωμένος ή μερικός.

Η μερική πίεση υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την εξίσωση κατάστασης ενός δεδομένου συστατικού:

Ως εκ τούτου, .

Για να συγκριθούν τα αέρια που περιλαμβάνονται σε ένα μείγμα κατ' όγκο, εισάγεται η έννοια του μερικού όγκου.

Ο μερικός (μειωμένος) όγκος ενός δεδομένου συστατικού είναι ο υπό όρους όγκος που θα είχε ένα δεδομένο συστατικό εάν ήταν μόνο στη θερμοκρασία και την πίεση του μείγματος. Η σχέση μεταξύ του όγκου ενός μείγματος αερίων και των μερικών όγκων των μεμονωμένων αερίων στο μείγμα αντανακλά τον νόμο του Amag (νόμος προσθετικότητας): ο συνολικός όγκος ενός αερίου μείγματος είναι ίσος με το άθροισμα των μερικών όγκων των συστατικών του:

V εκ= V 1 + V 2 +...+ V n = .

Για να υπολογίσουμε τον μερικό όγκο, γράφουμε δύο εξισώσεις κατάστασης για οποιοδήποτε αέριο περιλαμβάνεται στο μείγμα:

το πρώτο είναι όταν ένα αέριο έχει μερική πίεση R 1 , καταλαμβάνει όλο τον όγκο του μείγματος V εκέχει τη θερμοκρασία του μείγματος Τ εκ:

R 1 V εκ=m 1 R 1 ·Τ εκ;

το δεύτερο - όταν το αέριο έχει μειωμένο όγκο Vi σε πίεση P cm και θερμοκρασία μείγματος T cm:

R εκV 1 =m 1 R 1 ·Τ εκ.

Διαιρώντας την πρώτη εξίσωση με τη δεύτερη, λαμβάνουμε τις εξισώσεις κατάστασης της συνιστώσας

όπου P cm και V cm είναι η πίεση και ο όγκος του μείγματος. Τα P i και Vi είναι η πίεση και ο όγκος του συστατικού i.

Από εδώ εκφράζουμε τον μερικό όγκο του στοιχείου:

Οι ιδιότητες ενός αέριου μείγματος εξαρτώνται από τη σύνθεσή του, η οποία μπορεί να προσδιοριστεί με κλάσματα μάζας, όγκου και μοριακών κλασμάτων.

Κλάσμα μάζαςσυστατικό ενός μείγματος g i είναι μια τιμή ίση με τον λόγο της μάζας του συστατικού προς τη μάζα ολόκληρου του μείγματος:

όπου m i είναι η μάζα αυτού του συστατικού. m cm είναι η μάζα ολόκληρου του μείγματος που περιέχει n συστατικά.

Επειδή η μάζα του μείγματος m είναι ίση με το άθροισμα των μαζών όλων των συστατικών:

τότε το άθροισμα των κλασμάτων μάζας είναι ίσο με:

Γνωρίζοντας τα κλάσματα μάζας των μεμονωμένων αερίων που περιλαμβάνονται στο μείγμα, είναι δυνατό να προσδιοριστούν οι μερικές πιέσεις τους

ως εκ τούτου

Τα κλάσματα μάζας προσδιορίζονται συχνά ως ποσοστά. Για παράδειγμα, για ξηρό αέρα: g(N 2) = 77%; g(O 2) = 23%.

Κλάσμα όγκουΤο συστατικό μίγματος r i είναι μια τιμή ίση με την αναλογία του μερικού όγκου του συστατικού προς τον όγκο του μείγματος:

Οπου V Εγώ- μερικός όγκος ενός δεδομένου συστατικού. V εκ- όγκος ολόκληρου του μείγματος.

Εφόσον ο όγκος του μείγματος είναι ίσος με το άθροισμα των μερικών όγκων των συστατικών, το άθροισμα των ογκομερών κλασμάτων είναι ίσο με: .

Τα κλάσματα όγκου καθορίζονται ως ποσοστά. Για παράδειγμα, για τον αέρα: r(N 2) = 79%; r(O 2) = 21%.

Γραμμομοριακό κλάσμασυστατικό ενός μείγματος x i είναι μια τιμή ίση με την αναλογία του αριθμού των γραμμομορίων αυτού του συστατικού προς τον συνολικό αριθμό γραμμομορίων του μείγματος:

Δεδομένου ότι ο συνολικός αριθμός γραμμομορίων του μείγματος είναι ίσος με το άθροισμα των αριθμών των γραμμομορίων κάθε συστατικού, είναι προφανές ότι:

Σύμφωνα με το νόμο του Avogadro, οι όγκοι ενός mol οποιουδήποτε αερίου στην ίδια πίεση και θερμοκρασία, ιδιαίτερα στη θερμοκρασία και την πίεση του μείγματος, είναι ίδιοι στην ιδανική κατάσταση αερίου. Επομένως, ο μειωμένος όγκος οποιουδήποτε συστατικού μπορεί να υπολογιστεί ως το γινόμενο του όγκου ενός mol V Μαπό τον αριθμό των moles αυτού του συστατικού, δηλ. V Εγώ = V ΜΝ, και ο όγκος του μείγματος είναι σύμφωνα με τον τύπο V = V ΜΝ.

Επομένως, ο προσδιορισμός των αερίων που περιλαμβάνονται στο μείγμα σε μοριακά κλάσματα ισούται με τον προσδιορισμό των κλασμάτων όγκου τους.

Η σχέση μεταξύ μάζας και μοριακού κλάσματος μπορεί να βρεθεί από την εξίσωση:

Ως αποτέλεσμα, έχουμε τις ακόλουθες σχέσεις:

Στις εξισώσεις που προκύπτουν Μ ΕΚ- μέσο (φαινομενικό) μοριακό βάρος ενός δεδομένου μείγματος αερίων, δηλ. μοριακό βάρος ενός τέτοιου υπό όρους ομοιογενούς αερίου, το οποίο στις ιδιότητές του είναι παρόμοιο με ένα δεδομένο μείγμα αερίων.

Με βάση αυτό, η αξία Μ ΕΚπροσδιορίζεται από τη σύνθεση του μείγματος ως εξής:

Δεδομένου ότι η αναλογία:

Προσθήκη εξαρτήσεων για το μέγεθος σολ Εγώγια όλα τα συστατικά του μείγματος αερίων, έχουμε:

Μετά από μετασχηματισμούς παίρνουμε:

Η εξίσωση κατάστασης για ένα μείγμα αερίων μπορεί να υιοθετηθεί για τους ακόλουθους λόγους. Από την αρχή της ανεξαρτησίας προκύπτει ότι εάν κάθε αέριο σε ένα μείγμα, ανεξάρτητα από τα άλλα, υπακούει στην εξίσωση κατάστασης, τότε ολόκληρο το μείγμα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ομοιογενές αέριο με τις δικές του ειδικές ιδιότητες, το οποίο επίσης υπακούει στην εξίσωση κατάστασης , δηλ.

Οπου R ΕΚ.- μέση φαινομενική σταθερά αερίου του μείγματος, που προσδιορίζεται με βάση το μέσο μοριακό βάρος του μείγματος:

Μέγεθος R ΕΚ.μπορεί επίσης να βρεθεί από τη σύνθεση του μείγματος μετά την αντικατάσταση των εξαρτήσεων για Μ ΕΚ:

Αθροίζοντας όλα τα συστατικά, παίρνουμε:

Το άθροισμα στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης είναι ίσο με τον όγκο του μείγματος. Διαιρώντας και τις δύο πλευρές της εξίσωσης με τη μάζα του μείγματος Μπαίρνουμε

Το άθροισμα στη δεξιά πλευρά της εξίσωσης αντιπροσωπεύει τη σταθερά του αερίου του μείγματος:

Ορισμένα αέρια και ατμοί σε ορισμένα μείγματα με τον αέρα είναι εκρηκτικά. Ο κίνδυνος πυρκαγιάς των μιγμάτων αερίων καθορίζεται από τη συγκέντρωση εύφλεκτων αερίων, ατμών ή σκόνης στο μείγμα. Στο κατώτερο όριο εύφλεκτης συγκέντρωσης (LCFL), υπάρχει μικρή ποσότητα καυσίμου και περίσσεια αέρα στο μείγμα. Καθώς η συγκέντρωση του καυσίμου αυξάνεται, εμφανίζεται έλλειψη αέρα στο μείγμα, γεγονός που οδηγεί σε απώλεια της ικανότητας ανάφλεξης.

Μια έκρηξη ενός μείγματος μπορεί να συμβεί μόνο σε ορισμένες αναλογίες εύφλεκτων αερίων που περιλαμβάνονται στο μείγμα με αέρα ή οξυγόνο, που χαρακτηρίζονται από κατώτερα και ανώτερα όρια εκρηκτικότητας. Κατά την επιλογή της σύνθεσης του μείγματος λαμβάνονται υπόψη τα όρια έκρηξης. Για παράδειγμα, ένα μείγμα μεθανίου-αέρα είναι εκρηκτικό όταν περιέχει 5,3-14,9% CH4 και ένα μείγμα αμμωνίας-αέρα είναι εκρηκτικό όταν περιέχει 14,0-27% NH3. Έτσι, το μείγμα αερίων που χρησιμοποιείται στην παραγωγή, που περιέχει 12-13% CH 4 και 11-12% MN 3, είναι αντιεκρηκτικό στον αέρα. Ωστόσο, ένα τέτοιο αρχικό μείγμα είναι κοντά στα όρια έκρηξης και για την αποφυγή πιθανής παραβίασης της σύνθεσης, παρέχεται αυτόματη ρύθμιση της αναλογίας αερίου. Για απόλυτη ασφάλεια, προστίθεται άζωτο στο αρχικό μείγμα.

Θεωρητική ερώτηση Νο 2

Κύκλοι αεριοστροβίλων

Οι μονάδες αεριοστροβίλου (GTU) είναι συσκευές θερμικής ισχύος στις οποίες το ρευστό εργασίας είναι αέρια προϊόντα καύσης καυσίμου (ή άλλα αέρια που θερμαίνονται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο) και ο κινητήρας εργασίας είναι ένας αεριοστρόβιλος. Οι αεριοστρόβιλοι ταξινομούνται ως κινητήρες εσωτερικής καύσης. Διαφέρουν από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης με έμβολο στο ότι παράγεται χρήσιμο έργο σε αυτούς λόγω της κινητικής ενέργειας του αερίου που κινείται με υψηλή ταχύτητα.

Οι μονάδες αεριοστροβίλου έχουν μια σειρά από τεχνικά και οικονομικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τους κινητήρες με έμβολο, και συγκεκριμένα:

Ελαφρύτερο βάρος και μικρές διαστάσεις εγκατάστασης με υψηλή ισχύ.

Απουσία μηχανισμού στροφάλου.

Ομοιομορφία διαδρομής και δυνατότητα άμεσης σύνδεσης με τους καταναλωτές εργασίας - ηλεκτρικές γεννήτριες, φυγοκεντρικοί συμπιεστές κ.λπ.

Ευκολία συντήρησης.

Εφαρμογή κύκλου με πλήρη επέκταση και συνεπώς με υψηλή θερμική απόδοση.

Δυνατότητα χρήσης φθηνών τύπων καυσίμων (κηροζίνη).

Αυτά τα πλεονεκτήματα των αεριοστροβίλων έχουν συμβάλει στην εξάπλωσή τους σε πολλούς τομείς της τεχνολογίας.

Ο σχεδιασμός του πρώτου αεριοστρόβιλου αναπτύχθηκε από τον μηχανολόγο μηχανικό του ρωσικού στόλου P.D. Kuzminsky το 1897. Προοριζόταν για ένα μικρό σκάφος. Χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτής της τουρμπίνας ήταν η λειτουργία της με υδρατμούς, οι οποίοι εγχύονταν στον θάλαμο καύσης για να μειώσουν τη θερμοκρασία των αερίων μπροστά από τον στρόβιλο.

Η ευρεία χρήση των αεριοστροβίλων κατέστη δυνατή μόνο μετά την επίλυση δύο βασικών προβλημάτων: τη δημιουργία ενός συμπιεστή αερίου υψηλής απόδοσης (turbocompressor) και την παραγωγή νέων ανθεκτικών στη θερμότητα κραμάτων μετάλλων ικανών για μακροχρόνια λειτουργία σε θερμοκρασίες 650 - 750 ? Γ και πάνω.

Η λειτουργία των εγκαταστάσεων αεριοστροβίλου βασίζεται σε ιδανικούς κύκλους που αποτελούνται από τις απλούστερες θερμοδυναμικές διεργασίες. Η θερμοδυναμική μελέτη αυτών των κύκλων βασίζεται σε υποθέσεις παρόμοιες με τους κύκλους της μηχανής εσωτερικής καύσης, δηλαδή: οι κύκλοι είναι αναστρέψιμοι, η θερμότητα παρέχεται χωρίς αλλαγή της χημικής σύστασης του ρευστού εργασίας του κύκλου, η απομάκρυνση θερμότητας θεωρείται αναστρέψιμη, υπάρχουν χωρίς υδραυλικές και θερμικές απώλειες, το υγρό εργασίας είναι ένα ιδανικό αέριο με σταθερή θερμοχωρητικότητα. Σε αντίθεση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης με έμβολο, όπου οι διαδικασίες συμπίεσης, παροχής θερμότητας και διαστολής πραγματοποιούνται στον ίδιο κύλινδρο, στις μονάδες αεριοστροβίλου αυτές οι διεργασίες συμβαίνουν σε διάφορα στοιχεία της εγκατάστασης, στα οποία εισέρχεται διαδοχικά η ροή του ρευστού εργασίας. Οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να λειτουργήσουν με καύση καυσίμου σε σταθερή πίεση και σταθερό όγκο. Οι αντίστοιχοι ιδανικοί κύκλοι χωρίζονται σε κύκλους:

Με εισροή θερμότητας σε σταθερή πίεση ( P = συνεχ) -- Κύκλος Brayton;

Με εισροή θερμότητας σε σταθερή ένταση ( v = const) -- Κύκλος Humphrey;.

Κύκλος με ανάκτηση θερμότητας.

Ο κύκλος με παροχή θερμότητας σε σταθερή πίεση έχει λάβει τη μεγαλύτερη πρακτική εφαρμογή.

Π= συνθ(κύκλος Μπράιτον)

Το σχηματικό διάγραμμα μιας μονάδας αεριοστροβίλου, στην οποία η καύση καυσίμου λαμβάνει χώρα υπό σταθερή πίεση, φαίνεται στο Σχ. 1 και ο αναστρέψιμος κύκλος που διεξάγεται σε αυτό παρουσιάζεται στα διαγράμματα pv και Ts στο Σχ. 1.1. Σε αυτήν την εγκατάσταση, ατμοσφαιρικός αέρας από το περιβάλλον, με πίεση p 1 και θερμοκρασία T 1, εισέρχεται στην είσοδο του συμπιεστή (1), περιστρέφοντας στον ίδιο άξονα με τον αεριοστρόβιλο (4). Σε έναν συμπιεστή, ο αέρας συμπιέζεται αδιαβατικά ( 1-2 ) σε μια πίεση p 2 στην οποία τροφοδοτείται στο θάλαμο καύσης (3), όπου εισέρχεται αέριο ή υγρό καύσιμο. Εδώ, σε σταθερή πίεση, η καύση καυσίμου λαμβάνει χώρα στο p=ίδιος (2-3 ), με αποτέλεσμα η θερμοκρασία των αερίων προϊόντων καύσης που προκύπτουν να ανεβαίνει στην τιμή T 3 . Σε αυτή τη θερμοκρασία και πίεση p 3 = p 2 το αέριο εισέρχεται στον στρόβιλο (4), όπου με αδιαβατική διαστολή ( 3-4 ) μέχρι την ατμοσφαιρική πίεση p 1 εκτελεί εργασίες, το ένα μέρος της οποίας δαπανάται για την κίνηση του συμπιεστή και το άλλο για την κίνηση της γεννήτριας που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Από τον στρόβιλο (4), αέριο υπό πίεση p 4 = p 1 απελευθερώνεται στην περιβάλλουσα ατμόσφαιρα ( 4-1 ), και νέος καθαρός αέρας εισάγεται στον συμπιεστή από την ατμόσφαιρα.

Ως καθοριστικές παράμετροι του ιδανικού κύκλου γίνονται δεκτά τα ακόλουθα:

Αναλογία αύξησης της πίεσης αέρα ή (αναλογία συμπίεσης) ;

Βαθμός προέκτασης.

Ο κύριος θερμοδυναμικός δείκτης της απόδοσης ενός κύκλου είναι η θερμική του απόδοση

και την ποσότητα θερμότητας που αφαιρέθηκε - σύμφωνα με τον τύπο

Στη συνέχεια, η θερμική απόδοση του κύκλου

Συνήθως εκφράζεται ως συνάρτηση του βαθμού αύξησης της πίεσης y. Για το αδιαβατικό 1 - 2 έχουμε:

Για isobar 2 - 3

Για αδιαβατικά 3 - 4

Αντικαθιστώντας τις λαμβανόμενες θερμοκρασίες T 2, T 3 και T 4 στην εξίσωση της θερμικής απόδοσης, λαμβάνουμε

Από τον τύπο προκύπτει ότι η θερμική απόδοση μιας μονάδας αεριοστροβίλου με παροχή θερμότητας σε σταθερή πίεση εξαρτάται από τον βαθμό αύξησης της πίεσης y και τον αδιαβατικό δείκτη k, που αυξάνεται με την αύξηση αυτών των τιμών.

Υπόκειται σε εξάρτηση

Κατά συνέπεια, για το ίδιο ρευστό εργασίας, αύξηση του βαθμού

η συμπίεση οδηγεί πάντα σε αύξηση της απόδοσης.

Εργασία με κύκλο:

Παρά το γεγονός ότι η αύξηση του βαθμού αύξησης της πίεσης του αέρα έχει ευεργετική επίδραση στην απόδοση μιας εγκατάστασης αεριοστροβίλου, μια αύξηση αυτής της τιμής οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας των αερίων μπροστά από τα πτερύγια του στροβίλου. Οι τιμές αυτής της θερμοκρασίας περιορίζονται από τη θερμική αντίσταση των κραμάτων από τα οποία κατασκευάζονται οι λεπίδες. Επί του παρόντος, η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία αερίου μπροστά από τον στρόβιλο είναι 800 - 1000 ° C και περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να επιτευχθεί μόνο με τη χρήση νέων ανθεκτικών στη θερμότητα υλικών και την εισαγωγή σχεδίων τουρμπίνας με ψυγμένα πτερύγια.

Σχέδιο και κύκλος μονάδας αεριοστροβίλου με παροχή θερμότητας στοV= συνθ (Κύκλος Χάμφρεϊ)

Σε μια μονάδα αεριοστροβίλου που λειτουργεί σε κύκλο με παροχή θερμότητας σε σταθερό όγκο (V=const), η διαδικασία καύσης καυσίμου λαμβάνει χώρα με κλειστές βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής εγκατεστημένες στο θάλαμο καύσης. Ο συμπιεστής 1, που κινείται από τον στρόβιλο 6, παρέχει πεπιεσμένο αέρα στον θάλαμο καύσης 4 μέσω μιας ελεγχόμενης βαλβίδας 7. Η δεύτερη βαλβίδα 5 βρίσκεται στο τέλος του θαλάμου καύσης και είναι σχεδιασμένη να απελευθερώνει προϊόντα καύσης στον στρόβιλο. Το καύσιμο τροφοδοτείται στον θάλαμο καύσης από την αντλία 2 που βρίσκεται στον άξονα του στροβίλου μέσω ενός ακροφυσίου. Η παροχή καυσίμου θα πρέπει να πραγματοποιείται περιοδικά από τη βαλβίδα καυσίμου 3.

Καθώς η πίεση αυξάνεται, η βαλβίδα 5 ανοίγει και τα προϊόντα καύσης εισέρχονται στη συσκευή του ακροφυσίου και στα πτερύγια του στροβίλου 6. Όταν διέρχεται από τα πτερύγια του στροβίλου, το αέριο λειτουργεί και απελευθερώνεται στο περιβάλλον.

Ο κύκλος αυτής της εγκατάστασης αποτελείται από αδιαβατική συμπίεση στον συμπιεστή ( μετα Χριστον) παροχή θερμότητας στο v= συνθ(c-z) αδιαβατική διαστολή αερίου σε τουρμπίνα ( z-e) ισοβαρική μεταφορά θερμότητας με αέριο στον περιβάλλοντα αέρα ( ε-α). Ο θερμοδυναμικός κύκλος στις συντεταγμένες pv και Ts παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.1. Οι κύριες παράμετροι του κύκλου είναι:

Ο βαθμός αύξησης της πίεσης στον συμπιεστή.

Ο βαθμός της ισοχορικής πίεσης αυξάνεται.

Η απόδοση ενός κύκλου αεριοστροβίλου με παροχή θερμότητας σε σταθερό όγκο προσδιορίζεται ως:

Οι παράμετροι του αερίου σε χαρακτηριστικά σημεία του κύκλου προσδιορίζονται μέσω της αρχικής θερμοκρασίας Ta από τις σχέσεις:

Αντικαθιστώντας αυτές τις εκφράσεις για θερμοκρασίες στον τύπο θερμικής απόδοσης, λαμβάνουμε:

Έτσι, η τιμή απόδοσης σε μια μονάδα αεριοστροβίλου με είσοδο θερμότητας σε σταθερό όγκο εξαρτάται από τον βαθμό αύξησης της πίεσης στον συμπιεστή και από τον βαθμό αύξησης της πίεσης στον θάλαμο καύσης, ο οποίος εξαρτάται από την ποσότητα εισόδου θερμότητας ( q 1 ) σε μια ισοχορική διαδικασία.

Η συγκεκριμένη εργασία ανά κύκλο καθορίζεται:

Συγκρίσεις μεταξύ κύκλων με είσοδο θερμότητας στο p=constΚαι v= συνθφαίνεται, ότι με τον ίδιο βαθμό αύξησης της πίεσης και την ίδια ποσότητα θερμότητας που αφαιρείται, ένας κύκλος με παροχή θερμότητας σε σταθερό όγκο είναι πιο επικερδής από έναν κύκλο με παροχή θερμότητας σε σταθερή πίεση. Αυτό οφείλεται στον μεγαλύτερο βαθμό επέκτασης του κύκλου v = συνθ, και κατά συνέπεια, υψηλές τιμές θερμικής απόδοσης. Παρά αυτό το πλεονέκτημα, ο κύκλος με παροχή θερμότητας σε σταθερό όγκο δεν έχει βρει ευρεία εφαρμογή στην πράξη λόγω της πολυπλοκότητας του σχεδιασμού του θαλάμου καύσης και της φθοράς του στροβίλου σε μια παλλόμενη ροή αερίου, αν και οι εργασίες για τη βελτίωση αυτού του κύκλου συνεχίζονται.

Λόγω του πολύπλοκου σχεδιασμού του θαλάμου καύσης, ο κύκλος αεριοστροβίλου με ισοχωρική παροχή θερμότητας χρησιμοποιείται εξαιρετικά σπάνια, παρόλο που έχει αυξημένη απόδοση σε σύγκριση με τον κύκλο Brayton.

Κύκλος GTU με ανάκτηση θερμότητας

Ένα από τα μέτρα για την αύξηση της θερμικής απόδοσης των εγκαταστάσεων αεριοστροβίλου είναι η χρήση της ανάκτησης θερμότητας. Η ανάκτηση θερμότητας περιλαμβάνει τη χρήση της θερμότητας από τα καυσαέρια για την προθέρμανση του αέρα που εισέρχεται στον θάλαμο καύσης. Η αναγέννηση θερμότητας είναι δυνατή με την προϋπόθεση ότι T 4 >T 2. Για να γίνει αυτό, μια πρόσθετη συσκευή εισάγεται στο κύκλωμα εγκατάστασης - ένας εναλλάκτης θερμότητας.

Το διάγραμμα μιας εγκατάστασης αεριοστροβίλου με καύση στο P = const με ανάκτηση θερμότητας φαίνεται στο σχήμα 3. Η διαφορά μεταξύ μιας εγκατάστασης αεριοστροβίλου με ανάκτηση θερμότητας και μιας εγκατάστασης χωρίς αναγέννηση είναι ότι ο πεπιεσμένος αέρας δεν εισέρχεται από τον συμπιεστή 1 αμέσως στην καύση θάλαμος 4, αλλά πρώτα περνά από τον αναγεννητή αέρα - εναλλάκτη θερμότητας 3, στον οποίο θερμαίνεται από τη θερμότητα των καυσαερίων. Αντίστοιχα, τα αέρια που φεύγουν από τον στρόβιλο, πριν διαφύγουν στην ατμόσφαιρα, περνούν από έναν αναγεννητή αέρα, όπου ψύχονται θερμαίνοντας τον πεπιεσμένο αέρα. Έτσι, ένα ορισμένο μέρος της θερμότητας που προηγουμένως μεταφέρονταν από τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα χρησιμοποιείται τώρα ωφέλιμα.

Ο κύκλος μιας εγκατάστασης αεριοστροβίλου με αναγέννηση και ισοβαρική παροχή θερμότητας σε διαγράμματα P,v - και T,s - φαίνεται στο Σχήμα 1.

Ρύζι. 1 Θερμικό διάγραμμα μονάδας αεριοστροβίλου με ανάκτηση θερμότητας

Ο υπό εξέταση κύκλος αποτελείται από μια αδιαβατική διαδικασία συμπίεσης αέρα στον συμπιεστή 1 - 2, μια διαδικασία 2 - 5, η οποία είναι μια ισοβαρή θέρμανση του αέρα στον αναγεννητή, μια ισοβαρή διαδικασία 5 - 3, που αντιστοιχεί στην παροχή θερμότητας στο ο θάλαμος καύσης λόγω καύσης καυσίμου, μια διαδικασία αδιαβατικής διαστολής των αερίων 3 - 4 στον στρόβιλο, ισοβαρική ψύξη των καυσαερίων στον αναγεννητή 4 - 1.

Η ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο ρευστό εργασίας σε μια ισοβαρή διεργασία

και τι αποσύρεται σε μια ισοβαρή διαδικασία

Αντικατάσταση των q 1 και |q 2 | στη συνολική αναλογία

Θα το πάρουμε.

Οι θερμοκρασίες στα κύρια σημεία του κύκλου προσδιορίζονται:

Θερμική απόδοση του κύκλου αεριοστροβίλου με είσοδο θερμότητας στο R = συνθκαι η πλήρης αναγέννηση εξαρτάται από την αρχική θερμοκρασία T 1 και τη θερμοκρασία στο τέλος της αδιαβατικής διαστολής T 4 .

Σε πραγματικές συνθήκες, η θερμότητα της αναγέννησης δεν μεταφέρεται πλήρως, αφού οι εναλλάκτες θερμότητας δεν είναι ιδανικοί. Η θερμική απόδοση του κύκλου θα εξαρτηθεί από τον βαθμό αναγέννησης. Ο βαθμός αναγέννησης είναι ο λόγος της ποσότητας θερμότητας που μεταφέρεται στον αέρα που λαμβάνεται από τον πεπιεσμένο αέρα στον αναγεννητή προς την ποσότητα θερμότητας που θα μπορούσε να λάβει εάν θερμανθεί από T 2 σε T 5 = T 4 στην έξοδο του αεριοστρόβιλου .

Θερμική απόδοση κύκλου αεριοστροβίλου με ατελή αναγέννηση, δηλ. στο r<1, определяется следующим образом

Ο βαθμός αναγέννησης καθορίζεται από την ποιότητα και την περιοχή των επιφανειών εργασίας του εναλλάκτη θερμότητας (αναγεννητής).

Επί του παρόντος, τέτοιοι αεριοστρόβιλοι χρησιμοποιούνται σε σταθερές εγκαταστάσεις λόγω του μεγάλου βάρους και των διαστάσεων του αναγεννητή, για παράδειγμα, ως σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής πλοίων.

Εργασία Νο. 1

Προσδιορίστε την ογκομετρική σύνθεση, το μοριακό βάρος, τη σταθερά του αερίου και τον όγκο του μείγματος εάν η σύσταση μάζας του είναι η εξής: προπάνιο - 48,7%, βουτάνιο - 16,8%, εξάνιο - 14,6%, αιθυλένιο - 4,7%, άζωτο - 15,2%. Η πίεση του μείγματος είναι 3 bar, η μάζα και η θερμοκρασία του μείγματος είναι αντίστοιχα ίσες

Βάρος, kg	Θερμοκρασία, 0 C

C4H10 = 16,8% C6H14 = 14,6% C 2 H 4 = 4,7% P cm = 3 bar t cm = 17 0 C	g i (C3H8) = 0,487 g i (C4H10) = 0,168 g i (C6H14) = 0,146 g i (C2H4) = 0,047 g i (Ν 2) = 0,152 P cm = 3 10 5 Pa

Βρείτε: i - ?, M cm - ?,

R cm - ?, V cm - ?

1. Χρησιμοποιώντας δεδομένα αναφοράς, προσδιορίζουμε τα μοριακά βάρη των συστατικών:

M(C3H8) = 44 kg/kmol;

M(C4H10) = 58 kg/kmol;

M(C6H14) = 86 kg/kmol;

M(C2H4) = 28 kg/kmol;

M(N 2) = 28 kg/kmol.

2. Ας υπολογίσουμε τις σταθερές αερίων των αερίων χρησιμοποιώντας την τιμή της καθολικής σταθεράς αερίου R = 8,314 kJ/kmol K:

R(C3H8) = = 0,18895 kJ/kg Κ = 188,9 J/kg Κ;

R(C4H10) = = 0,1433 kJ/kg Κ = 143,3 J/kg Κ;

R(C6H14) = = 0,09667 kJ/kg Κ = 96,7 J/kg Κ;

R(C2H4) = 0,2969 kJ/kg Κ = 296,9 J/kg Κ;

R(N 2) = = 0,2969 kJ/kg K = 296,9 J/kg K.

3. Ας προσδιορίσουμε τη σταθερά αερίου του μείγματος:

R εκ= ?(σολ Εγώ R Εγώ)

R= 0,487 188,95 + 0,168 143,3 + 0,146 96,7 + 0,047 296,9 + 0,152 296,9 = 92,02+24,07+13,95+14,26+1893 = Κ.

4. Ας προσδιορίσουμε τα κλάσματα όγκου των συστατικών που περιλαμβάνονται στο μείγμα:

όπου R cm είναι η σταθερά αερίου του μείγματος, J/(kg K);

R i είναι η σταθερά αερίου των επιμέρους συστατικών που περιλαμβάνονται στο μείγμα J/(kg K).

5. Υπολογίστε το μοριακό βάρος του μείγματος:

M cm = 0,488 44 + 0,127 58 + 0,074 86 + 0,073 28 + 0,238 28 = 21,47 + 7,37 + 6,36 + 2,04 + 6,66 = 44 kg/kmol.

6. Υπολογίστε τον όγκο του μείγματος αερίων, εκφράζοντας τον από την εξίσωση Clayperon:

RV = Μ R Τ,

m 3 /kg.

Απάντηση: r(C 3 H 8) - 48,8%; r(C4H10) -12,7%.

r(C6H14) - 7,4%. M cm - 44 kg/kmol.

r(C2H4) - 7,3%. R cm - 189,43 J/kg Κ.

r(Ν2) - 23,8%. V cm - 1.648 m 3 /kg.

Πρόβλημα Νο 2

Το μείγμα αερίων στον αντιδραστήρα έχει την εξής ογκομετρική σύνθεση: μονοξείδιο του άνθρακα = 14%, άζωτο = 6%, οξυγόνο = 75%, υδρατμοί = 5% και θερμαίνεται από t1 σε t2. Προσδιορίστε την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο μείγμα αερίων. Αποδεχτείτε την εξάρτηση της θερμοχωρητικότητας από τη θερμοκρασία σύμφωνα με την επιλογή σας

			συνεχής

H 2 O ατμός = 5%	r(H2O) ατμός = 0,05

Εύρεση: Q - ?

1. Σύμφωνα με τις συνθήκες του προβλήματος, προκύπτει ότι η εξάρτηση της θερμοχωρητικότητας από τη θερμοκρασία είναι σταθερή, δηλαδή, δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία, επομένως, η θερμοχωρητικότητα καθορίζεται από τον τύπο:

όπου C είναι η θερμοχωρητικότητα του αερίου, kJ/kmol K.

M i είναι το μοριακό βάρος του συστατικού, g/kmol.

Για διατομικά αέρια (άζωτο, οξυγόνο) Γ v = 20,93 kJ/kmol K, για υδρατμούς και άλλα πολυατομικά αέρια Γ v = 25 kJ/kmol Κ.

Ας υπολογίσουμε τις θερμοχωρητικότητες των εξαρτημάτων:

kJ/kmol K;

kJ/kmol K;

kJ/kmol K;

kJ/kmol Κ.

Ας υπολογίσουμε τη συνολική θερμοχωρητικότητα του μείγματος αερίων:

C cm = 0,7475 0,14 + 0,7475 0,06 + 0,6541 0,75 + 1,3889 0,05 = 0,1046 + 0,0448 + 0,4906 + 0,0694 = 0,7094 KJ/kol.

2. Υπολογίστε την ποσότητα θερμότητας σε σταθερή θερμοχωρητικότητα χρησιμοποιώντας τον τύπο:

Q = mC v(Τ 2 - Τ 1 )

Q = 4 0,7094(1073 - 423) = 2,8376 650 = 1844,44 J.

Απάντηση: Q = 1844,44 J.

Πρόβλημα Νο. 3

Ο αέρας λειτουργεί σε κύκλο με ισοχορική παροχή θερμότητας. Προσδιορίστε τις παραμέτρους του κύκλου σε χαρακτηριστικά σημεία και το χρήσιμο έργο του κύκλου εάν η μάζα αέρα, η αρχική πίεση, η αρχική θερμοκρασία, ο λόγος συμπίεσης και η ποσότητα της θερμότητας που παρέχεται κατά την καύση είναι αντίστοιχα ίσες

	P 1 = 9 10 3 Pa

Βρείτε: A = ?

Ένας κύκλος με ισοχορική παροχή θερμότητας (κύκλος Otto) αποτελείται από δύο adiabats και δύο isochores. Τα χαρακτηριστικά του κύκλου είναι:

αναλογία συμπίεσης - ;

βαθμός αύξησης της πίεσης - ;

Η ποσότητα της θερμότητας που παρέχεται και αφαιρείται καθορίζεται από τους τύπους:

Το έργο του κύκλου καθορίζεται από:

1. Ας προσδιορίσουμε τις παραμέτρους του κύκλου σε χαρακτηριστικά σημεία.

α) Ας προσδιορίσουμε τις παραμέτρους στο σημείο 1.

P 1 = 90 10 3 Pa; Τ 1 = 298 Κ; M αέρας = 28,97 kg/kmol.

Η σταθερά αερίου του αέρα είναι

Ας υπολογίσουμε τον ειδικό όγκο αέρα V 1 εκφράζοντας τον από την εξίσωση Clayperon:

β) Ας προσδιορίσουμε τις παραμέτρους στο σημείο 2.

Ο λόγος συμπίεσης είναι

Ως εκ τούτου m 3 /kg.

Από την αδιαβατική εξίσωση (διαδικασία 1-2 - αδιαβατική συμπίεση) εκφράζουμε τη θερμοκρασία

όπου k είναι ο αδιαβατικός δείκτης (για τον αέρα είναι 1,4).

Η πίεση P 2 βρίσκεται από την έκφραση

γ) Ας προσδιορίσουμε τις παραμέτρους στο σημείο 3.

Εφόσον το 2 - 3 είναι ισόχωρο, τότε V 3 = V 2 = 0,7125 m 3 / kg.

Η θερμοκρασία στο σημείο 3 προσδιορίζεται από τη σχέση

Λαμβάνοντας Ms v = 20,98 kJ/kg K, M (αέρας) = 28,97 kg/kmol, λαμβάνουμε

ως εκ τούτου,

Η πίεση P 3 προσδιορίζεται από τη σχέση

δ) Ας προσδιορίσουμε τις παραμέτρους στο σημείο 4.

V 4 = V 1 = 2,85 m 3 /kg.

από εδώ εκφράζουμε την πίεση στο σημείο 4

2. Προσδιορίστε το χρήσιμο έργο του κύκλου.

Ας υπολογίσουμε την ποσότητα της θερμότητας που αφαιρέθηκε:

Η χρήσιμη εργασία στον κύκλο είναι

Απάντηση: μεγάλο ts= 680,56 kJ.

Πρόβλημα Νο 4

Βρείτε τον υψηλότερο λόγο συμπίεσης σε έναν κύκλο με ισοχορική παροχή θερμότητας, εάν είναι γνωστό ότι η αρχική πίεση είναι 100 kPa, ο αδιαβατικός εκθέτης είναι 1,3 και η αρχική θερμοκρασία και η θερμοκρασία αυτανάφλεξης του εύφλεκτου μείγματος είναι:

t ίδια = 430 0 C	P 1 =10 10 3 Pa

Εφόσον υπάρχει ισοχορική παροχή θερμότητας, εκφράζουμε τον βαθμό συμπίεσης από την αδιαβατική εξίσωση:

Ας υπολογίσουμε τον λόγο συμπίεσης:

Απάντηση: αναλογία συμπίεσης; Το μέγιστο σε έναν κύκλο με ισοχορική παροχή θερμότητας είναι 26,9. Όσο υψηλότερος είναι ο λόγος συμπίεσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση του κύκλου.

Εργασία Νο. 5

Ο αέρας ρέει έξω από τη δεξαμενή. Βρείτε την τιμή της μέσης πίεσης στην οποία η θεωρητική ταχύτητα της αδιαβατικής εκροής θα είναι ίση με την κρίσιμη και το μέγεθος αυτής της ταχύτητας εάν η αρχική πίεση και η θερμοκρασία είναι αντίστοιχα ίσες

	P 1 =5 10 6 Pa

Εύρεση: P 2 = ?

Ο αέρας είναι ένα διατομικό αέριο, επομένως η κρίσιμη τιμή για τον αέρα είναι 0,528.

Από τη σχέση εκφράζουμε και βρίσκουμε την πίεση του μέσου P 2:

Ας προσδιορίσουμε την τιμή του b και ας τη συγκρίνουμε με την κρίσιμη τιμή για τον αέρα: 0,528 = 0,528.

Εφόσον η αδιαβατική εκροή αερίου συμβαίνει σε σε kr, τότε η θεωρητική ταχύτητα εκροής αερίου θα είναι ίση με την κρίσιμη ταχύτητα και καθορίζεται από τον τύπο

Απάντηση: P 2 = 2,64 10 6 Pa; w cr= 321 m/s.

Θεωρητική ερώτηση Νο 3

Συναγωγική μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη κίνηση υγρού. Μεταφορά θερμότητας κατά την αναγκαστική κίνηση του ρευστού μέσω καναλιών.

Η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή είναι μια συνδυασμένη διαδικασία μεταφοράς και θερμικής αγωγιμότητας, καθώς όταν ένα υγρό ή αέριο κινείται, μεμονωμένα σωματίδια διαφορετικών θερμοκρασιών αναπόφευκτα έρχονται σε επαφή.

Η συναγωγική ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ μιας ροής υγρού ή αερίου και της επιφάνειας ενός στερεού σώματος ονομάζεται μεταφορά θερμότητας, η οποία

συχνά συνοδεύεται από μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία.

Ανάλογα με τον λόγο που προκαλεί την κίνηση του υγρού, διακρίνονται δύο τύποι κίνησης: ελεύθερη (φυσική μεταφορά) και εξαναγκασμένη (αναγκαστική μεταφορά).

Η ελεύθερη κίνηση συμβαίνει λόγω της διαφοράς στις πυκνότητες των θερμαινόμενων και ψυχρών σωματιδίων ρευστού, η οποία προκαλεί την εμφάνιση ανυψωτικής δύναμης. Τα σωματίδια υγρού που έρχονται σε επαφή με τη θερμαινόμενη επιφάνεια του σώματος θερμαίνονται και γίνονται ελαφρύτερα από τα ψυχρά σωματίδια πάνω τους. Αυτή η διάταξη των σωματιδίων είναι ασταθής: τα ψυχρά σωματίδια τείνουν να κατεβαίνουν και να εκτοπίζουν ελαφρύτερα θερμαινόμενα σωματίδια, τα οποία πρέπει να κάνουν μια ανοδική κίνηση προς τα κατερχόμενα ψυχρά σωματίδια. Αναδύεται μια πολύπλοκη, χαοτική κίνηση κατά την οποία τα ρεύματα ανόδου και καθόδου συγκρούονται. Όσο περισσότερη θερμότητα μεταφέρεται, τόσο πιο έντονη είναι η ελεύθερη κίνηση του ρευστού. Η ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται είναι ανάλογη με την επιφάνεια του σώματος και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας που απελευθερώνει (ή λαμβάνει θερμότητα) και του υγρού. Η διαφορά θερμοκρασίας καθορίζει τη δύναμη ανύψωσης της κίνησης και η επιφάνεια καθορίζει τη ζώνη κατανομής της διαδικασίας ανταλλαγής θερμότητας.

Η εξαναγκασμένη κίνηση συμβαίνει υπό την επίδραση της δύναμης στο υγρό από το εξωτερικό - αντλία, άνεμος, ανεμιστήρας, συμπιεστής, εκτοξευτής κ.λπ. υγρό κινείται. Η κινητήρια δύναμη καθορίζεται κυρίως από τη διαφορά πίεσης. Η ένταση της ανταλλαγής θερμότητας κατά τη διάρκεια της αναγκαστικής κίνησης ενός υγρού εξαρτάται από την ταχύτητα κίνησής του, τον τύπο και τις φυσικές ιδιότητες του υγρού, τη θερμοκρασία του, το σχήμα και το μέγεθος του καναλιού στο οποίο λαμβάνει χώρα η ανταλλαγή θερμότητας.

Η ένταση της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή περιορίζεται από τη διαδικασία της θερμικής αγωγιμότητας στο όριο του υγρού με μια στερεά επιφάνεια και στο οριακό στρώμα των σχετικά ακίνητων υγρών σωματιδίων δίπλα στη στερεά επιφάνεια. Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας την ταχύτητα κίνησης του ρευστού σε σχέση με τη στερεά επιφάνεια, γεγονός που βοηθά στη μείωση του πάχους του οριακού στρώματος. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει δύο στάδια και δύο τύπους μεταφοράς θερμικής ενέργειας:

Μεταφορά θερμικής ενέργειας με συναγωγή σε όγκο υγρού ή αερίου.

Μεταφορά θερμικής ενέργειας μέσω θερμικής αγωγιμότητας σε ένα λεπτό, βραδέως κινούμενο στρώμα υγρού ή αερίου που βρίσκεται ακριβώς δίπλα σε ένα στερεό τοίχωμα και ονομάζεται οριακό στρώμα ή στρωτή υποστιβάδα.

Μεταφορά θερμότητας με θερμική αγωγιμότητα μέσω άμεσης επαφής σωματιδίων υγρού ή αερίου με σωματίδια ενός στερεού τοιχώματος απευθείας στο όριο της στερεάς επιφάνειας.

Με βάση τις παραπάνω διατάξεις, προέκυψε η βασική εξίσωση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, που ονομάζεται εξίσωση Newton-Richmann:

όπου q είναι η ειδική ροή θερμότητας κατά τη διάρκεια της συναγωγής ανταλλαγής θερμότητας, W/m2.

Q - συνολική ροή θερμότητας, W;

F - επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας με συναγωγή, m2;

l w - συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας υγρού (αερίου) στο οριακό στρώμα, W/m 2 K.

d p.s. - πάχος του οριακού στρώματος υγρού (αερίου) δίπλα στην επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας, m.

β - συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, που χαρακτηρίζει τις συνθήκες ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ του υγρού και του στερεού τοιχώματος, W/m 2 K.

Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας β -το κύριο χαρακτηριστικό της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και είναι μια σύνθετη συνάρτηση μεγάλου αριθμού ανεξάρτητων ποσοτήτων που χαρακτηρίζουν το φαινόμενο.

Ένα από τα κύρια καθήκοντα της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή είναι ο προσδιορισμός του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Ο αναλυτικός προσδιορισμός του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας είναι, κατά κανόνα, αδύνατος, επειδή Η τιμή του εξαρτάται από πολλές μεταβλητές: παραμέτρους διεργασίας, φυσικές σταθερές, γεωμετρικές διαστάσεις και οριακές συνθήκες. Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας εμπειρικούς τύπους, οι οποίοι καταρτίζονται σε μορφή κριτηρίου σύμφωνα με τους κανόνες της θεωρίας ομοιότητας. Δύο διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή θεωρούνται παρόμοιες εάν όλες οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν τη μεταφορά θερμότητας είναι παρόμοιες.

Για να απλοποιηθεί η διαδικασία δημιουργίας ομοιότητας, χρησιμοποιούνται αδιάστατα σύμπλοκα φυσικών παραμέτρων - αριθμοί ή κριτήρια ομοιότητας. Υπάρχουν πολλοί αριθμοί ομοιότητας. Για μεταφορά θερμότητας με συναγωγή

χρησιμοποιήστε τους παρακάτω πέντε αριθμούς ομοιότητας.

Αριθμός Reynoldsχαρακτηρίζει το καθεστώς ροής ενός υγρού ή αερίου και εκφράζει τον λόγο των δυνάμεων αδράνειας (πίεση ταχύτητας) προς τις δυνάμεις ιξώδους τριβής:

Οπου w- μέση ταχύτητα υγρού ή αερίου, m/s.

μεγάλο- χαρακτηριστικό μέγεθος, m;

v- συντελεστής κινηματικού ιξώδους, m 2 /s.

Σε αριθμούς Reynolds μικρότερους από 2000, ο τρόπος λειτουργίας θεωρείται στρωτός· σε αριθμούς μεγαλύτερους από 10.000, ο τρόπος κίνησης είναι τυρβώδης. με αριθμούς που κυμαίνονται από το 2000 έως το 10000, η ​​λειτουργία είναι μεταβατική.

Αριθμός Prandtlκαθορίζει τη σχέση μεταξύ του πάχους

δυναμικά και θερμικά οριακά στρώματα:

όπου a είναι ο συντελεστής θερμικής διάχυσης, m 2 /s.

n είναι ο συντελεστής κινηματικού ιξώδους, m 2 /s.

Αριθμός Nusseltχαρακτηρίζει την ένταση της συναγωγής ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ υγρού (αερίου) και της επιφάνειας ενός στερεού:

όπου b είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, W/(m 2 CHK);

l - χαρακτηριστικό μέγεθος, m;

l - συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας αερίου ή υγρού, W/(mCHK).

Αριθμός Grashofχαρακτηρίζει την ένταση της ελεύθερης μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή:

όπου g = 9,81 m/s 2 - επιτάχυνση ελεύθερης πτώσης.

β - συντελεστής ογκομετρικής διαστολής: για υγρά b δίνονται στα βιβλία αναφοράς (Παράρτημα L), για αέρια - b = 1/T, 1/K;

l - χαρακτηριστικό μέγεθος, m;

Dt είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των υγρών (αερίων) σωματιδίων.

n - κινηματικό ιξώδες, m 2 /s.

Αριθμός Eulerχαρακτηρίζει τον λόγο πτώσης πίεσης προς κεφαλή ταχύτητας:

όπου DR είναι η πτώση πίεσης στο τμήμα του καναλιού, Pa;

r - πυκνότητα υγρού (αερίου), kg/m3.

w - ταχύτητα υγρού (αερίου), m/s.

Κατά το σχεδιασμό εναλλάκτη θερμότητας, είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν δύο παράμετροι: ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας b και η πτώση πίεσης DR. Περιλαμβάνονται στους αριθμούς Nusselt και Euler, δηλ. Αυτοί είναι προσδιορισμένοι αριθμοί ομοιότητας. Οι αριθμοί Reynolds, Grashof και Prandtl είναι καθοριστικοί. Εξισώσεις ομοιότητας- τη σχέση μεταξύ του καθορισμένου αριθμού ομοιότητας και των καθοριστικών αριθμών ομοιότητας. Έτσι, κατά τη μοντελοποίηση, ο κύριος στόχος είναι να βρεθούν οι εξισώσεις:

Η γενική εξίσωση ομοιότητας για τη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή έχει τη μορφή

Οπου γ, η, μ, δ- συντελεστές που καθορίζονται από πειραματικές μελέτες.

Στις εξισώσεις κριτηρίου, ο πολλαπλασιαστής λαμβάνει υπόψη την κατεύθυνση της ροής της θερμότητας κατά την αναλογία, ενώ Pr είναι ο αριθμός Prandtl για ένα υγρό (αέριο) στη θερμοκρασία του. Prst - Αριθμός Prandtl για υγρό (αέριο) σε θερμοκρασία τοίχου.

Οι φυσικές παράμετροι που περιλαμβάνονται στους τύπους πρέπει να λαμβάνονται στην καθοριστική θερμοκρασία, η οποία υποδεικνύεται για κάθε περίπτωση μεταφοράς θερμότητας, και χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες καθοριστικές θερμοκρασίες:

t ST - μέση θερμοκρασία τοίχου.

tf - μέση θερμοκρασία υγρού ή αερίου.

t PL είναι η μέση θερμοκρασία του οριακού στρώματος (μεμβράνη), που ορίζεται ως ο αριθμητικός μέσος όρος μεταξύ t L και t ST.

Η μέση θερμοκρασία ενός υγρού (αερίου) μπορεί να οριστεί κατά προσέγγιση ως ο αριθμητικός μέσος όρος μεταξύ της αρχικής και της τελικής θερμοκρασίας του υγρού.

Η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας όταν ένα υγρό ρέει σε σωλήνες είναι πιο περίπλοκη σε σύγκριση με τη διαδικασία μεταφοράς θερμότητας κατά το πλύσιμο μιας επίπεδης επιφάνειας με απεριόριστη ροή, στην οποία το υγρό που ρέει μακριά από το σώμα δεν επηρεάζεται από διεργασίες που συμβαίνουν κοντά στον τοίχο. Η διατομή του σωλήνα έχει πεπερασμένες διαστάσεις. Ως αποτέλεσμα, στον σωλήνα, ξεκινώντας από μια ορισμένη απόσταση από την είσοδο, το υγρό σε όλη τη διατομή υφίσταται την επίδραση πέδησης των ιξωδών δυνάμεων. Λόγω των πεπερασμένων διαστάσεων του σωλήνα, η θερμοκρασία του υγρού αλλάζει τόσο σε όλη τη διατομή όσο και σε όλο το μήκος του καναλιού. Όλα αυτά επηρεάζουν τη μεταφορά θερμότητας.

Η ροή του υγρού στους σωλήνες μπορεί να είναι στρωτή, παροδική και τυρβώδης.

Με στρωτή ή πολυεπίπεδη, ήρεμη, εκτοξευόμενη κίνηση, τα ρεύματα υγρού επαναλαμβάνουν τα περιγράμματα του καναλιού ή του τοίχου, δηλαδή δεν αναμειγνύονται. Η διάδοση της θερμότητας σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση της κίνησης οφείλεται αποκλειστικά στη θερμική αγωγιμότητα.

Με τυρβώδη κίνηση, το υγρό αναμιγνύεται συνεχώς. Η ταχύτητα ενός υγρού σωματιδίου σε κάθε στιγμή του χρόνου αλλάζει σε μέγεθος και κατεύθυνση. Στο τυρβώδες καθεστώς, η θερμότητα μεταφέρεται με θερμική αγωγιμότητα μόνο στο παχύρρευστο υποστιβάδα και μέσα στον τυρβώδη πυρήνα αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται με εντατική ανάμειξη υγρών σωματιδίων.

Η μετάβαση από στρωτό σε τυρβώδες και αντίστροφα συμβαίνει υπό ορισμένες συνθήκες. Οι παράμετροι μετάβασης καθορίζονται από τον αριθμό Reynolds. Έτσι, για παράδειγμα, για λείους σωλήνες αυτός ο αριθμός είναι περίπου 2300.

Όταν ένα ρευστό κινείται στρωτά, διακρίνονται δύο τρόποι: παχύρρευστο και παχύρρευστο-βαρυτικό.

Το ιξώδες είναι ο τρόπος κίνησης όταν οι ιξώδεις δυνάμεις υπερισχύουν των δυνάμεων ανύψωσης στο ρευστό. Αυτός ο τρόπος κίνησης συμβαίνει με την εξαναγκασμένη κίνηση των παχύρρευστων ρευστών και μια ελάχιστα μικρή επίδραση της ελεύθερης κίνησης. Ο παχύρρευστος τρόπος κίνησης παρατηρείται συνήθως κατά τη στρωτή κίνηση υγρών με υψηλό ιξώδες σε σωλήνες μικρής διαμέτρου και σε πιέσεις χαμηλής θερμοκρασίας.

Το καθεστώς ιξώδους-βαρύτητας είναι ο τρόπος κίνησης του ρευστού όταν οι δυνάμεις ανύψωσης είναι αρκετά μεγάλες: η εξαναγκασμένη κίνηση υπερτίθεται από την ελεύθερη κίνηση, η επίδραση της οποίας στη μεταφορά θερμότητας δεν μπορεί να παραμεληθεί. Σε αυτήν την περίπτωση, η κατανομή της ταχύτητας στη διατομή του σωλήνα εξαρτάται όχι μόνο από την αλλαγή του ιξώδους, αλλά και από την ένταση και την κατεύθυνση της ελεύθερης κίνησης του υγρού, που προκαλείται από τη διαφορά στις πυκνότητες του όλο και περισσότερου θερμαινόμενου υγρά σωματίδια.

Σε ένα ανεπτυγμένο τυρβώδες καθεστώς (Re>10000), χρησιμοποιείται η ακόλουθη εξίσωση:

όπου e l είναι ένας συντελεστής διόρθωσης που λαμβάνει υπόψη την επίδραση του αρχικού τμήματος της ροής στον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στον σωλήνα.

Η καθοριστική θερμοκρασία είναι η μέση θερμοκρασία του υγρού ή του αερίου. Το χαρακτηριστικό μέγεθος l είναι: για έναν στρογγυλό σωλήνα - η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα d. για σωλήνα αυθαίρετου σχήματος - ισοδύναμης διαμέτρου d eq

F είναι η περιοχή διατομής του καναλιού, m 2;

P είναι η συνολική περίμετρος του τμήματος, ανεξάρτητα από το ποιο τμήμα αυτής της περιμέτρου εμπλέκεται στην ανταλλαγή θερμότητας, m.

Για τα αέρια, ο τύπος είναι απλοποιημένος, επειδή Στην περίπτωση αυτή, το κριτήριο Pr είναι μια σχεδόν σταθερή τιμή ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία, Pr = 0,67...1,0 (καθορίζεται από τον αριθμό των ατόμων στο μόριο): .

Κατά την ανταλλαγή θερμότητας σε καμπυλωτούς σωλήνες (πηνία), λόγω του φυγοκεντρικού φαινομένου, εμφανίζεται δευτερεύουσα κυκλοφορία στη διατομή του σωλήνα, η παρουσία της οποίας οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Επομένως, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας πρέπει να πολλαπλασιαστεί με τον συντελεστή διόρθωσης e zm:

όπου d είναι η διάμετρος του σωλήνα, m; D είναι η διάμετρος της σπείρας του πηνίου, m.

Στην περίπτωση στρωτής ροής υγρού (Απ<2320) вынужденное перемещение ее частиц сопровождается также и свободным движением.

Η μέση τιμή του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας καθορίζεται από τον τύπο:

Κατά τον υπολογισμό του κριτηρίου Gr, η τιμή του Dt χαρακτηρίζει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του υγρού (αερίου) και του τοίχου.

Εάν το ψυκτικό υγρό είναι αέριο, ο τύπος απλοποιείται: .

Όταν ο σωλήνας είναι τοποθετημένος κατακόρυφα, εισάγεται διόρθωση 0,85 όταν συμπίπτουν ελεύθερες και εξαναγκασμένες κινήσεις, και διόρθωση 1,15 εισάγεται στην αντίθετη κατεύθυνση.

Εάν το ψυκτικό υγρό είναι υγρό με υψηλό συντελεστή ιξώδους, τότε η ελεύθερη μεταφορά δεν επηρεάζει τη μεταφορά θερμότητας. Η εξίσωση ομοιότητας για το ιξώδες καθεστώς είναι

Ως καθοριστική θερμοκρασία λαμβάνεται η μέση θερμοκρασία του υγρού και το χαρακτηριστικό γραμμικό μέγεθος είναι η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα.

Στο εύρος των αριθμών Reynolds από 2320 έως 10000, παρατηρείται ένα μεταβατικό καθεστώς κίνησης ρευστού. Για να προσδιορίσετε τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας κατά τη μεταβατική κίνηση, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ακόλουθη εξίσωση κριτηρίου σχεδιασμού:

όπου το K 0 είναι συνάρτηση του αριθμού Reynolds.

Η μέση θερμοκρασία του υγρού λαμβάνεται ως καθοριστική θερμοκρασία στην εξίσωση και η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα λαμβάνεται ως καθοριστικό μέγεθος ρε vn ή ρε εξ

Η μεταφορά θερμότητας κατά τη διάρκεια του μεταβατικού καθεστώτος κίνησης ρευστού σε κανάλια και σωλήνες υπολογίζεται κατά την επίλυση προβλημάτων από την πρακτική πυρόσβεσης.

Ο τύπος υπολογισμού για τον προσδιορισμό των μέσων τιμών του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, που λαμβάνεται με βάση μια γενίκευση των πειραματικών δεδομένων, έχει τη μορφή:

Δείκτης φάστους αριθμούς Nu, Re, Pr σημαίνει ότι όλες οι φυσικές παράμετροι υπολογίζονται στη μέση θερμοκρασία του υγρού. Σε αυτή την περίπτωση, η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα λαμβάνεται ως καθοριστικό μέγεθος ρε vnή ρε εξ=4 φά/ Uγια κανάλια που δεν έχουν κυκλική διατομή, όπου F είναι το εμβαδόν διατομής του καναλιού και U είναι η περίμετρος αυτού του τμήματος.

Πολλαπλασιαστής e l =1 σε l/d nar;50, και σε l/d nar<50, его принимают в зависимости от числа Рейнольдса для данных условиях

Η τιμή του e l εξαρτάται από τις συνθήκες εισόδου υγρού στο σωλήνα.

Αρκετά συχνά, για την επίλυση προβλημάτων πυρασφάλειας, χρησιμοποιούνται εξισώσεις που περιγράφουν τη μεταφορά θερμότητας κατά τη διάρκεια της αναγκαστικής κίνησης του ρευστού.

Θεωρητική ερώτηση Νο 4

Θερμική ακτινοβολία. Βασικοί νόμοι μεταφοράς ακτινοβολίας θερμότητας

Η θερμική ακτινοβολία είναι μια μέθοδος μεταφοράς θερμότητας στο διάστημα, που πραγματοποιείται ως αποτέλεσμα της διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, η ενέργεια των οποίων, όταν αλληλεπιδρά με την ύλη, μετατρέπεται σε θερμότητα. Η ανταλλαγή θερμότητας ακτινοβολίας σχετίζεται με διπλό μετασχηματισμό ενέργειας: αρχικά, η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μετατρέπεται σε ενέργεια ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και στη συνέχεια, αφού η ενέργεια μεταφερθεί στο διάστημα από ηλεκτρομαγνητικά κύματα, μια δεύτερη μετάβαση της ακτινοβολούμενης ενέργειας σε εμφανίζεται η εσωτερική ενέργεια ενός άλλου σώματος.

Η θερμική ακτινοβολία ενός σώματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία του (τον βαθμό θέρμανσης του σώματος).

Πυκνότητα ροής αυτο-ακτινοβολίας μι προσωπικός, W/m 2, ένα σώμα ονομάζεται εκπομπή του (εκπομπή). Αυτή η παράμετρος ακτινοβολίας εντός μιας στοιχειώδους περιοχής μήκους κύματος dl ονομάζεται πυκνότητα φασματικής ροής της δικής της ακτινοβολίας El, W/m 3 ή φασματική εκπομπή του σώματος ή φασματική ένταση ακτινοβολίας.

Η ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε ένα σώμα, σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, μπορεί να απορροφηθεί, να ανακληθεί από το σώμα ή να περάσει μέσα από αυτό:

Q απορρόφηση + Q αρνητικό +Q στήριγμα =Q πτώση.

Ο λόγος του απορροφούμενου μέρους της ενέργειας προς την προσπίπτουσα ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας ονομάζεται ικανότητα απορρόφησης του σώματος και συμβολίζεται με το γράμμα Α. Ο λόγος του ανακλώμενου μέρους της ενέργειας προς την προσπίπτουσα ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας ονομάζεται η ανακλαστικότητα του σώματος και συμβολίζεται με το γράμμα R. Ο λόγος της ενέργειας που διέρχεται από το σώμα προς την προσπίπτουσα ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας ονομάζεται διαπερατότητα του σώματος και συμβολίζεται με το γράμμα Δ. Έτσι, σύμφωνα με το νόμο για τη διατήρηση της ενέργειας, γράφουμε:

Ένα σώμα που απορροφά όλη την ενέργεια ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνειά του ονομάζεται απολύτως μαύρο σώμα (ABL). Για ένα απολύτως μαύρο σώμα, η ικανότητα απορρόφησης A = 1.

Ένα σώμα που αντανακλά όλη την ενέργεια ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνειά του ονομάζεται απολύτως λευκό σώμα (αν η ανάκλαση συμβαίνει σε ένα ημισφαίριο) ή σώμα καθρέφτη (αν η γωνία της προσπίπτουσας ακτίνας είναι ίση με τη γωνία της ανακλώμενης ακτίνας). Σε αυτή την περίπτωση, ανακλαστικότητα R = 1.

Ένα σώμα που μεταδίδει όλη την ενέργεια ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνειά του ονομάζεται διαφανές ή διαθερμικό. Σε αυτή την περίπτωση, η απόδοση D = 1.

Ένα στερεό σώμα δεν μεταδίδει την ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνειά του και επομένως

Το άθροισμα της δικής του ακτινοβολίας και του μέρους της προσπίπτουσας ενέργειας που ανακλάται από την επιφάνεια του σώματος ονομάζεται αποτελεσματική ακτινοβολία του σώματος:

E eff = E συμβάν + E αρν.

Η προκύπτουσα ροή θερμότητας της ακτινοβολίας είναι η διαφορά μεταξύ της δικής της ακτινοβολίας και του μέρους της προσπίπτουσας ενέργειας που απορροφά το σώμα:

Eres = Eob; Eab = Eeff; E pad.

Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά ροής, οι διεργασίες μεταφοράς θερμότητας συμβαίνουν σε σταθερή κατάσταση (στάσιμη), όταν οι θερμοκρασίες σε όλα τα σημεία είναι σταθερές χρονικά και σε ασταθή (μη στάσιμη) λειτουργία.

Οι νόμοι της ακτινοβολούμενης μεταφοράς θερμότητας λήφθηκαν για ένα εντελώς μαύρο σώμα υπό ακίνητες συνθήκες.

Ας εξετάσουμε τους βασικούς νόμους της ακτινοβολίας.

Νόμος Stefan-Boltzmannκαθορίζει τη σχέση μεταξύ της εκπομπής και της θερμοκρασίας του μαύρου σώματος:

όπου E o είναι η ικανότητα εκπομπής ενός απόλυτου μαύρου σώματος, W/m 2 ;

y o = 5,67Χ10- 8, - σταθερά ακτινοβολίας ενός απολύτως μαύρου σώματος, W/m 2 CHK 4;61

C o = 5,67 - εκπομπή μαύρου σώματος, W/m 2 CHK 4 ;

T είναι η απόλυτη θερμοκρασία του σώματος που ακτινοβολεί, Κ.

Για γκρι σώματα:

E είναι η ικανότητα εκπομπής του γκρίζου σώματος, W/m2.

C είναι η ικανότητα εκπομπής του γκρίζου σώματος, W/(m 2 CHK 4).

Αν διαιρέσουμε την ενέργεια ακτινοβολίας ενός γκρίζου σώματος με την ενέργεια ακτινοβολίας ενός απολύτως μαύρου σώματος, παίρνουμε:

όπου ε είναι ο βαθμός μαύρης του σώματος.

Αν δεχθούμε ότι C=C0Ce, τότε η ενέργεια ακτινοβολίας ενός γκρίζου σώματος μπορεί να γραφεί ως:

Ο βαθμός μαύρης μπορεί να κυμαίνεται από 0 έως 1. Εξαρτάται όχι μόνο από τις φυσικές ιδιότητες του σώματος, αλλά και από την κατάσταση της επιφάνειας ή την τραχύτητα του.

Όπως φαίνεται από τον τύπο, η εξάρτηση της ενέργειας από την απόλυτη θερμοκρασία έχει τεταρτοταγή εξάρτηση, επομένως ο κύριος όγκος της θερμότητας κατά τις πυρκαγιές μεταφέρεται με ακτινοβολούμενη ανταλλαγή θερμότητας.

Ο νόμος του Kirchhoffδηλώνει ότι ο λόγος της εκπομπής ενός σώματος προς την ικανότητα απορρόφησής του είναι ο ίδιος για τις επιφάνειες όλων των γκρίζων σωμάτων (στην ίδια θερμοκρασία) και είναι ίσος με την ικανότητα εκπομπής ενός απολύτως μαύρου σώματος στην ίδια θερμοκρασία:

όπου Ε και Α είναι η ικανότητα εκπομπής και απορρόφησης των σωμάτων.

Τρεις συνέπειες προκύπτουν από το νόμο του Kirchhoff:

1) στη φύση δεν υπάρχουν επιφάνειες που θα εκπέμπουν περισσότερη ενέργεια από ένα απολύτως μαύρο σώμα (στην ίδια θερμοκρασία).

2) Τα σώματα με μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ακτινοβολίας και το αντίστροφο.

3) οι ικανότητες απορρόφησης και οι βαθμοί εκπομπής των πραγματικών (γκρίζων) σωμάτων είναι αριθμητικά ίσοι (A=e).

ο νόμος του Λάμπερτκαθορίζει τη σχέση μεταξύ της ποσότητας της εκπεμπόμενης ενέργειας και της κατεύθυνσης της ακτινοβολίας:

μι Ν- το ποσό της ενέργειας που εκπέμπεται προς την κατεύθυνση της κανονικής.

Ο νόμος του Lambert ελήφθη για ένα απολύτως μαύρο σώμα· για γκρίζα σώματα με τραχιά επιφάνεια, αυτός ο νόμος ισχύει για μ< 60 0 .

Για γυαλισμένες επιφάνειες, ο νόμος του Lambert δεν ισχύει· για αυτές, η εκπομπή ακτινοβολίας υπό γωνία θα είναι μεγαλύτερη από την κάθετη προς την επιφάνεια κατεύθυνση.

Νόμος του κρασιούδηλώνει ότι η μέγιστη ένταση ακτινοβολίας αντιστοιχεί στο ακόλουθο μήκος κύματος:

Είναι σαφές από τον τύπο ότι η μέγιστη ακτινοβολία μετατοπίζεται προς μικρά κύματα με αυξανόμενη θερμοκρασία (αλλιώς ο νόμος του Wien ονομάζεται νόμος μετατόπισης).

...

Παρόμοια έγγραφα

Παρασκευή αερίων για επεξεργασία, καθαρισμός τους από μηχανικά μείγματα. Διαχωρισμός αερίων μειγμάτων, ανόρθωση και συμπύκνωση σε χαμηλή θερμοκρασία. Τεχνολογικό διάγραμμα μονάδας κλασματοποίησης αερίου. Ιδιαιτερότητες επεξεργασίας αερίου από πεδία συμπυκνωμάτων αερίου.

διατριβή, προστέθηκε 02/06/2014


Μελέτη της επίδρασης διαφορετικών τύπων ξηραντικών παραγόντων στην απόδοση ξήρανσης άμμου και πυρήνων χύτευσης. Υπολογισμός της μονάδας ξήρανσης κατά τη διαδικασία ξήρανσης της ράβδου με αέρα που διέρχεται από το στεγνωτήριο. Βασικές αρχές θερμικής μηχανικής της διαδικασίας ξήρανσης, ανταλλαγή θερμότητας.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 11/04/2011


Περιοδική διόρθωση δυαδικών μειγμάτων. Συνεχής λειτουργία μονάδων απόσταξης για τον διαχωρισμό δυαδικών μειγμάτων. Υπολογισμός του ψύκτη των βυθών, του ύψους του στρώματος αερίου-υγρού του υγρού. Προσδιορισμός ταχύτητας ατμού και διαμέτρου στήλης.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε στις 20/08/2011


Σχηματισμός μίγματος άλεσης ως μέθοδος σταθεροποίησης των τεχνολογικών ιδιοτήτων του κόκκου. Απαιτήσεις για την παρασκευή μιγμάτων λείανσης κόκκων. Υπολογισμός της σύστασης των συστατικών του μίγματος άλεσης, χαρακτηριστικά κάθε παρτίδας κόκκου σιταριού για την παρασκευή του.

δοκιμή, προστέθηκε 05/07/2012


Θεμελιώδης χημεία της αιθάλης, μέθοδοι παραγωγής της. Παρασκευή μιγμάτων καουτσούκ με ορισμένη σκληρότητα που περιέχουν αιθάλη. Χαρακτηριστικά της επιλογής της κατάλληλης μάρκας για την ένωση καουτσούκ. Επεξεργασία ενώσεων καουτσούκ γεμάτες με αιθάλη.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 16/05/2013


Φυσικοχημικά φαινόμενα στις διεργασίες επεξεργασίας καουτσούκ και ενώσεων καουτσούκ. Χαρακτηριστικά της σύγχρονης τεχνολογίας για την παρασκευή ενώσεων καουτσούκ. Παρασκευή μιγμάτων με βάση καουτσούκ ισοπρενίου. Επεξεργασία μιγμάτων καουτσούκ σε μηχανές κυλίνδρων.

εργασία μαθημάτων, προστέθηκε 01/04/2010


Διόρθωση μιγμάτων λαδιών. Συστήματα ανταλλαγής θερμότητας για μονάδες πρωτογενούς απόσταξης πετρελαίου και διόρθωσης αερίων υδρογονανθράκων. Εκτίμηση της δυνατότητας αύξησης της απόδοσης του συστήματος ανταλλαγής θερμότητας. Εξέταση του βελτιστοποιημένου σχήματος από την άποψη της υδραυλικής.

διατριβή, προστέθηκε 20/10/2012


Υπολογισμός της λεπίδας εργασίας. Ο όγκος ενός τμήματος πτερυγίων. Κατασκευή λεπίδας με χρήση τρισδιάστατων πρωτοτύπων. Παράμετροι ακρίβειας χύτευσης και δικαιώματα επεξεργασίας. Προετοιμασία άμμου χύτευσης σε συνεχή φυγοκεντρικό αναδευτήρα.

διατριβή, προστέθηκε 27/05/2014


Χαρακτηριστικά και πεδίο εφαρμογής των θερμομονωτικών υλικών, η δομή και οι ιδιότητές τους. Αποτελεσματικότητα και μειονεκτήματα της πολυστρωματικής θερμομόνωσης σκόνης κενού. Τεχνολογία μόνωσης σε συσκευές διαχωρισμού σε χαμηλή θερμοκρασία μιγμάτων αερίων.

έκθεση, προστέθηκε στις 24/11/2010


Απαιτήσεις για το ασφαλτικό μίγμα, χαρακτηριστικά των υλικών που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή του. Επιλογή σύνθεσης ασφαλτικού μείγματος σκυροδέματος σύμφωνα με τις προδιαγραφές. Τεχνολογία και αλληλουχία, εξοπλισμός για την παρασκευή μείγματος ασφαλτικού σκυροδέματος.