Untuk melakukan perhitungan termodinamika sistem dengan campuran atau larutan gas, perlu diketahui komposisinya. Komposisi campuran dapat ditentukan:
Dalam pecahan massa, dimana
- massa molar Saya-komponen ke-, kg/mol; M Saya– berat molekul relatif Saya komponen -th; N Saya- kuantitas Saya-zat, tahi lalat;
untuk setiap fase
;
Fraksi mol
, Di mana
- jumlah zat campuran, mol; untuk setiap fase jumlah fraksi mol komponen campuran
;
Fraksi volume, yang sama dengan fraksi mol
, Di mana
- volume Saya komponen campuran, yang pada suhu dan tekanan campuran gas disebut volume tereduksi;
, m 3 /mol – volume molar komponen ke-i campuran. Sesuai dengan hukum Avagadro, volume molar semua komponen campuran gas adalah sama dan
, Di mana
. Jumlah volume tereduksi komponen-komponen campuran gas sama dengan volume campuran (hukum Amag), yaitu
.
Komposisi campuran gas ideal juga dapat ditentukan dengan tekanan parsial R Saya, konsentrasi massa dan konsentrasi molar
.
Saat menentukan komposisi larutan, konsentrasi massa dan molar digunakan.
Tekanan parsial R Saya - ini adalah tekanan Saya komponen campuran gas, asalkan menempati seluruh volume yang dimaksudkan untuk campuran pada suhu campuran.
3.2. Hubungan campuran gas ideal. hukum Dalton
>Massa molar rata-rata suatu campuran gas ditentukan oleh persamaan
, kg/mol, dimana
- massa campuran;
- jumlah zat dalam campuran. Kemudian
.
Konstanta gas spesifik dari campuran gas
, J/(kgK),
Di mana
J/(molK) – konstanta gas molar; - massa molar campuran.
Hukum Dalton:
, Pa,
itu. jumlah tekanan parsial masing-masing gas yang termasuk dalam campuran sama dengan tekanan total campuran. Jadi, setiap gas dalam bejana menempati seluruh volume pada suhu campuran, berada di bawah tekanan parsialnya sendiri.
Persamaan keadaan campuran gas ideal berbentuk:
.
Untuk tekanan parsial dan untuk mengurangi volume Saya- komponen campuran, persamaan keadaannya berbentuk:
Kemudian, membagi persamaan ini suku demi suku, persamaan pertama dengan persamaan kedua, kita peroleh
.
Membagi persamaan
ke persamaan
istilah demi istilah, kita mendapatkan:
.
Bab 4. Kapasitas panas
>4.1. Jenis kapasitas panas
>Kapasitas panas adalah sifat suatu benda untuk menyerap dan melepaskan panas ketika suhu berubah sebesar satu derajat dalam berbagai proses termodinamika. Perbedaan dibuat antara kapasitas panas rata-rata total dan total kapasitas panas sebenarnya.
Kapasitas panas rata-rata total suatu proses termodinamika (TP) adalah kapasitas panas suatu benda bermassa m, kg untuk segmen akhir TP:
,[J/K].
Kapasitas panas sebenarnya total dari TP adalah kapasitas panas suatu benda bermassa M, kg pada setiap momen tertentu TP:
, [J/K].
Pertimbangkan TP 1-2 sembarang dalam koordinat
, Di mana Q– masukan panas dalam [J]; T
– suhu dalam [ 0 C]. Kemudian
,
.
Jika kendaraan merupakan fluida kerja homogen, maka kapasitas panas relatif digunakan dalam perhitungan:
Kapasitas panas spesifik – kapasitas panas per 1 kg zat c=C/M, J/kgK;
Kapasitas panas molar – kapasitas panas per 1 mol suatu zat
, J/molK;
Kapasitas panas volumetrik – kapasitas panas per 1m3 zat
, J/m 3 K.
Kapasitas panas merupakan fungsi dari proses dan bergantung pada jenis fluida kerja, sifat proses, dan parameter keadaan. Jadi, kapasitas panas dalam suatu proses dengan tekanan konstan disebut kapasitas panas isobarik:
,
Di mana H, J – entalpi.
Kapasitas panas dalam suatu proses dengan volume konstan disebut kapasitas panas isokorik:
,
Di mana kamu, J – energi dalam.
Kapasitas panas gas ideal tidak bergantung pada suhu dan tekanan dan hanya bergantung pada jumlah derajat kebebasan bergerak molekul dan, sesuai dengan hukum pemerataan energi di antara derajat kebebasan bergerak molekul, kapasitas panasnya adalah:
, Di mana
- derajat kebebasan rotasi sama dengan nol untuk gas monoatomik
, untuk gas diatomik -
=2 dan untuk gas triatomik
=3;
J/molK – konstanta gas molar. Kapasitas panas ditentukan oleh persamaan Mayer:
.
Untuk gas monoatomik
Dan
, untuk gas diatomik
Dan
, untuk tiga atau lebih gas atom
Dan
.
Kapasitas panas gas nyata bergantung pada tekanan dan suhu. Dalam beberapa kasus, kita dapat mengabaikan pengaruh tekanan terhadap kapasitas panas dan berasumsi bahwa kapasitas panas gas nyata hanya bergantung pada suhu: C= F(T). Ketergantungan ini ditentukan secara eksperimental.
Ketergantungan empiris kapasitas panas spesifik sebenarnya pada suhu dapat direpresentasikan sebagai polinomial:
Di mana
pada suhu T=0 0 C. Untuk gas diatomik, kita dapat membatasi diri pada dua istilah:
, atau
, Di mana
.
Untuk bagian akhir proses 1-2, jumlah kalornya sama dengan:
Maka kapasitas panas rata-rata pada bagian proses ini akan sama dengan:
, J/kgK.
Di wilayah suhu rendah di T<100К прекращается вращательное движение молекул и колебательное движение атомов, а при температуреT→0K gerak translasi molekul juga berhenti, mis. pada T=0K DENGAN R = C ay=0 dan pergerakan termal molekul berhenti (data eksperimen dari Nernst et al., 1906-1912). Pada suhu T→0K sifat-sifat zat tidak lagi bergantung pada suhu, seperti yang diilustrasikan pada grafik ketergantungan kapasitas panas pada suhu absolut di atas.
1. Jenis sumber daya utama.
>Komponen utama bahan bakar cair
Bahan bakar– sumber energi; zat yang mudah terbakar yang menghasilkan sejumlah besar panas selama pembakaran.
Menurut keadaan agregasinya, bahan bakar padat, cair dan gas dibedakan.
KE bahan bakar alami padat termasuk kayu bakar, batubara coklat dan batubara keras, gambut, antrasit; untuk bahan bakar padat buatan - kokas, arang, briket dan debu dari batubara coklat dan keras, termoantrasit. Tidak ada bahan bakar cair alami. Berbagai resin dan bahan bakar minyak digunakan sebagai bahan bakar cair buatan. Bahan bakar gas mungkin alami, seperti gas alam. Gas yang dihasilkan dalam oven kokas (coke oven), tanur sembur (blast tanur atau tanur atas) dan generator gas (generator) digunakan sebagai bahan bakar gas buatan.
Bahan bakar cair- Ini terutama zat yang berasal dari organik, unsur penyusun utamanya adalah karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, dan belerang.
Karbon (C) adalah pembawa panas utama. Ketika 1 kg karbon dibakar, 34.000 kJ panas dilepaskan. Karbon dapat terkandung dalam bahan bakar minyak hingga 85% sehingga membentuk senyawa.
Hidrogen (H) adalah unsur bahan bakar terpenting kedua: pembakaran 1 kg hidrogen melepaskan sekitar 125.000 kJ panas. Kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair adalah 10%.
Bahan bakar cair juga mengandung uap air (W) dan abu hingga 0,5% (A).
Nitrogen (N) dan oksigen (O) merupakan bagian dari asam organik kompleks dan fenol dan terkandung dalam bahan bakar dalam jumlah kecil (sekitar 3%).
Belerang (S) melepaskan sejumlah besar panas selama pembakaran, namun senyawa belerang, ketika berinteraksi dengan logam cair atau panas, menurunkan kualitasnya: produk pembakaran yang mengandung senyawa belerang meningkatkan korosi pada bagian logam tungku, baja jenuh dengan belerang meningkat. kerapuhan merah. Belerang biasanya merupakan bagian dari hidrokarbon (sampai 4% atau lebih).
Komposisi bahan bakar kerja:
C P +H P + HAI P + N P +S P + SEBUAH P = 100 %.
Bahan bakar kering yang tidak mempunyai uap air disebut massa kering (c):
C Dengan +H Dengan + HAI c + N Dengan + S c + A c = 100%. Massa organik bahan bakar yang mengandung belerang disebut massa mudah terbakar (g):
DENGAN G + N G + HAI G + N G +S G = 100.
2. Komponen utama bahan bakar gas
>Bahan bakar gas- Ini pada dasarnya adalah campuran berbagai gas seperti metana, etilen, dan hidrokarbon lainnya. Bahan bakar gas juga mencakup karbon monoksida, karbon dioksida atau karbon dioksida, nitrogen, hidrogen, hidrogen sulfida, oksigen dan gas lainnya, serta uap air.
Gas alam dihasilkan dari ladang gas murni atau bersama-sama dengan minyak (gas ikutan). Dalam kasus pertama, komponen utama yang mudah terbakar adalah metana, yang kandungannya bisa mencapai 95–98%. Gas ikutan, selain metana, mengandung sejumlah besar hidrokarbon lain: etana (C2H6), propana (C 3 H 8), butana (C 4 H 10), pentana (C 5 H 12), dll. nilai kalornya tinggi, tetapi jarang digunakan sebagai bahan bakar. Mereka digunakan terutama dalam industri kimia.
Dengan menggunakan instrumen yang disebut penganalisis gas, komposisi bahan bakar gas ditentukan.
Komposisi bahan bakar gas kering meliputi:
CH 4 + C 2 H 4 + CO 2 + H 2 + H 2 S + C m H n+ N 2 + O 2 +… = 100.
Metana (CH4) adalah penyusun utama banyak gas alam. Ketika 1 m 3 metana dibakar, 35.800 kJ panas dilepaskan. Metana dalam gas alam bisa mengandung hingga 93-98%.
Etilena (C2H4) - ketika 1 m 3 etilen dibakar, 59.000 kJ panas dilepaskan. Gas mungkin mengandung sejumlah kecil.
Hidrogen (H 2) – pembakaran 1 m 3 hidrogen melepaskan 10.800 kJ panas. Banyak gas yang mudah terbakar, kecuali gas kokas, mengandung hidrogen dalam jumlah yang relatif kecil. Namun pada gas coke oven kandungannya bisa mencapai 50-60%.
Propana (C 3 H 8), butana (C 4 H 10) - pembakaran hidrokarbon ini melepaskan lebih banyak panas daripada pembakaran etilen, namun kandungannya dalam gas yang mudah terbakar tidak signifikan.
Karbon monoksida (CO) - pembakaran 1 m 3 gas ini melepaskan 1 2.770 kJ panas. Karbon monoksida adalah komponen utama gas tanur tinggi yang mudah terbakar. Gas ini tidak berwarna atau berbau dan sangat beracun.
Hidrogen sulfida (H 2 S) – ketika 1 m 3 hidrogen sulfida terbakar, 23.400 kJ panas dilepaskan. Kehadiran hidrogen sulfida dalam bahan bakar gas meningkatkan korosi pada bagian logam tungku dan pipa gas. Dengan adanya oksigen dan uap air secara simultan dalam gas, efek korosif hidrogen sulfida meningkat. Hidrogen sulfida adalah gas berat dengan bau tidak sedap dan sangat beracun.
Gas sisa (CO 2, N 2, O 2) dan uap air merupakan komponen pemberat. Kehadiran mereka dalam bahan bakar menyebabkan penurunan suhu pembakaran. Dengan meningkatnya kandungan gas-gas ini, kandungan komponen yang mudah terbakar menurun. Bahan bakar yang mengandung lebih dari 0,5% oksigen bebas dianggap berbahaya menurut peraturan keselamatan.
3. Panas pembakaran bahan bakar
>Panas pembakaran bahan bakar– ini adalah jumlah kalor Q (kJ) yang dilepaskan selama pembakaran sempurna 1 kg cairan atau 1 m 3 bahan bakar gas.
Tergantung pada keadaan agregat kelembaban dalam produk pembakaran, ada pembagian menjadi nilai kalor lebih tinggi dan lebih rendah.
Uap air dalam produk pembakaran bahan bakar cair terbentuk selama pembakaran massa hidrogen H yang mudah terbakar, serta selama penguapan uap air awal bahan bakar w. Produk pembakaran juga mengandung uap air dari udara yang digunakan untuk pembakaran. Namun, hal ini biasanya tidak diperhitungkan. Ketika bahan bakar mengandung hidrogen dengan massa yang mudah terbakar H p kg, uap air 9H P kg terbentuk selama pembakaran. Pada saat yang sama, produk pembakaran mengandung (9H P + WP) kg uap air. Dibutuhkan sekitar 2500 kJ panas untuk mengubah 1 kg uap air menjadi uap. Panas yang dikeluarkan untuk penguapan uap air tidak akan digunakan jika tidak terjadi kondensasi uap air. Dalam hal ini, kita memperoleh nilai kalori yang lebih rendah.
Q p H =Q p B -25(H p +W p).
Panas pembakaran ditentukan dengan dua metode: eksperimental dan perhitungan.
Saat menentukan panas pembakaran secara eksperimental, kalorimeter digunakan.
Metode penentuan: sebagian bahan bakar dibakar dalam suatu alat (kalorimeter), panas yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar diserap oleh air. Mengetahui massa air, panas pembakaran dapat dihitung dengan mengubah suhunya. Cara ini bagus karena sederhana. Untuk menentukan nilai kalor cukup memiliki data analisis teknis.
Metode perhitungan. Di sini, panas pembakaran ditentukan menurut rumus D.I.Mendeleev:
Q p H = 339С p +1030Н p -109(О p -S p) – 25 W p kJ/kg,
dimana C p, H p, O p, S p dan W p sesuai dengan kandungan karbon, hidrogen, oksigen, sulfur dan kelembaban dalam bahan bakar kerja, %.
Bahan bakar bersyarat adalah konsep yang digunakan untuk membakukan dan memperhitungkan konsumsi bahan bakar.
Bahan bakar konvensional biasa disebut bahan bakar dengan nilai kalor lebih rendah (29.310 kJ/kg). Untuk mengubah bahan bakar apa pun menjadi bahan bakar konvensional, Anda harus membagi nilai kalornya dengan 29.310 kJ/kg, yaitu cari ekuivalen bahan bakar ini: untuk bahan bakar minyak adalah 1,37-1,43, untuk gas alam - 1,2-1,4 .
4a
4. Bahan bakar utama untuk tungku
Minyak bakar merupakan produk penyulingan minyak bumi yang digunakan untuk menyalakan kompor. Kalor pembakaran bahan bakar minyak adalah 39-42 MJ/kg. Perkiraan komposisi bahan bakar minyak: 85-80% C; 10-12,5% HP; 0,5-1,0% (O P + N P); 0,4–2,5% SP; 0,1-0,2% A R; 2% WP. Kadar air bahan bakar minyak tidak boleh melebihi 2% saat keluar dari kilang. Bahan bakar minyak juga mengandung belerang, tergantung persentase bahan bakar minyak yang terbagi menjadi belerang rendah (<0,5% Sp), сернистый (0,5-1% Sp) и высокосернистый (>1% Sp).
Bahan bakar minyak juga dibagi menurut kandungan parafinnya dan metode penyulingan minyaknya. Ada bahan bakar minyak sulingan lurus (viskositas rendah) dan bahan bakar minyak retak yang mempunyai viskositas tinggi. Tergantung pada viskositasnya, bahan bakar minyak diklasifikasikan ke dalam kelas. Nomor merek bahan bakar minyak menunjukkan viskositas bersyarat pada suhu 50 o C (VU50). Viskositas ditentukan dengan menggunakan instrumen - viskometer. Viskositas bersyarat diambil sebagai perbandingan waktu aliran 200 cm 3 produk minyak pada suhu pengujian dengan waktu aliran air dengan volume yang sama yang bersuhu 20 o C. Sehubungan dengan indikator ini, bahan bakar minyak dibagi menjadi kelas 40, 100, 200 dan MP (bahan bakar minyak untuk tungku perapian terbuka) .
Semakin bertambahnya nomor merek bahan bakar minyak maka densitasnya semakin meningkat, yaitu 0,95-1,05 g/cm 3 pada suhu 20 o C; Ketika suhu meningkat, kepadatan menurun.
Saat menyiapkan bahan bakar minyak untuk pembakaran, kepadatan dan kadarnya harus diperhitungkan. Persiapan terdiri dari sedimentasi dan filtrasi bahan bakar minyak untuk memisahkan air dan pengotor mekanis (tanah liat, pasir, dll.), yang terjadi pada suhu tinggi, mengakibatkan pemisahan bahan bakar minyak dari air: viskositas dan kepadatan bahan bakar minyak menurun ketika dipanaskan, akibatnya ia mengapung. Kelembapan terakumulasi di bagian bawah tangki, dan bahan bakar minyak dehidrasi terakumulasi di bagian atas.
Saat mengalirkan dari tangki kereta api, saat mengalirkan pipa dari tangki pabrik dan bengkel ke tungku, serta saat menyemprot dengan nozel (bahan bakar minyak biasanya dibakar dalam keadaan teratomisasi), viskositas bahan bakar minyak sangat penting. Semakin rendah viskositasnya, semakin sedikit energi yang dikeluarkan untuk memompa dan menyemprotkan bahan bakar minyak. Oleh karena itu, semakin tinggi suhunya, semakin rendah viskositasnya. Suhu dipilih sesuai dengan grafik viskositas, berdasarkan pada memastikan viskositas bersyarat bahan bakar minyak 5-10 unit.
Titik nyala bahan bakar minyak, yaitu suhu pemanasan, setelah mencapai pelepasan intensif komponen-komponen yang mudah menguap yang dapat menyala dari percikan atau nyala api, harus diperhitungkan saat pemanasan. Titik nyala biasanya bervariasi dalam kisaran 80-190 o C. Dan jangan bingung antara titik nyala dan suhu penyalaan, yang dipahami sebagai suhu pemanasan, setelah mencapainya (suhu penyalaan bahan bakar minyak adalah 530-600 o C , gas - 500-700 o C) bahan bakar minyak menyala secara spontan dan, dalam kondisi yang menguntungkan, terus menyala.
5. Prinsip dasar teori pembakaran
>Pembakaran adalah proses kombinasi kimiawi yang cepat antara elemen bahan bakar yang mudah terbakar dengan oksidator (biasanya oksigen di udara), disertai pelepasan panas dan cahaya.
Obor- salah satu jenis nyala api yang terbentuk ketika bahan bakar dan udara dialirkan ke dalam tungku. Dalam obor yang mempunyai bentuk dan ukuran tertentu, proses pembakaran langsung, pemanasan campuran sampai suhu penyalaan dan pencampuran terjadi secara bersamaan.
Dalam teori pembakaran, dibedakan antara pembakaran homogen dan pembakaran heterogen. Pembakaran homogen terjadi dalam volume, dan pembakaran heterogen terjadi pada permukaan tetesan, dan kemudian, setelah penguapan komponen yang mudah menguap, pada partikel jelaga. Semakin kecil ukuran partikel bahan bakar cair maka semakin besar luas permukaan spesifik interaksi antara fasa cair dan fasa gas. Oleh karena itu, penyemprotan bahan bakar cair memungkinkan Anda membakar lebih banyak bahan bakar per satuan volume, yaitu mengintensifkan pembakaran.
Pembakaran homogen dapat terjadi dalam dua kasus, yang disebut kinetik dan difusi. Dalam kasus kinetik, campuran bahan bakar-udara yang telah disiapkan sebelumnya disuplai ke zona pembakaran (misalnya, ke ruang kerja tungku). Bagian utama dari proses ini adalah pemanasan langsung campuran dan oksidasi komponen bahan bakar dan pembakaran yang mudah terbakar. Dalam hal ini, obor menjadi pendek dan bersuhu tinggi. Memanaskan lebih dulu campuran atau memperkaya udara dengan oksigen mempercepat proses pembakaran: memanaskan hampir semua campuran gas-udara hingga 500 °C meningkatkan laju pembakaran hampir 10 kali lipat.
Tetapi suhu pemanasan awal campuran tidak boleh melebihi suhu penyalaannya. Dengan pembakaran difusi, proses pemanasan, pencampuran campuran dan pembakaran dilakukan secara bersamaan di dalam obor. Tahap paling lambat adalah difusi balik molekul mikro dan makrovolume gas dan udara, dengan kata lain, pembentukan campuran. Oleh karena itu, obornya akan lebih panjang dibandingkan kasus pertama. Dalam upaya memperpendek panjang obor, aliran gas dan udara dipecah menjadi aliran tersendiri. Selain itu, meningkatkan kecepatan pancaran dan mengarahkan aliran gas dan udara pada sudut satu sama lain, dll., membantu mengurangi obor.
Pengapian campuran gas dan udara yang mudah terbakar hanya mungkin terjadi pada perbandingan tertentu. Rasio pembatasnya disebut batas konsentrasi. Ada batas bawah dan batas atas yang ditentukan oleh kandungan maksimum gas mudah terbakar dalam campuran, %. Untuk hidrogen, batasnya adalah 4,1 – 75; karbon monoksida – 12,5-75; metana – 5,3-14; gas oven kokas – 5,6-30,4, dan untuk gas alam – 4-13.
Dalam teknik pemanasan, konsep tegangan termal sering digunakan, yang berarti jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar per satuan waktu, per 1 m 3 tungku atau ruang kerja tungku. Untuk bahan bakar cair mencapai 600 kW/m 3, dan untuk bahan bakar gas dua kali lipatnya.
6. Perhitungan analitis pembakaran bahan bakar
>Rasio dan kuantitas berikut digunakan untuk perhitungan:
1) rasio kandungan volumetrik nitrogen terhadap oksigen di udara biasa yang tidak diperkaya oksigen, k= 3,76;
2) berat molekul unsur kimia (untuk hidrogen kira-kira sama dengan 2, untuk nitrogen – 28, oksigen dan belerang – 32 kg/mol);
3) volume udara dan hasil pembakaran pada kondisi normal (suhu 0 °C, tekanan 101,3 kPa).
Perhatikan komposisi bahan bakar cair:
dengan P + N P + HAI P + N P + S p + A p + W p = 100.
Komponen yang mudah terbakar adalah karbon, hidrogen dan belerang. Bila menggunakan udara kering, reaksi pembakaran sempurna komponen berbentuk:
C + O 2 + kN 2=CO2+kN 2 + Pertanyaan 1;
2H 2 + O 2 + kN 2=2H 2 O + kN 2+ Pertanyaan 2 ;
S + O 2 + kN 2= JADI 2+ buku 2+Pertanyaan 3 .
Ketika 1 mol karbon dan belerang terbakar, 1 mol oksigen dikonsumsi. Ketika 2 mol hidrogen terbakar, 1 mol oksigen juga dikonsumsi. Untuk setiap mol oksigen, k mol nitrogen dimasukkan ke dalam tungku. Nitrogen masuk ke produk pembakaran. Oleh karena itu, misalnya, ketika 1 mol karbon dibakar, diperoleh 1 mol karbon dioksida dan 3,76 mol nitrogen. Ketika karbon terbakar menggunakan reaksi ini 6b tion, jumlah panas Qt dilepaskan. Ketika hidrogen terbakar, komposisi produk pembakarannya sendiri terbentuk dan sejumlah panas dilepaskan.
Pembakaran 1 mol karbon memerlukan 1 kmol oksigen dengan volume 22,4 m 3. Jika Anda perlu menghitung konsumsi oksigen per 1 kg karbon, maka volume 1 kmol oksigen dibagi dengan berat molekul karbon sebesar 12. Jadi, 22,4 / 12 = 1,867 m 3 / kg oksigen dikonsumsi per 1 kg karbon. Dengan alasan serupa, kita menemukan bahwa pembakaran 1 kg hidrogen memerlukan 22,4 / /(2 O2) = 5,5 m 3 oksigen (hasil perkalian dalam penyebut berarti dua molekul hidrogen dengan berat molekul 2 ikut serta dalam reaksi pembakaran. ). Pembakaran 1 kg belerang mengkonsumsi 22,4 / 32 = 0,7 m 3 oksigen.
Rasio aliran udara aktual dengan aliran yang dibutuhkan secara teoritis disebut koefisien aliran udara:
? = L a /L 0 , atau L a = ?L 0 ,
Di mana L sebuah Dan L 0– laju aliran udara aktual dan teoretis, m 3 /kg atau m 3 /m 3. Koefisien konsumsi udara tergantung pada jenis bahan bakar, desain alat pembakaran bahan bakar (burner atau nozzle) dan suhu pemanasan udara dan gas.
7. Kontrol laju aliran udara
>Jika udaranya kurang atau alat pembakaran bahan bakarnya tidak sempurna, maka pembakarannya mungkin tidak sempurna.
Kehadiran komponen yang mudah terbakar (karbon monoksida, hidrogen, metana atau karbon hitam) dalam produk pembakaran menyebabkan pembakaran tidak sempurna secara kimia atau, lebih sering dikatakan, pembakaran bahan bakar yang kurang kimia. Yang terakhir ini ditandai dengan kehilangan panas sebagai persentase dari nilai kalor bahan bakar yang lebih rendah.
Semakin tinggi laju aliran udara maka semakin sempurna proses pembakarannya. Namun, peningkatan koefisien ini menyebabkan peningkatan konsumsi udara dan kehilangan panas yang signifikan dengan gas yang keluar dari tungku. Suhu di dalam tungku menurun, yang menyebabkan penurunan perpindahan panas di ruang kerja dan peningkatan oksidasi logam. Oleh karena itu, dalam praktik pengoperasian tungku, mereka berusaha untuk memilih laju aliran udara yang optimal A.
Kontrol A dilakukan dengan dua metode. Dengan menggunakan salah satunya, konsumsi bahan bakar dan udara diukur dan ditentukan menggunakan tabel yang telah dihitung sebelumnya. Namun, metode ini tidak memungkinkan untuk memperhitungkan udara yang masuk ke tungku melalui jendela kerja dan kebocoran pada pasangan bata tungku. Oleh karena itu, laju aliran udara diperiksa secara berkala berdasarkan komposisi hasil pembakaran menggunakan gas analisa. Analisis kimia menentukan kandungan RO2, CO, H2, CH4 dan O2 pada hasil pembakaran, kemudian dengan menggunakan rumus S.G. Troiba menentukan:
? = 1+ UO 2 gubuk/ ?RO 2 .
Disini kelebihan O 2 = O 2 – 0.5CO – 0.5H 2 – 2CH 4 adalah kandungan oksigen berlebih.
RO 2 = RO 2 + CO + CH 4 +…,%;
kamu– koefisien tergantung pada jenis bahan bakar.
Untuk bahan bakar minyak kamu= 0,74, untuk gas alam – 0,5.
Mari kita lihat contohnya.
Tugas.
Mendefinisikan A, jika RO 2 14%, CO 4%, CH 4 0,5%; H 2 1%, O 2 2%.
O 2 g = 2 – 0,5(4 + 1) – 2 O 0,5 = -1,5%;
RO 2 = 14 + 4 + 0,5 = 18,5%;
A= 1 – 0,5 O 1,5 / 18,5 = 0,96.
8. Penggunaan energi
>Beberapa ketentuan di bidang operasi termal tungku dapat diperoleh langsung dari termodinamika klasik proses reversibel.
Pekerjaan termal tungku dipahami sebagai totalitas proses termal yang terjadi di dalamnya, yang tujuan utamanya adalah penyelesaian proses teknologi tertentu.
Mari kita bayangkan tungku sebagai kombinasi zona proses teknologi ZHT dan pembangkitan panas ZHT, dilindungi dari lingkungan oleh pasangan bata (pelapis) K. Bahan M terkonsentrasi di zona proses teknologi Menurut hukum pertama termodinamika, berikut ini persamaannya dapat ditulis:
T ya? KIE =Q M + Q k
Di mana Q e– memperkenalkan daya, W/kg;
? KIE– koefisien penggunaan energi dalam ruang kerja tungku;
QM , Qk– masing-masing, daya yang diserap oleh material M dan pasangan bata KE, berat/kg.
Semua nilai pada persamaan (1) berhubungan dengan 1 kg massa material M.
Faktor pemanfaatan energi ? KIE terutama bergantung pada jenis energinya. Dengan demikian, energi listrik dapat sepenuhnya diubah menjadi panas yang diserap oleh material (berguna) dan pasangan bata ? KIE= 1. Ketika energi bahan bakar kimia digunakan dalam tungku, koefisien pemanfaatan energi ? KIE selalu kurang dari satu. Dalam kompor bahan bakar, koefisien ini disebut faktor pemanfaatan panas? K.I.T Koefisien tersebut mencirikan konsep efisiensi energi yang paling penting dalam kondisi tertentu. Secara umum nilai bkie dapat ditulis sebagai berikut:
? KIE= (Q e – Q? e)/Q e=1 – Q? e/Q e,
Di mana Q3– daya, yang berupa panas kimia dan fisik fasa gas melampaui ruang kerja tungku, W/kg.
Besarnya ? KIE ditentukan, di satu sisi, oleh kesempurnaan pembakaran bahan bakar pada koefisien konsumsi oksigen tertentu, yaitu oleh kecepatan pencampuran bahan bakar dan oksigen, dan oleh karena itu, oleh kesempurnaan proses perpindahan massa. Di sisi lain, nilainya ? KIE tergantung pada suhu gas yang keluar dari tungku, yaitu pada kesempurnaan proses pertukaran panas.
Efisiensi panas dan energi kimia bergantung pada kondisi tertentu dari proses teknologi dan organisasi proses perpindahan panas dan massa dan oleh karena itu mewakili besaran yang nilainya tidak dapat ditentukan dengan menggunakan termodinamika proses reversibel, karena dikaitkan dengan kinetika. perpindahan panas dan massa.
9. Suhu dan kondisi termal
>Energi dalam suatu sistem terdiri dari energi kinetik dan energi potensial. Energi kinetik– energi pergerakan acak atom dan molekul, energi potensial – energi tarik-menarik dan tolak-menolak.
Sesuai dengan teori kinetik gas (hukum Maxwell-Boltzmann), konsep termodinamika suhu kesetimbangan gas ideal dapat diuraikan dengan menggunakan persamaan:
T=2NEn/3R= Nmw n 2 / 3R,
Di mana E hal– energi N partikel bermassa m dalam rentang kecepatan yang sempit;
N– Nomor Avogadro;
R– konstanta gas.
Suhu efektif adalah suhu bersyarat (berkurang) tertentu dari bagian pemanas tungku, di mana kerapatan fluks panas radiasi yang sama ke permukaan pemanas hanya dipastikan dari bagian pemanas tungku, yang sebenarnya ada di dalam tungku. dalam pertanyaan.
Suhu sebenarnya nyala api (pemanas) dan permukaan bagian dalam lapisan bergantung pada suhu permukaan pemanas dan pembangkitan panas dan, secara umum, juga pada lokasi di dalam tungku dan waktu. Perubahan nilai-nilai ini sepanjang tungku dan seiring waktu T = f(l, t) mencirikan rezim suhu tungku.
Jumlah panas yang dihasilkan, dinyatakan dalam watt, disebut daya termal Q T.M. . Dalam mode stasioner, daya termal adalah nilai konstan yang tidak bergantung pada waktu ( Q T.M. = konstanta). Dalam mode non-stasioner Q T.M. = F(T). Rasio daya termal maksimum terhadap daya rata-rata kadang-kadang disebut faktor pendorong:
= ( Q T.M.) maks /( Q T.M.) cp
Jika kita menggunakan Dt untuk menunjukkan durasi suatu operasi teknologi:
(Q T.M. ) av = Q? / ? T.
Kombinasi rezim suhu dan termal.
1. Suhu dan kondisi termal yang hampir konstan dari waktu ke waktu
(T n (t) = konstanta; Q T.M. (r) = konstanta).
2. Suhu yang bervariasi dan rezim termal yang konstan dari waktu ke waktu
(T n (t) = konstanta; Q T.M. (t) = konstanta).
3. Suhu dan kondisi termal yang berubah-ubah waktu
(T n (t) = konstanta; Q T.M. (t) = const), misalnya sumur pemanas untuk ingot.
4. Suhu konstan waktu dan rezim termal variabel
(T n (t) = konstanta; Q T.M. (t) = konstanta).
10. Keseimbangan panas. Item neraca masuk
>Neraca panas yang disusun dalam periode waktu yang singkat kadang-kadang disebut instan. Penetapan saldo instan– klarifikasi dinamika konsumsi energi untuk proses teknologi, jika proses terjadi dalam kondisi termal non-stasioner (tungku batch).
Untuk tungku batch, kompilasi keseimbangan panas berbeda karena semua item keseimbangan panas berubah seiring waktu (untuk tungku kontinu konstan dari waktu ke waktu), oleh karena itu, ketika menyusun keseimbangan untuk jangka waktu tertentu, Anda harus mengambil nilai rata-rata untuk periode tertentu. Ciri kedua adalah adanya komponen akumulasi panas oleh pasangan bata Qakk dalam artikel kehilangan panas, yang dapat memiliki tanda berbeda: positif ketika suhu dalam tungku meningkat dan negatif ketika suhu menurun selama proses teknologi.
Dalam kebanyakan kasus, persamaan keseimbangan panas diselesaikan sehubungan dengan konsumsi bahan bakar B.
Keseimbangan panas terbalik, termasuk keseimbangan panas sesaat, biasanya digunakan saat mempelajari tungku yang beroperasi. Persamaan keseimbangan panas terbalik biasanya diselesaikan sehubungan dengan panas berguna Qm dan digunakan untuk menemukannya berdasarkan penentuan eksperimental dari semua item keseimbangan lainnya.
Saat menyusun neraca panas, perlu dipastikan bahwa semua besaran masukan dan keluaran yang digunakan dalam neraca panas diambil untuk batas-batas bagian benda yang sedang disusun neraca panasnya. Untuk menghindari kemungkinan kesalahan dalam memilih nilai untuk menyusun keseimbangan panas, akan lebih mudah untuk menggunakan diagram objek yang sesuai. Diagram ini perlu menggambar kontur bantu yang memotong garis aliran material di tempat yang tepat.
Item keseimbangan dapat dinyatakan dalam jumlah panas dalam joule selama periode waktu tertentu atau dalam nilai daya termal yang sesuai.
Item neraca masuk
1. Energi kimia bahan bakar Q XT atau energi listrik Q e. Jika DI DALAM– konsumsi bahan bakar, kg/s atau m 3 /s, dan Q p H – panas pembakarannya, maka:
QXT = DI DALAM Q p H
2. Panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar yang dipanaskan, Q FT.
3. Efek termal yang dihasilkan dari reaksi kimia yang terjadi selama proses teknologi, Q TECHN. Jika pengaruhnya negatif, maka item ini dipindahkan ke sisi beban neraca.
4. Panas yang dihasilkan oleh udara yang dimasukkan untuk membakar bahan bakar untuk keperluan teknologi, Q PV, in.
5. Panas yang ditimbulkan oleh bahan bermuatan padat dan cair yang dipanaskan, Q FM.
11. Pos-pos pengeluaran neraca
>1. Panas produk padat dan cair dari proses teknologi Q FP
2. Panas gas buang (kimia dan fisik), termasuk produk gas dari proses teknologi dan udara yang dihisap dari atmosfer, Q yx.
3. Kehilangan panas (total) akibat pembakaran mekanis melalui pasangan bata (konduksi dan akumulasi termal), radiasi melalui lubang dengan air pendingin Q keringat.
Menjumlahkan item-item yang masuk dan keluar dari neraca, menyamakan jumlah-jumlah ini, kita memperoleh persamaan keseimbangan panas yang sama-sama berlaku untuk semua kelas dan jenis tungku, dan, tentu saja, tidak semua item dalam setiap keseimbangan tertentu dapat terjadi:
Q XT + Q ee + Q FT ± Q TECH + Q FB + Q FM = Q FP + Q yx + Q keringat
Ruas kanan persamaan mewakili kalor yang berguna qm, dan ruas kiri menunjukkan ekspresinya melalui besaran termoteknik, yang relatif mudah diukur dalam kondisi praktis.
Perbandingan antara panas yang terpakai dengan masuknya panas dari bahan bakar dan udara disebut koefisien pemanfaatan panas yang berguna:
? KPT =Q M /(Q XT + Q FT + Q ФB).
Nilai ini mirip dengan efisiensi, sebuah konsep yang digunakan dalam menilai kinerja mesin dan mekanisme. Koefisien pemanfaatan panas yang berguna mencirikan efisiensi operasi termal tungku dan memungkinkan Anda membandingkan efisiensi energi berbagai tungku. Misalkan bilangan air W (bilangan air W sama dengan hasil kali kapasitas panas dan laju aliran massa) hasil pembakaran dan zat awal (bahan bakar dan udara) pembakaran adalah sama, kemudian disubstitusikan qyx ke dalam persamaan keseimbangan panas dan membaginya dengan W, kita peroleh:
Di mana ? paus. – koefisien efisiensi bahan bakar;
Di mana T teori itu untuk teori– suhu pembakaran teoritis bahan bakar tanpa dan memperhitungkan panas fisik bahan bakar dan udara pembakaran; Т agr х – suhu gas buang dari unit.
Sejak T agr. eh dan O masuk. keringat relatif rendah, sampai-sampai suhu pembakaran teoritis ketika memanaskan udara karena panas gas buang bergantung (pada suhu teoritis tertentu pembakaran bahan bakar di udara dingin) pada koefisien pemanfaatan panas di ruang kerja tungku:
12. Prinsip termodinamika analisis dan desain tungku
>Analisis pengoperasian tungku dari sudut pandang termodinamika memungkinkan kita menetapkan beberapa prinsip umum yang menjadi ciri hasil akhir pengoperasian tungku.
Penerapan hukum termodinamika pertama dan kedua memungkinkan kita untuk mengevaluasi hasil energi hanya dari proses perpindahan panas yang telah selesai atau elemen tertentu dari proses tersebut, dan pada saat yang sama tidak memungkinkan kita untuk menentukan produktivitas perangkat termal dan, khususnya, tungku.
Penilaian energi memungkinkan kita untuk menilai kelengkapan penggunaan energi pada perangkat termal tertentu dan tidak menjelaskan apa pun tentang kinerja energi yang ditransfer. Sebaliknya, penilaian eksergi memungkinkan kita untuk menilai kehilangan energi yang tidak dapat diperbaiki, karakteristik kualitatif energi yang ditransfer dan tidak memungkinkan kita untuk menilai kelengkapan penggunaan energi pada perangkat tertentu.
Dengan konsumsi energi yang sama, proses perpindahan panas pada prinsipnya semakin efisien, semakin tinggi suhu medium penerima panas, karena penyusutan energi semakin kecil. Dengan energi yang sama dari media pemanas, penggunaan energi dalam perangkat termal memburuk seiring dengan meningkatnya suhu permukaan pemanas yang diperlukan karena alasan teknologi. Semakin tinggi suhu permukaan pemanas yang diperlukan, semakin tinggi pula energi media pemanasnya dan semakin tinggi pula persyaratan kualitas bahan bakar dan kondisi pembakarannya. Sebaliknya, pada suhu permukaan pemanas atau media panas yang rendah, penggunaan media pemanas dengan eksergi tinggi menjadi tidak praktis, karena proses penyusutan energi masih terjadi.
Tungku dihitung dan dirancang untuk mencapai efisiensi energi setinggi mungkin ? k dan e.
Untuk mendapatkan hasil maksimal ? paus agrigat ? Kit ruang kerja harus memiliki nilai optimal, namun tidak maksimal.
Mengevaluasi bahan bakar dengan menghitung nilai yang mungkin ? paus. unit dalam berbagai kondisi pembakaran bahan bakar sangat penting untuk desain tungku dan pembentukan mode operasi yang rasional.
13. Persyaratan obor tungku perapian terbuka
>Kontur aerodinamis– ini adalah lokasi geometris dari titik-titik di mana kecepatan jet mendekati nol. Kontur pembakaran ditentukan oleh jumlah bahan bakar yang terbakar secara kimia, sedangkan koordinat longitudinal yang sesuai dengan panjang kontur pembakaran adalah panjang nyala api L f.
Untuk memudahkan deskripsi matematis proses pembakaran dalam obor dan perhitungannya, disarankan untuk menetapkan nilai minimum underburning, yang akan mencirikan kontur obor dan panjangnya. Untuk menyatukan ukuran ini, angkanya harus 0,5% CO atau nilai yang sesuai pertanyaan 3. Untuk bahan bakar berkalori tinggi (seperti bahan bakar minyak, gas alam dan gas oven kokas) nilai 0,5% CO dalam hasil pembakaran pada A=1 sesuai dengan kehilangan panas q з =1,3-1,8%. Oleh karena itu, untuk memperkirakan panjang nyala bahan bakar ini, dapat diambil nilai sekitar 2% (dengan memperhitungkan sejumlah hidrogen dalam produk pembakaran).
Panjang obor. Biasanya, tungku perapian terbuka membutuhkan obor pendek. Selama masa pengisian, bagian yang terlihat harus berakhir kira-kira di tengah ruang kerja tungku, dan selama masa penyelesaian disarankan untuk memanjangkan obor sehingga menempati 3/4 panjang bak. Namun jendela pengisian terakhir di sepanjang jalur obor harus selalu bersih dan tidak ada tanda-tanda bahan bakar habis.
Bentuk obor. Dalam tungku perapian terbuka, bentuk obor sangatlah penting. Itu harus rata - tutupi bak mandi tanpa mungkin menyentuh dinding depan dan belakang, dan sejauh mungkin dari lengkungan utama, yaitu, menurut pengamatan visual, itu harus tipis dan tanpa tonjolan. Obor jenis ini biasa disebut datar dan keras.
Inilah sebabnya mengapa nozel khusus diperlukan untuk memanaskan tungku perapian terbuka. Sudut kemiringan nosel ke cermin mandi harus dipilih sedemikian rupa sehingga bentuk obor yang diperlukan terjamin dan deformasinya tidak terjadi secara berlebihan.
Ukuran obor dan bentuknya sering dinilai berdasarkan topografi penghancuran pasangan bata tungku perapian terbuka (kubah dan dinding). Biasanya, kerusakan lokal terjadi di sepanjang kontur obor.
Karakteristik kecepatan. Tentu saja, untuk memastikan kerataan dan kekakuan obor, karakteristik aerodinamisnya harus cukup tinggi, yaitu kecepatan awal aliran keluar jet dari nosel dan kecepatan pemuaian obor di dekat bak sepanjang keseluruhannya harus sama. cukup besar sehingga obor tidak terpisah dari bak mandi dan mengangkatnya ke lengkungan.
Karakteristik kecepatan menentukan panjang obor dan kemampuan oksidasinya. Selain itu, mereka mencerminkan tingkat dampak mekanis langsung dari obor pada bak tungku, yang diperlukan untuk mengurangi busa dan meningkatkan pendidihan bak mandi.
14. Kapasitas oksidasi, karakteristik radiasi obor
>Kapasitas oksidasi. Alur proses yang sangat penting bagi teknologi, khususnya proses oksidasi karbon, sangat bergantung pada pengorganisasian obor dalam tungku perapian terbuka. Proses oksidasi pengotor rendaman terutama ditentukan oleh proses perpindahan massa, seperti yang ditunjukkan dalam literatur teknis.
Untuk mengintensifkan perpindahan panas di ruang kerja tungku perapian terbuka (terutama tungku skala besar yang beroperasi pada besi tuang cair), semua tindakan harus diambil untuk mempercepat realisasi energi kimia dari pengotor bak mandi dan pembakaran karbon monoksida setelahnya. langsung di permukaan bak mandi. Proses ini mempercepat dirinya sendiri: menciptakan kondisi untuk pembakaran yang intens memastikan pendidihan bak mandi, yang pada gilirannya mendorong perpindahan panas dan oksigen dari atmosfer tungku ke bak mandi. Oleh karena itu, setiap peningkatan pasokan udara yang dipanaskan dalam regenerator ke permukaan bak mandi menciptakan kondisi untuk mempercepat peleburan. Perpindahan massa dapat diintensifkan dengan membuat obor yang pendek dan terarah serta menggunakan intensifier. Kita tidak boleh melupakan perlunya distribusi panas dan oksidator yang tepat di atas permukaan bak mandi agar bak mandi mendidih secara merata dan tanpa terak berbusa. Persyaratan ini dapat dipenuhi dengan memilih obor dengan panjang yang sesuai dan memastikan karakteristik radiasi tertentu, yang tentu saja tidak mungkin dilakukan tanpa sarana untuk mengendalikan obor.
Karakteristik radiasi. Obor tungku perapian terbuka harus bercahaya, yaitu memiliki tingkat kegelapan setinggi mungkin (pada suhu yang cukup tinggi). Prinsip ini, yang tidak diragukan lagi dalam kondisi praktis, telah dipertanyakan secara teori dari waktu ke waktu, dimulai dari karya-karya E. K. Wenstrom. Namun, setiap kali hasil penelitian dan pengalaman pengoperasian tungku membantah keraguan tersebut, seperti, misalnya, yang terjadi baru-baru ini ketika mengubah tungku perapian terbuka menjadi pemanas dengan gas alam dan mengoperasikannya dengan bahan bakar minyak ringan. Jelas terlihat bahwa dalam menggabungkan dua persyaratan terakhir untuk sebuah obor (“pendek” dan sekaligus “bercahaya”), terdapat kontradiksi tertentu, karena semakin cepat proses pencampuran bahan bakar dengan udara dan proses pembakaran terjadi, semakin sedikit. peluang tercipta untuk pelepasan senyawa karbon yang memberikan luminositas obor.
Penelitian teoretis justru untuk membantu desainer dan pekerja produksi menemukan obor yang paling efektif. Karena intensitas proses perpindahan panas dan massa serta umur tungku sangat ditentukan oleh panjang obor, para peneliti terutama mencari jawaban atas pertanyaan paling penting: berapa panjang obor dan faktor apa yang bergantung padanya.
15. Studi teknik termal tungku perapian terbuka
>Selama pencarian metode baru untuk memanaskan tungku perapian terbuka dengan bahan bakar minyak, studi teknik termal dilakukan dan perilaku belerang di ruang kerja tungku dipelajari. Tungku berbahan bakar gas, tungku yang dipanaskan dengan bahan bakar minyak yang disemprotkan pada ruang kerjanya, dan tungku yang dipanaskan dengan bahan bakar minyak yang digasifikasi dipelajari.
Saat melakukan studi teknik termal, tungku dipanaskan terutama dengan bahan bakar minyak ringan dengan viskositas rendah yang berasal dari kilang minyak selatan. Selama periode penyelesaian, semua tungku mempertahankan beban termal yang sama: konsumsi bahan bakar minyak adalah 2400 kg/jam, dan k = 1,3.
Untuk mengontrol kelengkapan pengendapan jelaga, filter wol penyerap dipasang di belakang filter wol kaca utama.
Suhu gas dalam rentang gas (pada jarak 150 mm sebelum gas keluar dari caisson) diukur dengan termokopel bayonet tungsten-rammolibdenum yang dipasang dalam wadah berpendingin air. Persimpangan kerja termokopel dilindungi oleh ujung kuarsa.
Kajian sifat radiasi obor dimulai dengan pengukuran suhu radiasi obor dan pasangan bata sepanjang ruang kerja tungku. Untuk tujuan ini, kami menggunakan pirometer radiasi total RAPIRA dengan teleskop TERL-50. Lima pirometer dipasang secara permanen dan diarahkan ke obor melalui tuyere berpendingin air yang dipasang di dinding belakang tungku. Pemasangan pirometer di dinding belakang tungku memungkinkan dilakukannya eksperimen selama seluruh proses peleburan.
Untuk mengukur aliran panas, probe termal VNIIMT digunakan, yang dimasukkan ke ruang kerja tungku melalui lubang intip jendela pengisian daya.
Untuk studi yang lebih lengkap tentang karakteristik radiasi obor, derajat kegelapan dan suhu Schmidt ditentukan. Kuantitas ay ditentukan pada empat titik sepanjang ruang kerja tungku.
Fluks panas diukur dengan pirometer radiasi sudut lancip.
Saat mengkalibrasi radiometer ujung, bersamaan dengan menentukan nilai momen mematikan bahan bakar minyak, sampel gas diambil dari ruang kerja tungku. Analisis kimia sampel ini menunjukkan bahwa komponen penyerap atmosfer tungku tidak memiliki pengaruh nyata terhadap hasil kalibrasi (kandungan CO 2<0,1%).
Sifat ketergantungan TC dan PM pada pembacaan radiometer ternyata kurang lebih sama untuk semua tungku yang diteliti.
16. Kajian karakteristik radiasi obor
>Suhu pembakaran obor:
Di mana LR f.k.– panjang api M;
X– kadar air bahan bakar minyak, kg/kg.
Diperoleh dengan memanaskan tungku dengan bahan bakar minyak gasifikasi.
Pada tungku yang dipanaskan dengan bahan bakar minyak gasifikasi, diperoleh nilai wf yang tinggi. Hal ini dapat dijelaskan oleh tingginya emisi jelaga selama perengkahan oksidatif bahan bakar minyak, serta semakin tebalnya lapisan radiasi obor. Pada paruh pertama ruang kerja tungku, derajat emisivitas berada pada kisaran e f = 0,7-0,95 dan relatif sedikit bervariasi sepanjang obor. Di dekat bagian tengah ruang kerja, ef menurun tajam dan pada akhirnya mencapai nilai terendah ( e f = 0,13-0,18).
Pengaruh jenis bahan bakar minyak terhadap karakteristik radiasi obor terlihat jelas pada tungku bahan bakar minyak dua saluran. Peningkatan viskositas bahan bakar minyak diiringi dengan peningkatan nilai e f sepanjang seluruh panjang tungku. Jadi, bila menggunakan bahan bakar minyak grade 40 terhadap jendela pengisian kedua sepanjang flare, nilainya e f = 0,67, dan bila membakar bahan bakar minyak grade 80 e f = 0,76. Dengan bertambahnya nomor mutu bahan bakar minyak, perpindahan panas juga meningkat.
Ketahanan tungku juga berhubungan dengan viskositas bahan bakar minyak, karena dengan meningkatnya viskositas maka suhu nyala maksimum di ujung ruang kerja menurun.
Menurut pengamatan visual, saat memanaskan tungku dengan bahan bakar minyak dengan viskositas tinggi, luminositas obor dipertahankan hingga 2/3 panjang ruang kerja, busa terak jauh lebih sedikit dan logam memanas lebih cepat.
Saat memanaskan tungku dua saluran dengan bahan bakar minyak grade 80, uap super panas pada tekanan 11 atm dan udara tekan pada tekanan 5,5-6,0 atm digunakan sebagai penyemprot. Dalam kasus atomisasi bahan bakar minyak dengan udara kompresor, sedikit peningkatan dalam tingkat kegelapan obor, serta q fc, diamati.
Hasil studi tentang operasi termal tungku memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan berikut:
1) komposisi dan suhu setengah gas bahan bakar minyak ditentukan oleh nilai koefisien konsumsi udara primer selama gasifikasi bahan bakar minyak; nilai optimalnya adalah 1 sekitar 0,4;
2) bila menggunakan bahan bakar minyak ringan dan viskositas rendah, nilai fluks panas penyerapan panas tertinggi yang terjadi pada bak mandi, nilai tinggi pada akar obor dan paruh pertama tungku, dan nilai terendah dekat kepala pembersih diperoleh untuk tungku yang dipanaskan dengan bahan bakar minyak gas;
3) pada saat pembakaran bahan bakar minyak berat, perbedaannya terletak pada nilai absolut dan relatif.
17. Parameter dasar termodinamika keadaan gas
>Tekanan
R– ukuran gaya yang bekerja pada suatu satuan permukaan:
R= lim ?Fn / ?S = dFn/ dS,
dimana DS -> 0; ?Fn – gaya yang diarahkan tegak lurus terhadap luas permukaan.
Volume tertentu
V adalah kebalikan dari kepadatan R zat:
v = 1 / r = dV / dm,
Di mana dV– elemen volume yang sangat kecil;
dm– massa zat.
Tikus tanah
Banyaknya suatu zat yang mengandung sejumlah molekul yang sama dengan jumlah atom yang terkandung dalam 12 g isotop karbon 12 C disebut kami berdoa.
nomor Avogadro
tidak ada= 6,02 jam 10 23 mol -1. Nilai yang diperlukan untuk perhitungan. Menunjukkan berapa banyak molekul yang terkandung dalam satu mol zat apa pun.
Massa molar
M– massa satu mol:
M = N A mx 1a. e.m.
Di mana tidak ada– Nomor Avogadro;
M– berat molekul.
Massa molar [M] = kg/mol dan volume molar = m 3 /mol.
Volume satu mol – volume molar:
V M = M / r
Di mana M– massa molar;
R– kepadatan zat.
Rumus untuk menentukan jumlah mol suatu zat dan jumlah molekul suatu zat adalah sebagai berikut:
kamu= m /M= V/ V M ,
N = uNA A = (m / M)NA = (V/ V M)NA .
Suhu
Merupakan kebiasaan untuk mengambil energi kinetik rata-rata dari gerak translasi molekul sebagai ukuran suhu. Jika dua benda yang bersentuhan tidak bertukar energi melalui pertukaran panas, kita dapat mengatakan bahwa benda-benda tersebut memiliki suhu dan kesetimbangan termal yang sama dalam sistem.
18. Status tubuh. Sistem termodinamika. Proses adiabatik
>Ada tiga keadaan agregasi: padat, cair dan gas.
Jika parameter sistem tidak berubah seiring waktu, maka kita dapat berbicara tentang kesetimbangan termodinamika sistem.
Sekumpulan benda dan medan yang dapat bertukar energi tidak hanya satu sama lain, tetapi juga dengan lingkungan luar disebut sistem termodinamika. Jika perubahan energi dalam terjadi dalam sistem termodinamika, maka kita dapat membicarakan usaha yang dilakukan oleh sistem tersebut dan pertukaran panas antar bagian sistem.
Parameter keadaan termodinamika
Tekanan, suhu, kepadatan, konsentrasi, volume sistem adalah parameter termodinamika keadaan.
Suatu proses yang tidak terjadi pertukaran panas antara sistem dan lingkungan luar disebut adiabatik. Hukum pertama termodinamika di dQ = 0 terlihat seperti ini:
C v dT + PdV= 0,
dan ketika memperhitungkan dT= (PdV + VdP) / R
dP/ P= -gdV/ V,
Di mana G– indeks adiabatik;
R- tekanan;
V- volume.
Persamaan ini mempunyai penyelesaian dalam bentuk:
PVg= konstanta.
Itu disebut persamaan Poisson. Dengan memperhatikan persamaan Mendeleev-Clayperon, persamaan Poisson akan terlihat seperti:
televisi g-1 = konstanta,
T g p 1-g = konstanta.
Persamaan Poisson menggambarkan proses adiabatik kuasi-statis. Kompresi adiabatik menyebabkan gas memanas; jika terjadi pemuaian adiabatik, gas menjadi dingin.
Berbeda dengan proses isotermal, proses adiabatik ditandai dengan penurunan tekanan yang lebih cepat seiring bertambahnya volume. Usaha yang dilakukan gas selama proses adiabatik selalu lebih kecil dibandingkan usaha yang dilakukan selama proses isotermal, jika kita mengasumsikan perubahan volume sama untuk kedua kasus. Dalam proses adiabatik, terdapat ketergantungan usaha pada eksponen adiabatik. Mengarahkan g -> 1, kita memperoleh nilai usaha selama proses isotermal, yaitu transisi adiabatik akan terjadi (Q = const) ke isoterm (T= konstanta).
19. Proses politropik
>Prosesnya disebut politropik, jika kita berasumsi bahwa kapasitas panas tetap konstan. Hukum pertama termodinamika pada C = const adalah sebagai berikut:
(C– Cv)dT = PdV,
dan ketika memperhitungkan dT= (PdV + VdP)/ R kita mendapatkan notasi berikut:
ndV/ V= -dP/ P,
N= (C– CP)/ (C– CV),
Persamaan tersebut memiliki solusi dalam bentuk:
PVn= konstanta,
Di mana P– tekanan gas;
V– volume gas.
Proses politropik ditandai dengan pertukaran panas parsial antara sistem dan lingkungan luar. Kurva proses politropik terletak pada diagram PV antara isoterm (Г = const) dan adiabatik ( Q= const) dan dipanggil politrop. Dengan memperhatikan persamaan Mendeleev-Clayperon, persamaan politropik akan terlihat seperti ini:
TV n-1 = konstanta,
T n P n-1= konstanta.
Mari kita tentukan usaha yang dilakukan gas selama proses politropik:
SEBUAH 12 = (m / M)R(T 1 – T 2) / (n – 1),
Di mana M– massa gas;
M– massa molar gas;
R
N– indeks politropik;
T 1 Dan T 2– suhu awal dan akhir.
Kasus T 2 > T 1 dan 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. Proses adiabatik: DENGAN= 0, N= G= C/C dan Hal = konstanta, dU= C v dT= -dA, d/ = C p dT= -gdA.
2. Proses isotermal: DENGAN= Ґ, n =1 dan PV = konstanta, T = konstanta, da= PdV, dU= 0, dl = 0, dQ= dA.
3. Proses isobarik: C = C hal, n= 0 dan V/T = konstanta, R= konstanta, dA = PdV, dU = C V dT, dl= dU+ PdV= dQ = C p dT.
4. Proses isokhorik: C = C, n= Ґ dan P/T= konstanta, V= konstanta, da= 0, dU= CV dT = dQ, dl = dU + PdV = C p dT.
20. Kehangatan
Kehangatan adalah proses perubahan energi dalam dengan parameter luar konstan h = = konstanta. Benda-benda dapat mentransfer energi satu sama lain secara langsung melalui kontak atau dengan memancarkannya. Panas disebut transformasi energi mikroskopis. Proses perpindahan panas ditentukan oleh kerja yang dilakukan oleh molekul selama gerakan termal yang kacau. Banyaknya kalor mempunyai dimensi dalam SI sebagai berikut: [Q]= J. Mereka juga menggunakan satuan kalor - kalori, 1 kal = 4,1868 J. Jika suatu benda yang ikut serta dalam proses tersebut menerima sejumlah kalor, maka ditulis dengan tanda tambah, dan jika keluar, maka banyaknya panas memiliki tanda minus.
Rumus untuk menentukan jumlah dasar panas yang diberikan ke suatu benda untuk mengubah suhunya:
dQ= CDT,
Di mana DENGAN– kapasitas panas tubuh.
DENGAN= dQ/dT.
Arti fisik dari kapasitas panas- ini adalah nilai yang sama dengan jumlah panas yang harus dipindahkan ke suatu benda untuk mengubah suhunya sebesar 10K. Kapasitas panas DENGAN ditentukan oleh massa suatu benda, komposisi kimianya, dan keadaan termodinamikanya.
Konsep kapasitas panas mencakup konsep kapasitas panas spesifik dan molar. Kapasitas kalor per satuan massa suatu zat disebut kapasitas panas spesifik. Dalam kasus benda homogen, itu sama dengan:
c = C/M
Di mana M– massa gas.
Kapasitas kalor satu mol suatu zat disebut kapasitas panas molar atau molekul(dilambangkan DENGAN). Kapasitas panas molar dan panas spesifik dihubungkan oleh hubungan:
c = C/M,
Di mana M– massa molar suatu zat.
Dalam SI, kapasitas kalor jenis dan kalor molar mempunyai dimensi sebagai berikut: [s] = J/kgK, [C] = J/molK.
Konsep kapasitas panas mencakup dua jenis kapasitas panas: pada volume konstan dan pada tekanan konstan. Kapasitas panas (spesifik dan molar) pada volume konstan ditentukan dengan memanaskan benda pada V= const dan dilambangkan dengan c ay dan C ay. Kapasitas panas (spesifik dan molar) pada tekanan konstan ditentukan dengan memanaskan benda pada R= const dan dilambangkan dengan hal dan C hal
21. Bekerja
Bekerja adalah proses perubahan energi dalam akibat perubahan parameter luar ketika dQ= 0. Pekerjaan dasar adalah usaha yang dilakukan oleh sistem selama pemuaian kuasistatis yang sangat kecil, yang mengakibatkan volume sistem bertambah sebesar dV:
da= Fdx = PSDx = PdV,
Di mana Sdx= dV– peningkatan volume;
S– luas permukaan yang tegak lurus terhadap gaya F yang bekerja;
R- tekanan.
Suatu proses ideal dimana suatu sistem dapat bertransisi dari satu keadaan setimbang ke keadaan setimbang lainnya disebut kuasi-statis. Ciri khas proses kuasi-statis adalah persamaan tekanan gas internal dengan tekanan eksternal: P = P", dan d A"= -dA= -P"dV– kerja kekuatan eksternal. Untuk proses berhingga, usaha total dapat dihitung sebagai berikut:
maka kerja A 12 tidak bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem dan ditentukan oleh cara sistem bertransisi dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Kerja bukanlah fungsi dari kondisi.
Dalam kasus ketika sistem memiliki beberapa derajat kebebasan, dan keadaan internalnya ditentukan oleh parameter eksternal xn dan suhu T, Sistem akan melakukan pekerjaan dasar pada benda eksternal:
dA = X 1 dx 1 + X 2 dx 2 + … + X n dx n,
dimana x 1 ,x 2 ,…,x n adalah fungsi parameter eksternal dari keadaan sistem x (gaya umum). Jika perubahan suhu di lingkungan luar tidak berpengaruh pada keadaan sistem, maka sistem seperti itu biasanya disebut terisolasi secara adiabatik. Energi dalam suatu sistem yang terisolasi secara adiabatik dapat dispesifikasikan sebagai fungsi keadaan tertentu kamu, Selain itu, kenaikan fungsi ini harus sama dengan usaha yang dilakukan pada sistem selama transisi dari keadaan awal ke keadaan akhir, apapun jalurnya:
SEBUAH 12 = kamu 2 - kamu 1,
Di mana kamu 2 Dan kamu 1– energi internal sistem di keadaan 2 dan 1.
22. Hukum Boyle-Mariotte
>Salah satu hukum gas ideal adalah hukum Boyle-Marriott, yang berbunyi: hasil kali tekanan P per volume V gas pada massa gas konstan dan suhu konstan. Kesetaraan ini disebut persamaan isoterm. Isoterm digambarkan pada diagram PV keadaan gas dalam bentuk hiperbola dan, bergantung pada suhu gas, menempati satu posisi atau lainnya. Proses sedang berlangsung T= konstanta, dipanggil isotermal. Gas di T= const mempunyai energi dalam yang konstan U. Jika suatu gas memuai secara isotermal, maka seluruh panasnya digunakan untuk melakukan usaha. Usaha yang dilakukan gas ketika memuai secara isotermal sama dengan jumlah kalor yang perlu diberikan ke gas untuk melakukan hal tersebut:
da= dQ= PdV,
dimana d A– pekerjaan dasar;
dV- volume dasar;
P- tekanan. Jika V 1 > V 2 dan P 1< P 2 , то газ сжимается, и работа принимает отрицательное значение. Для того чтобы условие T= konstanta terpenuhi, maka perlu diasumsikan bahwa perubahan tekanan dan volume berlangsung sangat lambat. Ada juga persyaratan untuk lingkungan di mana gas tersebut berada: gas tersebut harus memiliki kapasitas panas yang cukup tinggi. Rumus perhitungannya juga cocok dalam hal penyediaan energi panas ke sistem. Kompresibilitas Sifat gas yang volumenya berubah bila tekanannya berubah disebut. Setiap zat memiliki faktor kompresibilitas, dan itu sama dengan:
c = 1 / V HAI(dV/CP)T,
di sini turunannya diambil di T= konstanta.
Koefisien kompresibilitas diperkenalkan untuk mengkarakterisasi perubahan volume dengan perubahan tekanan. Untuk gas ideal sama dengan:
c = -1 / P.
Dalam SI, koefisien kompresibilitas memiliki dimensi sebagai berikut: [c] = m 2 /N.
23. Hukum Gay-Lussac
>Hukum Gay-Lussac menyatakan: perbandingan volume suatu gas dengan suhunya pada tekanan gas tetap dan massanya tetap.
V/ T= M/ M TENTANG R/ P= konstanta
pada P= konstanta, M= konstanta.
Kesetaraan ini disebut persamaan isobar.
Isobar digambarkan pada diagram PV dengan garis lurus yang sejajar dengan sumbu V. Proses sedang berlangsung P= konstanta, dipanggil isobarik. Jika V 1 Dan T 1– inisial, dan V 2 Dan T 2 adalah volume dan suhu berhingga, maka persamaan berikut berlaku:
V 1 / T 1 = V 2 / T 2.
Usaha yang dilakukan gas selama pemuaian dapat dengan mudah dicari dengan menghitung luas segitiga pada diagram PV:
A12 = PDV= M/ M Tentang RDT,
dimana DV= V 2 – V 1 – perubahan volume;
DT = T 2 – T 1 – perubahan suhu.
Pada diagram VT, isobar digambarkan sebagai garis lurus yang memanjang dari titik asal. Hukum Gay-Lussac dapat dituliskan dalam bentuk berikut:
V= V 0 (1+ a v t),
Di mana V– volume pada suhu T, dihitung dari 0 o C;
V 0– volume gas ideal pada suhu T 0= 273.j6 K.
sebutkan jumlahnya:
sebuah v = V/ V 0 T = 1 / T 0 = 1/ 273,16 K - 1.
Dalam kasus umum zat apa pun, koefisien muai volumetrik didefinisikan sebagai:
A= 1 / V.O./ (dV/dT) hal.
Koefisien muai volumetrik gas ideal sama dengan:
A= 1/T.
Jika T= 0 o C, maka a =a V
Untuk gas nyata, hukum Gay-Lussac tidak berlaku di wilayah bersuhu rendah (yaitu mendekati nol mutlak). Ketika didinginkan hingga nol mutlak, semua gas kecuali helium mencair.
24. Hukum Charles
>Hukum Charles menyatakan bahwa perbandingan tekanan gas terhadap suhunya adalah konstan jika volume dan massa gas tersebut konstan:
P/ T= M/ M TENTANG R/ V= konstanta
pada V= konstanta, M= konstanta.
Kesetaraan ini disebut persamaan isokore.
Isokor digambarkan pada diagram PV sebagai garis lurus yang sejajar sumbu P, dan pada diagram PT berupa garis lurus yang memanjang dari titik asal. Proses sedang berlangsung V= konstanta, disebut isokorik. Ciri khas dari proses isokhorik adalah gas V= const tidak berfungsi. Ketika energi panas disuplai ke gas, energi internalnya meningkat karena panas yang disuplai:
DU = M/ M TENTANG CV D.T.
Di mana M– massa molar;
CV– kapasitas panas molar;
D.T. = T 2 – T 1 – perubahan suhu.
Jika P 1 dan T 1 adalah tekanan awal dan P 2 dan T 2 adalah tekanan dan suhu akhir, maka:
P 1 / T 1 = P 2 / T 2
Hukum Charles dapat ditulis dalam bentuk berikut:
P = P 0 (1 + apt)
Di mana R– tekanan pada suhu t, diukur dari 0 o C;
hal 0– tekanan gas ideal pada suhu Т0=273,16 K.
Koefisien suhu perubahan tekanan, atau sederhananya koefisien tekanan termal, parameter berikut disebut:
sebuah = P / P 0 T = 1 / T 0 .
25. Persamaan keadaan gas ideal
>Persamaan keadaan gas ideal menggambarkan hubungan antara suhu dan tekanan. Karena tekanan gas ideal dalam sistem tertutup P= 1/3 HAI mn
P = NkT,
Di mana N– jumlah molekul yang terkandung dalam volume V.
PV = m/ M x NkT,
PV= M/ M x RT,
Di mana M– massa molar;
Tidak– Nomor Avogadro;
k– Konstanta Boltzmann;
R– konstanta gas universal.
Kesetaraan disebut Persamaan Mendeleev-Clayperon. Jika jumlah zat gas adalah 1 mol, persamaan Mendeleev-Clayperon akan berbentuk PV = RT. Gas dapat dipertimbangkan sempurna, jika keadaannya dijelaskan oleh persamaan Mendeleev-Clayperon atau salah satu konsekuensinya.
F(P, V, T 0) dipanggil persamaan keadaan. Pada diagram PV, himpunan keadaan dengan t 0 = konstanta disajikan dalam bentuk hiperbola. Himpunan hiperbola yang bersesuaian dengan suhu yang berbeda disebut isoterm. Proses di mana gas berubah dari satu keadaan ke keadaan lain ketika t 0= konstanta, dipanggil isotermal.
Jika P= const (1) terdapat ketergantungan linier volume suatu massa gas tertentu terhadap suhu:
V= V 0 (1 + pada 0).
Ini mewakili hukum Gay-Lussac. Begitu juga untuk V= konstanta:
P = P 0 (1 + pada 0).
Dari persamaan ini dapat disimpulkan bahwa semua isobar dan isokores berpotongan dengan sumbu t 0 pada satu titik ditentukan dari kondisi 1+ pada 0= 0. Solusi persamaan ini:
t 0 = -1 / A= -273,15 oC.
R= 8,31 jam 10 3 J/(derajat h kmol) – konstanta gas universal.
PV = m/m x RT.
26. Persamaan keadaan universal gas ideal
>Rasio massa M gas (zat) dengan jumlah gas (zat) ay sistem ini disebut massa molar gas (zat):
M = m/ ay.
Dimensi massa molar adalah sebagai berikut: [M]= 1 kg / 1 mol.
Akibat wajar dari hukum Avogadro memungkinkan kita menemukan rasio volume tertentu:
v 2 / v 1 = M 1 / M 2
v 1 M 1 = M 2 v 2 .
Rasio terakhir mencerminkan hal yang penting sifat gas ideal: dalam kondisi fisik yang sama, hasil kali volume spesifik gas dan massa molarnya adalah nilai konstan yang tidak bergantung pada sifat gas, yaitu. vM= idem. Bekerja vM mewakili volume 1 mol gas ideal, dan persamaan terakhir berarti persamaan volume molar semua gas pada tekanan dan suhu yang sama.
Persamaan keadaan satu mol gas adalah sebagai berikut:
PV m = MRT,
Di mana PAK = Rm= PV m/ T.
Produk MR adalah konstanta gas universal (molar). Arti fisis dari konstanta gas universal adalah ra 26b lebih dari satu mol gas ideal dengan perubahan suhu 1 o dan tekanan proses konstan. Hal ini tidak tergantung pada sifat gasnya. R= = 8,314/m. Persamaan bentuk
PV m = 8,314T
ditelepon persamaan keadaan universal.
Persamaan keadaan universal gas ideal kita dapat mempertimbangkan persamaan Mendeleev – Cliperon:
PV = URT.
Jika Anda menjaga volume tetap konstan dan menggunakan tekanan gas sebagai indikator suhu, Anda bisa mendapatkan termometer dengan skala linier sempurna. Itu disebut skala suhu gas ideal. Lebih mudah untuk menganggap hidrogen sebagai zat termometrik. Skala yang ditetapkan untuk hidrogen disebut skala suhu empiris.
27. Sifat dasar campuran gas
>Himpunan beberapa gas berbeda yang tidak memungkinkan terjadinya interaksi kimia disebut campuran gas ideal. Tekanan dihitung menggunakan rumus:
P saya = N saya kT/ V,
Di mana Saya= 1, 2, r, disebut sebagian,
R– jumlah gas dalam campuran;
N adalah jumlah molekul gas ke-i;
V– volume campuran;
k– Konstanta Boltzmann;
T- suhu.
hukum Dalton mencerminkan hubungan antara tekanan campuran gas ideal dan tekanan parsialnya. Bunyinya: "Tekanan campuran R gas ideal dan jumlah tekanan parsialnya sama satu sama lain.” Rumusan matematis hukum Dalton adalah sebagai berikut:
P = P1+ P2 +…+ Pr = NkT/V
Di mana N = N 1+ nomor 2+. + No– jumlah molekul dalam campuran R gas
Hukum Amag. Ini mencerminkan hubungan antara volume campuran gas ideal dan volume parsialnya. Hukum Amag menyatakan: “Volume suatu campuran R gas ideal dan jumlah volume parsialnya sama satu sama lain":
V = V 1 + V 2 + … + V r.
Parameter campuran gas dapat diketahui dengan mengetahui Hukum Clapeyron:
PV = mRT,
Perbandingan massa masing-masing gas dengan massa total campuran disebut fraksi massa:
g 1 = m 1 / m; g 2 = m 2 / m; ...; g n = m n / m,
Di mana g 1 , g 2 , g n– pecahan massa;
m 1, m 2, m n– massa gas secara terpisah;
M– massa campuran.
Jumlah fraksi massa semua gas dalam campuran sama dengan satu.
Massa suatu campuran adalah jumlah massa gas-gas yang termasuk dalam campuran tersebut.
Perbandingan volume sebagian dengan volume seluruh campuran disebut fraksi volume:
r 1= V 1/ V, hal 2= V 2/ V,., r n = V n/ V,
Di mana r 1 , r 2 , r n– pecahan volume;
V 1, V 2,., Vn– volume parsial gas dalam campuran;
V– volume campuran gas.
28. Massa molar rata-rata suatu campuran gas
>Persamaan untuk mencari konstanta campuran gas spesifik adalah:
R = misalnya g i R i = 8314,2(g 1 / M 1 + g 2 / M 2 +… + g n / M n)
Dengan mengetahui massa molar campuran, Anda dapat mencari konstanta gas campuran:
Mengetahui komposisi volumetrik campuran, kita memperoleh rumus berikut:
g saya = (R/ R saya),
misalnya Saya= Kembali(r Saya/R Saya) = 1.
Rumus untuk menghitung konstanta gas spesifik berbentuk:
R= 1 / e(r Saya/R Saya) = 1 / (r 1 / R 1 + R 2 +… + r n / R n).
Massa molar rata-rata campuran gas adalah nilai yang cukup konvensional:
M= 8314,2 / (G 1 R 1 + G 2 R 2 +. + g n R n).
Jika Anda mengganti konstanta gas tertentu R1, R2,…, Rn menggunakan nilainya dari persamaan Clayperon, kita menemukan massa molar rata-rata suatu campuran gas jika campuran tersebut ditentukan oleh fraksi massa:
M= 1 / (r 1/ M 1+ r 2/ M 2+. + tidak/ M N).
Dalam kasus ketika campuran ditentukan oleh fraksi volume, kita memperoleh ekspresi berikut:
R= 1 / eh aku R aku= 8314,2 / e r aku M aku.
Mengetahui hal itu R= 8314,2 / M, kita peroleh:
M= eh aku M aku= r 1 M 1 + r 2 M 2 +. + r n M n .
Dengan demikian, massa molar rata-rata campuran gas ditentukan oleh jumlah produk fraksi volume dan massa molar masing-masing gas yang membentuk campuran.
29. Tekanan parsial
>Tekanan, ditulis sebagai: P saya =N saya kT/ V,
Di mana Saya= 1,2,..., r, disebut sebagian. Di Sini R– jumlah gas dalam campuran;
tidak– jumlah molekul gas ke-i;
V– volume campuran;
k– Konstanta Boltzmann;
T- suhu.
Hal ini dapat diketahui jika semua parameter utama gas diketahui:
P saya = saya R saya T/ V =m saya R saya/ mR = Pg saya R saya/R = Hal saya M/saya
Jika campuran ditentukan oleh fraksi volume, maka untuk mendapatkan tekanan parsial masing-masing gas kita mengacu pada hukum Boyle-Mariotte, yang darinya kita dapat mengetahui bahwa pada T = konstanta:
P i V = P V i Dan P saya = P V saya/ V = r saya P.
Tekanan parsial gas apa pun dihitung sebagai produk dari tekanan total campuran gas dan fraksi volumenya. Persamaan terakhir digunakan ketika memecahkan masalah teknis dan ketika memeriksa instalasi termal. Fraksi volume gas diperoleh secara eksperimental menggunakan alat analisa gas.
Arti fisik dari tekanan parsial pi adalah ini adalah tekanan gas ke-i, asalkan memenuhi volume V.
hukum Dalton mencerminkan hubungan antara tekanan campuran gas ideal dan tekanan parsialnya. Bunyinya: tekanan campuran R gas ideal dan jumlah tekanan parsialnya sama. Rumusan matematis hukum Dalton adalah sebagai berikut:
R= P 1 + P 2 + ...+ P r= NKT/V
Di mana N= nomor 1+ nomor 2+... + No– jumlah molekul dalam campuran r gas.
Tekanan yang diberikan oleh masing-masing molekul R gas ideal, tidak bergantung pada tekanan yang diberikan oleh molekul gas lain. Alasan fenomena ini adalah molekul-molekul dalam gas ideal tidak berinteraksi. Telah ditunjukkan secara eksperimental bahwa pada tekanan tinggi (sekitar 10 6 Pa) hukum Dalton tidak terpenuhi.
30. Hukum kekekalan dan transformasi energi
>Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum universal kekekalan dan transformasi energi, yang menyatakan bahwa energi tidak diciptakan atau dimusnahkan.
Benda-benda yang berpartisipasi dalam proses termodinamika berinteraksi satu sama lain dengan bertukar energi. Pada saat yang sama, di beberapa benda energinya berkurang, sementara di benda lain energinya meningkat. Ada dua pilihan untuk transfer energi melalui benda fisik: pertukaran panas dan kerja mekanis.
Dalam praktiknya, satuan kerja juga joule, besarnya usaha dilambangkan dengan L, dan usaha spesifik per satuan massa (P kg) dilambangkan dengan /.
Ada beberapa ketentuan pokok hukum pertama termodinamika.
L Segala jenis energi tidak muncul dengan sendirinya, tetapi saling berubah satu sama lain, dan jumlahnya selalu sama.
2. Tidak mungkin membuat mesin gerak abadi jenis pertama.
3. Jika sistem terisolasi sempurna, maka energi internalnya tetap.
Mari kita asumsikan itu Q- jumlah panas yang disuplai ke tubuh, yang harus dikeluarkan untuk melakukan kerja dan mengubah energi internal:
Q= ?U +L,
Di mana L = ml– jumlah pekerjaan;
ДU = mДu – perbedaan antara energi internal keadaan awal dan akhir;
Dalam hal berat badan sama dengan 1 kg:
q =?kamu+aku,
Di mana aku, q, Du – jumlah kerja tertentu, panas, perbedaan energi internal dari keadaan awal dan akhir. Jika prosesnya sangat kecil, maka
dq = du + dl.
Rasio yang dihasilkan adalah model matematika hukum pertama termodinamika. Oleh karena itu rumusan hukum berikut ini: “Seluruh jumlah panas yang diterima suatu benda fisik digunakan untuk melakukan usaha dan mengubah energi internal benda tersebut.”
Ada yang disebut aturan tanda untuk parameter: Q> 0, jika panas disuplai ke tubuh fisik, dan Q<0, если отводится; aku> 0 jika usaha dilakukan oleh benda itu sendiri (ekspansi), dan aku< 0, если работу совершают над телом извне (сжатие); Dkamu> 0 – jika energi dalam tubuh meningkat, D kamu< 0 – если внутренняя энергия уменьшается.
31. Energi dalam
>Energi dalam terdiri dari energi kinetik internal dan energi potensial. Energi kinetik internal diciptakan oleh pergerakan kacau molekul suatu zat.
Energi kinetik seluruh makrosistem dihitung:
Di mana M– massa sistem;
w– kecepatan pergerakannya di ruang angkasa.
Kekuatan interaksi molekul suatu zat satu sama lain menentukan energi potensial internal suatu benda.
Energi dalam Ini adalah energi yang terkandung dalam sistem itu sendiri dan memiliki dua komponen - energi kinetik.
Perubahan energi potensial (internal) spesifik suatu benda. Perubahan total energi spesifik (internal) selama proses termodinamika akan terlihat seperti ini:
kamu – Inggris– dan R.
Energi dalam suatu fluida kerja dengan massa sembarang dihitung menggunakan rumus:
?v-Vk – Vp .
Mari kita asumsikan bahwa fluida kerja berpindah dari keadaan pertama ke keadaan kedua ketika panas disuplai dari luar. Maka besarnya kalor ini akan dinyatakan sebagai:
q 1, 2 – kamu 2 - kamu 1.
Prosesnya berlangsung menurut hukum isokhorik, kita mempunyai:
q 1.2 = ? ay(T 2 -T 1).
Secara umum, untuk zat apa pun yang bermassa M:
v 2 -v 1 – M? v (T 2 – T 1),
dimana T 1 adalah suhu awal proses termodinamika;
T 2– suhu akhir;
kamu 1 – nilai awal energi dalam;
kamu 2 – nilai akhir energi dalam;
? – kapasitas panas spesifik rata-rata (isokhorik).
32. Perhitungan kerja gas
>Gas menerima panas dari sumber tertentu di luar sistem. mari kita nyatakan tekanan gas dengan huruf p, luas piston dengan S, kemudian di bawah pengaruh gaya luar F = pS pada piston itu tidak akan bergerak. Ketika gaya luar F berkurang, perbedaan antara kedua gaya tersebut pS–F akan menggerakkan piston ke kanan. Gas di bawah piston akan memuai dan mengatasi gaya luar, sehingga melakukan kerja dalam prosesnya. Untuk proses kesetimbangan kita mempunyai yang berikut ini.
1. Piston harus bergerak sepanjang silinder dengan sangat lambat (yaitu, dengan kecepatan yang sangat kecil). Hal ini memungkinkan kita untuk mengasumsikan bahwa tekanan gas di seluruh volume setiap saat adalah sama.
2. Suhu sumber panas praktis tidak berbeda dengan suhu fluida kerja (yang kita gunakan gas), yaitu perbedaan suhunya sangat kecil. Hal ini memungkinkan kita untuk berasumsi bahwa suhu di seluruh volume gas adalah sama setiap saat.
Dalam kondisi seperti itu, proses pemuaian fluida kerja setiap saat akan mempunyai suhu, massa jenis dan tekanan yang sama di seluruh volume, yaitu keadaannya juga akan berada dalam keadaan setimbang.
Solusi analitis terhadap masalah penghitungan usaha yang dilakukan oleh gas akibat pemuaiannya. Kecepatan piston saat bergerak di dalam silinder sangatlah kecil. Oleh karena itu, untuk menganalisis proses pemuaian, kita membagi seluruh panjang lintasan yang ditempuh piston menjadi bagian-bagian yang sangat kecil dl. Kemudian da(pekerjaan dasar) pada setiap segmen dasar dl ditentukan oleh produk:
dA = pSdl,
Di mana hal- kekuatan;
dl- jalur.
Menggunakan kesetaraan
Sdl = dv,
kita dapatkan
dA = pdv.
Memberikan ekspresi:
Di mana A adalah usaha yang dilakukan oleh gas bermassa j kg selama pemuaian.
Usaha yang dilakukan gas selama pemuaian disebut juga teknis.
33. Proses yang dapat dibalik dan tidak dapat diubah
>Jika suatu sistem termodinamika, di bawah pengaruh gaya luar, melewati serangkaian keadaan yang berurutan, maka totalitasnya disebut proses termodinamika. Proses ini dilakukan oleh fluida kerja, dan keadaannya berubah sedemikian rupa sehingga massanya tetap konstan. Sifat utama dari proses ideal yang disederhanakan adalah miliknya reversibilitas.
Reversibel adalah proses yang terjadi dalam arah maju dan mundur, dan di mana perubahan sisa tidak terjadi baik pada fluida kerja maupun pada ruang sekitarnya. Selain itu, fluida kerja mengalir di kedua arah melalui keadaan dasar kesetimbangan yang sama dan pada akhir proses kembali ke titik awal.
Setiap proses yang dapat dibalik adalah kesetimbangan. Prosesnya disebut keseimbangan, jika keadaan-keadaan berurutan yang dilalui sistem juga merupakan keadaan setimbang. Suatu proses yang berlangsung sangat lambat sehingga mendekati keseimbangan pada suatu titik waktu disebut kuasi-statis(itu juga dapat dibalik).
Secara grafis keadaan setimbang digambarkan sebagai suatu titik dalam sistem koordinat spasial dengan tiga parameter v, hal, T, dan proses kesetimbangan itu sendiri adalah suatu kurva yang melalui sejumlah titik tersebut.
Keadaan sistem disebut keseimbangan, jika suatu saat di seluruh volume yang ditempati oleh gas, nilainya v, hal, T(parameter keadaan) adalah sama, meskipun berubah seiring waktu jika keadaan berubah. Dalam kasus sistem yang terisolasi, sistem pada akhirnya akan kembali ke keadaan setimbang dan tidak dapat meninggalkan sistem itu sendiri. Dalam praktiknya, proses reversibel dimungkinkan dalam kondisi tertentu.
1. Fluida kerja mengubah keadaannya dengan sangat lambat.
2. Fluida kerja mempunyai keadaan setimbang yang jumlahnya tak terhingga.
3. Pertukaran panas dengan lingkungan luar (proses ireversibel), tidak ada gesekan eksternal, gesekan internal partikel tubuh satu sama lain.
4. Tidak terjadi perubahan kimia pada zat kerja.
Proses yang tidak memenuhi sifat reversibilitas adalah tidak dapat diubah.
Setiap proses nyata di mana fluida kerja mengubah keadaannya tidak dapat diubah.
Setiap proses nyata juga merupakan ketidakseimbangan. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa proses tersebut memiliki kecepatan yang terbatas dan keadaan setimbang dalam zat yang bekerja tidak mempunyai waktu untuk terbentuk. Proses nyata dapat mendekati daerah kesetimbangan, tetapi tidak bersamaan dengan proses kesetimbangan; proses tersebut hanya dapat terjadi dalam arah maju, dan dalam arah berlawanan hanya jika dipengaruhi dari luar.
34. Ketentuan pokok hukum kedua termodinamika
>Hukum kedua termodinamika memungkinkan kita menjawab pertanyaan: apakah perkembangan proses yang sedang dipertimbangkan mungkin atau tidak, arah proses mana yang akan dominan ketika kesetimbangan tercapai dalam sistem termodinamika. Hukum ini juga membantu menentukan kondisi di mana sistem akan melakukan jumlah kerja maksimum.
Intisari hukum ini pertama kali diungkapkan oleh seorang ilmuwan dan insinyur Perancis Sadi Carnot(1824). Ia menulis bahwa dimanapun terdapat perbedaan suhu, gaya penggerak dapat muncul. Selain itu, ini hanya bergantung pada suhu benda-benda yang berinteraksi dan tidak bergantung pada jenis benda-benda tersebut. Untuk memperoleh nilai gaya penggerak yang besar, suhu awal fluida kerja harus signifikan, dan karenanya pendinginannya juga besar. Selain itu, dalam praktiknya tidak mungkin menggunakan tenaga penggerak (energi) bahan bakar secara keseluruhan.
Pernyataan ilmuwan ini menentukan kondisi untuk mengubah panas mesin menjadi kerja yang berguna dan pada parameter apa kualitas konversi ini bergantung. Berdasarkan ketentuan yang ditetapkan, kita harus berbicara tentang perlunya dua proses terjadi secara bersamaan di perangkat termal - yang utama, di mana panas diubah menjadi kerja, dan yang tambahan - proses perpindahan panas yang menyertainya ke sumber dingin.
Dalam termodinamika spontan mereka menyebut proses-proses yang dapat kita katakan terjadi dengan sendirinya, yaitu secara mandiri. Menurut hukum kedua, proses spontan hanya terjadi bila tidak ada keseimbangan dalam sistem termodinamika. Selain itu, arah terjadinya proses tersebut bertepatan dengan arah pendekatan sistem terhadap titik kesetimbangan.
Hukum kedua termodinamika didasarkan pada postulat. Postulat pertama ilmuwan Jerman R.Klausius(1850) menyajikan rumusan umum hukum kedua dalam bentuk berikut: “Panas tidak berpindah secara spontan dari suatu benda (kurang panas) ke benda lain (lebih panas), tetapi hanya dengan bantuan kompensasi.” Postulat lain (dari Tuhan Kelvin-Thomson, 1852) menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin kalor - mesin gerak abadi jenis kedua (di mana panas diubah seluruhnya menjadi kerja). Oleh karena itu, mesin kalor akan melakukan kerja hanya jika terdapat paling sedikit dua sumber panas dengan temperatur berbeda. Selain itu, hanya sebagian dari total panas yang dilepaskan oleh pemancar panas (sumber panas pada suhu tinggi) yang dapat diubah menjadi kerja yang berguna. Sisa panas dipindahkan ke unit pendingin.
Dalam praktiknya, proses spontan (perpindahan panas dari benda panas ke benda dingin, difusi, fenomena pelarutan, dan banyak lainnya) tidak dapat diubah. Oleh karena itu ada rumusan lain hukum kedua termodinamika:“Jika suatu proses nyata terjadi secara spontan, maka hal itu tidak dapat diubah.”
35. Efisiensi termodinamika dan koefisien pendinginan siklus
>Sumber suhu tinggi (T 1) dan melepaskan panas ke fluida kerja disebut sensor panas. Sumber suhu rendah (T 2) dan menerima panas dari zat yang bekerja disebut heat sink.
Pada diagram EN, kerja berguna dari suatu proses melingkar sama dengan luas yang dibentuk oleh kurva maju dan mundur dari proses dan terdapat dalam siklus tersebut. Jika pada grafik garis muai terletak di atas garis tekan, arah siklusnya searah jarum jam dan kerja yang dihasilkan dalam proses tersebut dikonsumsi oleh peralatan luar, maka siklus tersebut adalah langsung. Jika pada diagram garis tekan terletak di atas garis muai, arah putarannya berlawanan arah jarum jam dan usaha dilakukan dengan bantuan sumber luar, maka siklus tersebut adalah balik.
Kerja mesin yang berguna hanya dapat diperoleh bila kerja muai lebih besar daripada kerja kompresi. Transformasi panas menjadi kerja mekanis merupakan proses yang tidak spontan dan harus disertai kompensasi.
Perangkat termal dipertimbangkan ideal, jika tidak ada kerugian. Suatu siklus juga dianggap ideal jika hanya dibentuk oleh fenomena yang dapat dibalik. Dalam mesin kalor, perkiraan efisiensi siklus langsung ideal disebut efisiensi termal. Ini sama dengan rasio panas yang diubah menjadi kerja selama siklus dengan semua panas yang disuplai dan dilambangkan jam t(“ini”, huruf Yunani):
Di mana 1 c– pekerjaan yang bermanfaat;
q1 – panas yang disuplai;
pertanyaan 2– panas dihilangkan. Pekerjaan eksternal selama siklus terbalik sama dengan:
1 c = Q 1 – q2,
dimana q 1 – panas dibuang ke sumber air panas;
Q 2 – panas dihilangkan dari sumber dingin.
Ada istilah untuk siklus ideal terbalik efisiensi pendinginan, mana yang diindikasikan? T :
Dapat dirumuskan hukum kedua termodinamika demikian: “Dalam mesin kalor, konversi panas menjadi kerja mekanis 100% tidak mungkin.”
36. Siklus Carnot terbalik dan reversibel
>Dalam penelitian termodinamika, tidak hanya arah maju, tetapi juga arah sebaliknya dari siklus Carnot telah mendapat penerapan praktis. Perbedaan siklus terbalik adalah panas yang dikeluarkan dari sumber bersuhu rendah dan diberikan ke sumber bersuhu tinggi. Siklus ini ideal untuk unit pendingin.
Fluida kerja yang terlibat dalam siklus balik disebut pendingin. Selama pemuaian adiabatik, suhu turun dari nilai 71 ke nilai tertentu T t Setelah itu, ketika panas R2 diperoleh dari sumber dingin (T2), gas dikompresi secara isotermal. Pada proses selanjutnya terjadi kompresi adiabatik, dan suhu fluida kerja meningkat dari nilai tersebut T 2 hingga nilainya T 1. Selama kompresi isotermal, panas q 1 diambil dari zat kerja dan dialirkan ke sumber air panas.
Mesin pendingin beroperasi dalam siklus terbalik, yang pembuatannya memerlukan sejumlah kerja tertentu (I). Dalam hal ini, q dipindahkan dari sumber dingin ke sumber panas 2 (jumlah panas), dan sumber air panas masih menerima panas yang secara numerik sama dengan usaha yang dilakukan I. Jadi, jumlah total panas yang dipindahkan ke sumber air panas adalah sama dengan:
q 1 = q 2 + 1
Usaha pada proses pemuaian bernilai positif, dan usaha pada proses kompresi bernilai negatif. Usaha total yang diperlukan untuk memindahkan kalor dari sumber dingin ke sumber panas adalah:
dan negatif.
Koefisien kinerjae mencirikan kinerja perangkat pendingin dan ditentukan oleh rasio:
dimana q 2 – jumlah panas yang dikeluarkan dari sumber dingin dan diterima oleh sumber panas;
Saya – pekerjaan yang sempurna.
Untuk siklus Carnot invers dan reversibel, koefisien kinerja dihitung menggunakan hubungan:
37. Teorema Carnot
>Mari kita analisis secara singkat rumus efisiensi Terminian dari siklus Carnot langsung yang reversibel:
Dari persamaan ini berikut:
1) efisiensi termal hanya bergantung pada suhu sumber panas dan dingin;
2) jam t(untuk siklus Carnot) semakin tinggi suhu sumber air panas (71) dan semakin rendah suhu sumber air dingin (72);
3) dalam siklus Carnot, efisiensi termal harus kurang dari satu. Karena jam t= 1 hanya dapat terjadi pada kasus T 2 / T 1 = 0, bila T 1 = 0, atau T 2 = 0 (atau T 2 = -273,15 o C). Suhu sumber dingin 72 pada mesin kalor sebenarnya biasanya bersuhu T 2 = 260 – 300 K(lingkungan). Suhu pemanas di tungku pembangkit listrik tenaga uap kira-kira 2000 K, dan di mesin pembakaran internal sekitar 2500 K, karena dinding silinder piston mesin ini didinginkan, dan produk pembakaran menjadi zat kerja. Hal ini menyiratkan pernyataan yang sama bahwa semua panas yang disuplai ke gas selama siklus tidak dapat sepenuhnya diubah menjadi kerja yang berguna; transisi ini harus disertai dengan hilangnya sebagian panas (diserap oleh sumber dingin);
4) dalam siklus Carnot efisiensi termal adalah nol dalam kasus T 1 = T 2 . Oleh karena itu, jika kesetimbangan termal dipertahankan dalam sistem, yaitu suhu semua benda dalam sistem adalah sama, maka konversi panas menjadi kerja berguna tidak mungkin dilakukan. Untuk siklus Carnot (langsung) benar: jam t= 1 – T 2 / T 1 = 1 – 1 = 0 pada T 1 = ? t = T 2 (jika suhu kedua sumber sama);
5) efisiensi termal? t mencirikan siklus Carnot yang dapat dibalik (proses melingkar). Semua proses nyata tidak dapat diubah, hal ini disebabkan oleh hilangnya energi (akibat perpindahan panas, gesekan, dll). Oleh karena itu, efisiensi termal siklus Carnot nyata (irreversible) selalu kurang dari 1 – T 2 /T 1 . Ciri utama dari siklus ini adalah bahwa siklus ini sama untuk gas ideal dan gas nyata biasa, jika suhunya diberikan ( T 1 , T 2) sumber. Pernyataan ini adalah intinya teorema Carnot, yang berbunyi: “Dalam mesin kalor untuk setiap siklus reversibel, efisiensi termal tidak akan bergantung pada sifat siklus atau jenis zat (fluida kerja).” Ini hanya akan ditentukan oleh rasio suhu pemanas (pemancar panas) dan lemari es (penerima panas). Dengan kata lain, dalam mesin kalor, untuk setiap siklus reversibel, efisiensi termal dihitung menggunakan rumus yang sama seperti yang ditentukan untuk siklus Carnot reversibel.
38. Perubahan entropi dalam proses
>Entropi adalah parameter keadaan yang bergantung pada pengurangan panas (rasio Q/ T). Perubahan entropi dihitung dengan menggunakan rumus:
dimana q 1.2 adalah jumlah panas yang disuplai ke fluida kerja atau dikeluarkan darinya;
Tav – suhu rata-rata panas yang disuplai (atau dihilangkan).
Hubungan ini menentukan perubahan entropi dari nilai entropi awal S 1 ke nilai akhir S 2
1) pada q 1.2 > 0 (panas disuplai ke fluida kerja), perubahan entropinya positif: S 2 – S 1 > 0, S 2 > S 1, karena suhu termodinamika rata-rata harus selalu positif, yaitu. Rata-rata> 0. Dengan kata lain, entropi benda meningkat;
2) pada pertanyaan 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) pada q 1.2 = 0 (proses adiabatik), perubahan entropi adalah nol: S 2 – S 1 = 0, S 2 = S 1 yaitu entropi benda tetap konstan. Suatu proses yang nilai entropinya tidak berubah disebut isentropik.
Untuk gas ideal kita memperoleh kesimpulan sebagai berikut.
1. Dalam proses isotermal, alih-alih T av, cukup dengan mensubstitusikan nilai suhu T ke dalam persamaan entropi, karena T 1 = T 2 = konstanta.
2. Perubahan entropi selama proses isokhorik sama dengan:
S 2 – S 1 = 2,3m? v catatan(T 2 / T 1).
3. Perubahan entropi selama proses isobarik sama dengan:
S 2 – S 1 = 2,3m? p catatan(T 2 / T 1).
Di mana? V – kapasitas panas spesifik dalam proses dengan volume konstan;
?P– kapasitas panas spesifik dalam suatu proses dengan tekanan konstan.
Dengan demikian, entropi dapat meningkat (menurun) ketika panas disuplai (dihilangkan) ke fluida kerja yang sewenang-wenang atau tetap tidak berubah tanpa adanya perpindahan panas. Saat menyelesaikan suatu siklus, entropi fluida kerja juga meningkat ketika menerima panas dari suatu sumber atau menurun ketika panas dilepaskan ke suatu sumber.
Dalam proses nyata, karena fenomena ireversibilitas, kinerja perangkat termal menurun. Ukuran kerugian tersebut adalah entropi: peningkatannya secara langsung bergantung pada hilangnya jumlah pekerjaan.
39. Prinsip peningkatan entropi dan pengertian fisika hukum kedua termodinamika
>Mari kita jelajahi konsep entropi sebagai fungsi keadaan:
Hukum kedua termodinamika dapat dirumuskan sebagai: Nilai entropi
mewakili diferensial penuh, yaitu fungsi keadaan.
Salah satu makna fisik entropi dapat disebut peningkatan pengorganisasian (ketertiban) suatu sistem dengan penurunan entropi.
Mari kita perhatikan fenomena peningkatan entropi dengan menggunakan contoh sistem terisolasi tertutup yang terdiri dari fluida kerja, sumber panas panas dan dingin yang membentuk lingkungan sistem. Peralihan sistem dari satu posisi ke posisi lain disertai dengan kerja, dan
dS >= 0,S 2 > S 1 .
Untuk sistem tertutup terisolasi, perubahan (kenaikan) entropi adalah positif (proses ireversibel) atau sama dengan nol (proses reversibel) untuk proses termodinamika yang berubah-ubah.
Untuk proses siklik mengubah panas menjadi kerja (non-spontan) SdS saya = 0 (proses reversibel) dan SD> 0 (proses ireversibel), oleh karena itu, dalam sistem yang terisolasi, entropi meningkat.
Pernyataan ini disebut prinsip peningkatan entropi.
Ekspresi matematis hukum kedua termodinamika dalam bentuk diferensial ditulis sebagai berikut:
dimana tanda sama dengan digunakan untuk proses reversibel, dan tanda pertidaksamaan digunakan untuk proses ireversibel.
Dari persamaan ini jelas bahwa kenaikan entropi total bergantung pada suhu. Diketahui bahwa dengan meningkatnya suhu fluida kerja, jumlah panas yang dapat diubah menjadi kerja meningkat. Dengan kata lain, nilai energi panas meningkat. Jadi, entropi melalui suhu menentukan jumlah panas yang diubah menjadi kerja, yang membuktikan hubungannya dengan hukum kedua termodinamika. Hukum ini mendefinisikan kondisi untuk mengubah panas menjadi kerja yang berguna.
Fungsi eksergetik ekspresi disebut yang memungkinkan seseorang menghitung nilai eksergi.
40. Entropi dan sifat statis hukum kedua termodinamika
>Diketahui bahwa dalam teori mekanika, hukum dinamis digunakan untuk mempelajari pergerakan molekul individu. Teori kinetik molekul berbeda dengan teori mekanika karena teori ini mempelajari sistem yang terdiri dari sejumlah besar molekul. Pergerakan partikel yang kacau dalam sistem tersebut mematuhi hukum (statistik) yang berbeda. Meskipun pergerakan setiap molekul dijelaskan oleh hukum mekanika, seluruh kumpulan partikel tidak dipertimbangkan dalam teori mekanika, perilakunya dipelajari oleh fisika statistik. Faktanya adalah bahwa untuk semua partikel, nilai rata-rata karakteristiknya ditetapkan - kecepatan rata-rata, energi rata-rata, dll. (suhu rata-rata, tekanan rata-rata).
Dalam kondisi statistik seperti itu, rata-rata karakteristik keberadaan keadaan termodinamika suatu zat (misalnya gas) tidak sepenuhnya diperlukan, tetapi hanya memiliki probabilitas tertentu.
Contoh paling sederhana adalah kasus persamaan kecepatan semua molekul gas sebagai probabilitas terendah keberadaan suatu zat. Mari kita nyatakan probabilitas tersebut secara kondisional dengan nilai kuantitas. Dalam kasus kecepatan yang tidak sama, kemungkinan jumlah kombinasinya besar, dan keberadaan keadaan di mana kecepatan partikel tidak sama memiliki probabilitas. W> W0, dan perbedaan ini cukup signifikan. Dengan demikian, probabilitas termodinamika besarannya disebut:
nilainya jauh lebih besar daripada satu, dan oleh karena itu disebut juga bobot statistik keadaan termodinamika. Fisika statistik juga membangun hubungan antara probabilitas termodinamika dan entropi sistem.
Ketergantungan langsung entropi pada logaritma probabilitas termodinamika ditentukan oleh ekspresi:
Di mana R– Konstanta Clayperon;
N 0 – Konstanta Avogadro.
Besaran K adalah konstanta (atau konstanta) Boltzmann.
Akibatnya, dengan meningkatnya entropi, kemungkinan terjadinya keadaan termodinamika tertentu meningkat. Selain itu, keadaan yang paling mungkin terjadi pada nilai entropi maksimum.
41. Persamaan keadaan Van der Waals
>Dalam kasus umum, untuk gas nyata, ketika menghitung parameter keadaan, tidak mungkin menggunakan persamaan keadaan pv = RT,
yang berlaku untuk gas ideal.
Persamaan umum keadaan gas nyata.
di mana koefisiennya B saya – disebut virus. Koefisien ini merupakan fungsi dari suhu molekul gas nyata dan energi potensial interaksinya.
Dalam definisi B Saya– koefisien dihitung hanya untuk dua suku pertama deret tersebut, koefisien virial yang tersisa dibuang.
Maka persamaan keadaan gas nyata berbentuk sebagai berikut:
Di mana A Dan DI DALAM– dua koefisien virial pertama, hanya bergantung pada suhu.
Dalam kasus khusus (densitas gas rendah), persamaannya berbentuk:
Jika B 1 = f(T, kamu potensial), maka persamaannya menjadi persamaan keadaan gas van der Waals nyata:
Di mana B– volume minimum yang dapat diperoleh gas nyata selama kompresi;
A– koefisien yang bukan merupakan fungsi dari parameter keadaan.
Untuk gas yang berbeda nilainya A Dan B berbeda.
Dengan kata lain, persamaan van der Waals merupakan kasus khusus dari hukum Bogolyubov-Mayer, yang mana semua suku 1/v di atas derajat kedua diabaikan. Jika gas nyata memiliki massa jenis yang tinggi, maka persamaan jenis ini akan berlaku untuk lebih banyak suku dalam deret tersebut. Dalam hal ini, persamaan keadaan gas nyata memberikan akurasi perhitungan yang dapat diterima dalam praktiknya.
42. Persamaan keadaan gas nyata oleh M. N. Vukalovich dan I. I. Novikov
>Persamaan universal yang menggambarkan keadaan gas nyata diperoleh pada tahun 1939 oleh para ilmuwan Rusia I.I.Novikov Dan M.N.Vukalovich. Di dalamnya
fenomena interaksi gaya molekul (asosiasi, disosiasi) telah diperhitungkan dan secara umum ditulis dalam bentuk:
Di mana A Dan DI DALAM– koefisien dihitung menggunakan rumus:
Di mana A Dan B– untuk gas nyata, besaran konstan dalam persamaan keadaan;
R– konstanta gas universal; r, c, k, m 1, m 2 – koefisien yang menyatakan derajat asosiasi.
Jika tidak, persamaan Vukalovich-Novikov dapat direpresentasikan sebagai:
Di mana A Dan B– nilai konstanta dalam persamaan van der Waals; m, c– konstanta, dihitung secara empiris.
Secara umum, parameter utama untuk uap super panas (mirip dengan gas) adalah parameter keadaan seperti suhu, tekanan dan volume spesifik. Uap super panas memiliki sifat yang mirip dengan gas ideal, karena parameternya terletak jauh dari titik kritis dan dari kurva batas (kurva atas pada diagram). Jika tekanan uap super panas tidak terlalu tinggi, maka persamaan keadaannya dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan van der Waals untuk kasus gas nyata, dengan melakukan koreksi padanya.
Untuk uap air, persamaan keadaan M.N. Vukalovich dan I.I. Novikov dalam termodinamika modern adalah persamaan yang paling akurat. Selain itu, ini juga dapat digunakan untuk menghitung keadaan uap super panas (tergantung pada perhitungan tekanan), jika Anda menambahkan beberapa suku persamaan berikutnya ke dalamnya.
43. Turunan parsial dari parameter keadaan. Koefisien termal
>Sifat-sifat zat nyata dijelaskan koefisien termal.
Definisi 1. Koefisien ekspansi volumeA adalah perubahan volume suatu zat bila suhunya dinaikkan satu derajat.
– turunan parsial dari parameter keadaan.
Ini mencirikan perubahan volume suatu zat dengan massa tertentu jika suhunya meningkat satu derajat dan tekanan luarnya tetap.
Definisi 2. Koefisien tekanan termalB disebut perubahan tekanan yang bergantung pada perubahan suhu zat. Nilai ini juga relatif dan dihitung sebagai:
– turunan parsial, mencirikan perubahan tekanan P, Jika suhu suatu zat bertambah satu derajat dan volumenya tetap, maka tekanannya P adalah fungsi suhu.
Definisi 3. Koefisien kompresibilitas isotermalG disebut perubahan volume yang bergantung pada perubahan tekanan.
– turunan parsial, mencirikan perubahan volume suatu zat jika tekanan berubah sebesar satu satuan.
44. Sifat-sifat fungsi karakteristik
>Fungsi yang menjelaskan sifat termodinamika apa pun disebut fungsi karakteristik atau potensi termodinamika sistem. Fungsi karakteristik yang paling penting adalah: entalpi
Saya= Saya(S, hal),
energi dalam
kamu= kamu(S,v),
potensi isobarik-isotermal, atau entalpi bebas,
Z= Z(T,p),
potensi isokhorik-isotermal, atau energi bebas,
F= F(Televisi).
Ke yang utama sifat-sifat fungsi karakteristik termasuk yang berikut ini.
1. Potensi termodinamika berbeda dari fungsi lain karena memiliki struktur yang lebih sederhana dan makna fisis tertentu.
2. Parameter keadaan sistem sama dengan turunan parsial potensial termodinamika, diambil berdasarkan parameter yang sama.
3. Sebagai hasil diferensiasi potensial termodinamika, diperoleh diferensial total fungsi ini.
4. Dengan menggunakan fungsi karakteristik yang ditulis dalam bentuk diferensial, Anda dapat memperoleh parameter termodinamika sistem apa pun.
5. Potensi termodinamika seluruh sistem terdiri dari nilai potensial bagian-bagiannya, yaitu mempunyai sifat aditif.
6. Fungsi karakteristik menetapkan hubungan antara berbagai sifat termodinamika suatu zat. Jadi, misalnya, turunan pertama dari potensial mencirikan sifat termal (yaitu besaran yang diukur langsung dengan instrumen - volume, suhu, tekanan), dan turunan kedua sesuai dengan sifat kalori sistem (ini adalah besaran yang dinyatakan dalam satuan panas - kapasitas panas, entropi, entalpi, energi dalam).
7. Turunan parsial dari fungsi karakteristik memungkinkan penyusunan persamaan kapasitas panas Cv Dan C hal, persamaan keadaan dan ketergantungan termodinamika lainnya.
8. Fungsi tersebut hanya bersifat karakteristik untuk parameter tertentu. Ketika memilih variabel lain, ia kehilangan sifat-sifatnya, karena dalam hal ini turunan parsial tidak menyatakan sifat termodinamika sistem.
45. Potensi kimia
>Energi kimia Ini adalah energi yang terbentuk sebagai hasil interaksi kimia dan merupakan bagian dari energi internal suatu zat. Reaksi kimia dibagi menjadi eksotermik (berlangsung dengan pelepasan energi) dan endotermik (disertai penyerapannya).
Dalam kasus reaksi kimia, energi internal sistem berubah, seiring dengan perubahan penyerapan atom dalam zat reaktan. Untuk proses seperti itu, kita dapat menerapkan hukum pertama termodinamika dalam bentuk:
kamu 1 -kamu 2 =?kamu=Q+A,
Di mana Q– jumlah panas;
DU – perubahan energi internal suatu zat;
A– pekerjaan yang bermanfaat, termasuk pekerjaan untuk mengatasi berbagai gaya elektromagnetik.
Usaha yang dilakukan pada reaksi kimia reversibel adalah maksimum. Hal ini dinyatakan dengan menggunakan persamaan Gibbs-Helmholtz:
Mari kita pertimbangkan potensi kimia dari reaksi tersebut. Dalam kasus reaksi kimia, massa reaktan tidak konstan; massa dapat didefinisikan sebagai suatu fungsi T(jumlah zat) dari parameter dasar (v, hal, T, F, S, kamu dll). Mari kita bedakan persamaannya:
Di mana kamu– sejumlah energi dalam tertentu, kita mempunyai:
dU = mdu + udm,
f = kamu– ST+ hal= Saya– ST
J– potensi kimia.
Tetapi, potensi kimia disebut turunan parsial terhadap massa, diambil dari sembarang potensial termodinamika pada nilai argumen tertentu. Potensi kimia menunjukkan bagaimana energi suatu zat berubah jika massanya berubah sebesar satu.
46. Persamaan diferensial dasar termodinamika
>Persamaan diferensial dalam termodinamika digunakan untuk mempelajari gas nyata dalam perhitungan teoritis (dan praktis).
Mari kita perhatikan kasus berikut.
1. Variabel bebasnya adalah parameter p, V.
Ini adalah hukum pertama termodinamika dalam bentuk diferensial.
2. Variabel bebas adalah parameter r, T.
dan perbedaan volume total berbentuk:
3. Variabel bebas adalah parameter V, T.
4. Kapan P= konstanta kapasitas panas
pada ay= konstanta kapasitas panas
47. Turunan parsial terhadap volume, tekanan, suhu
>1. Turunan parsial terhadap volume:
Ini adalah turunan parsial volume yang diambil dari nilai energi dalam. 2. Turunan parsial terhadap tekanan.
Mari kita substitusikan nilainya dQ sehubungan dengan dS = dQ/ T, kita mendapatkan:
Ini adalah turunan parsial tekanan yang diambil dari nilai energi dalam. 3. Turunan parsial terhadap suhu.
Ini adalah turunan parsial suhu yang diambil dari nilai energi dalam.
48. Persamaan kontinuitas
>Menurut teori aliran gas, aliran gas dalam kasus stasioneritas ditentukan dengan menggunakan sistem persamaan khusus. Ini mencakup rasio berikut:
1) persamaan energi aliran gas;
2) persamaan keadaan;
3) persamaan kontinuitas aliran gas.
Persamaan energi mengikuti dari awal pertama
termodinamika untuk aliran gas.
Persamaan kontinuitas perbandingannya disebut:
Gv = Fw.
Oleh karena itu, dalam kasus aliran gas tunak di setiap bagian aliran, laju aliran gas menurut massa adalah nilai konstan. Jika tidak, persamaan ini dapat ditulis sebagai:
G=pFw =p 1 F 1 w 1 =P 2 F 2 w 2 =konstan,
Di mana R 1 ,r 2 , r= 1/v densitas gas pada penampang melintang;
F 1, F 2– luas penampang aliran;
w 1, w 2– kecepatan aliran, diukur dalam luas penampang.
Dalam hal ini, ada dua bagian aliran (1 dan 2), dan nilainya G dari persamaan ini disebut laju aliran massa gas (per detik).
Seperti yang Anda ketahui, hukum kedua Newton menyatakan: “Gaya ditentukan oleh hasil kali massa dan percepatan.” Jika aliran gas satu dimensi, maka hukum kedua sebagai berikut:
Dalam hubungan ini, setiap istilah mempunyai makna fisik tertentu. Mari kita lihat setiap faktor dalam persamaan tersebut.
1. Besaran
menunjukkan bagaimana tekanan berubah tergantung pada koordinat X.
2. Besaran
menunjukkan bagaimana kecepatan berubah tergantung pada koordinat X.
3. Rasio
sama dengan gaya yang diterapkan pada volume dasar, dV adalah volume yang dipilih.
4. Besaran
gas sama dengan percepatan massa pdV(massa unsur).
49. Mendorong pekerjaan
>Mendorong pekerjaan. Untuk menentukannya dalam persamaan:
mari kita ganti persamaannya saya = kamu + pv, kita mendapatkan hasilnya:
dimana d(pv) adalah usaha mendorong yang dihitung untuk volume dasar,
d(pv) = pdv+vdp– persamaan untuk pekerjaan dasar.
Hubungan (2), termasuk gaya gravitasi, berbentuk:
Dalam kasus ketika aliran gas direpresentasikan sebagai proses adiabatik di mana dq = 0, relasi (1) ditulis sebagai berikut:
Pada gerak aliran adiabatik, jumlah energi kinetik spesifik dan entalpi spesifik bernilai konstan.
Jika kerja teknis terjadi dalam proses tersebut, maka untuk aliran gas hukum pertama termodinamika akan berbentuk:
Di mana dl Tek– pekerjaan yang bermanfaat (dasar).
50. Pekerjaan yang tersedia selama aliran gas keluar
>Mari kita pelajari proses pergerakan (aliran keluar) suatu aliran gas.
Misalkan ada suatu wadah tertentu; di dalamnya terdapat uap atau gas (yaitu fluida kerja) yang mempunyai parameter keadaan berupa nilai f 1, v 1, p 1. Dari bejana yang dindingnya berlubang, gas mengalir ke lingkungan. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan tekanan (p 1 – p 2), saluran keluar gas mempunyai tekanan p 1< p 2 Соответственно температура газа при этом равна t2, dan volume spesifiknya adalah v 2 Agar aliran gas yang keluar mendapat arah tertentu, nozel silinder (disebut nozel) ditempatkan di bagian luar bejana ke permukaan tempat lubang berada. Paling sering mereka memiliki bentuk kerucut terpotong, meruncing ke arah tepi luar. Nozel seperti itu disebut pengacau. Dalam kasus saluran yang beroperasi sesuai dengan proses sebaliknya, nosel tersebut adalah diffuser. Mulut adalah bagian luar (yaitu, pintu keluar) dari nosel.
Mari kita nyatakan kecepatan pancaran gas di pintu keluar mulut dengan nilai dan di pintu masuk bejana dengan nilai W 1 (gas masuk), sedangkan nosel memiliki lubang, yang penampangnya ditentukan oleh daerah f. Dalam praktiknya w 1 apalagi w2, Saat menghitung, diabaikan dan diterima: w 1= 0, w 2= w.
dq = du + dA,
Di mana dA = pdv – kerja pemuaian, atau kerja dasar yang dilakukan oleh gas itu sendiri. Dari sini:
Jadi, sebagai akibat dari keluarnya gas, kita mempunyai usaha yang sama Sebuah 0 . Secara numerik, ini sama dengan peningkatan energi kinetik selama aliran keluar, atau jumlah kerja mendorong dan melawan gaya eksternal.
51. Kecepatan aliran keluar dalam saluran meruncing, kecepatan aliran massa
>Kecepatan aliran keluar dalam saluran yang meruncing
Mari kita perhatikan proses aliran materi secara adiabatik. Mari kita asumsikan bahwa suatu fluida bekerja dengan volume tertentu (ayat 1) berada dalam tangki pada tekanan tertentu (hal 1). Proses aliran keluar melibatkan pergerakan gas (atau uap) dari media di bawah tekanan hal 1(reservoir) ke dalam lingkungan, tekanan di dalamnya hal2< p 1 . Pada saat yang sama, selama proses aliran zat kerja dari nosel, tekanan di dalam tangki praktis tidak berkurang, hal ini dapat diterima dalam kasus volume tangki yang sangat besar. Ketika aliran gas (uap) bergerak melalui nosel, energi potensialnya sangat kecil dan perubahannya biasanya diabaikan. Dalam hal ini energi kinetiknya bertambah.
Di mana w 1– kecepatan pergerakan aliran zat di bagian saluran masuk nosel;
w 2– kecepatan di pintu keluar nosel.
laju aliran gas (uap). dari nozel.
Paling sering kecepatan w 1 kecepatan jauh lebih sedikit w 2(W1 << W2), oleh karena itu diabaikan dan dianggap W 1 = 0.
Kecepatan aliran massa relasinya disebut:
Di mana G c– konsumsi uap (gas) kedua;
S – luas penampang aliran;
R– kepadatan fluida kerja.
52. Keluarnya tetesan cairan. Aliran massa
>Usaha yang tersedia untuk setiap zat yang merupakan fluida kerja ditentukan dengan rumus:
saya 0 = q+(saya 1 – saya 2).
Jika alirannya adiabatik (at Q= 0)
Di mana Saya– entalpi (J/kg);
W2 = w– kecepatan aliran keluar (m/s).
Besaran Di = i 1 – i 2 yang sama dengan selisih entalpi disebut kehilangan panas gas (uap).
dan untuk cairan tetesan persamaan berikut berlaku:
Di mana w– kecepatan aliran fluida dari nosel.
Aliran massa adalah jumlah zat yang mengalir melalui nozel per detik. Ini sama dengan rasio volume kedua aliran keluar suatu zat (gas) U2 dengan volume spesifik zat yang sama sesuai dengan tekanannya hal2:
aliran massa (ditentukan juga dari persamaan kontinuitas: Gv = Sw).
53. Kecepatan kritis
>Analisis rumus kecepatan aliran keluar menunjukkan bahwa semakin kecil nilai p 2 /p 1 maka kecepatan aliran semakin besar. Hal ini dimungkinkan, misalnya jika pi = konstanta dan tekanan hal2 berkurang.
Dari percobaan diketahui bahwa tekanan pada saluran keluar nosel konvergen (atau nosel dengan penampang konstan) p 2 hanya dapat dikurangi hingga nilai batas tertentu, yang disebut tekanan kritis (p kritis). Pada saat yang sama rasio tekanan kritis disebut kuantitas B= p kritis /p 1, maka P k = bp 1
Akibat penurunan tekanan p 0 (lingkungan luar) di hal 1= const dua kasus mungkin terjadi:
1) p o >= P k, yaitu, ketika tekanan p o berkurang ke nilai kritis, persamaan tetap diperhatikan hal2= p o dimana p 2 adalah tekanan zat pada saluran keluar nosel konvergen, p o adalah tekanan lingkungan luar;
2) hal tentang< P к, т. е. дальнейшее падение давления p o среды ниже критического значения определяется равенством p 2 = pk, dan tekanan p 2 zat yang mengalir adalah konstan (hal2= konstanta).
Jadi, fenomena dimana tekanan pada mulut nosel konstan dan tidak berkurang disebut dengan menutup nosel. Oleh karena itu, tekanan pada saluran keluar nosel, yang tidak dapat diturunkan dengan mengurangi tekanan lingkungan luar tempat fluida kerja mengalir, disebut kritis(P 2k).
Terlepas dari penurunan tekanan sekitar halo di mulut nosel konvergen di bk tekanan P 2k diatur = const, yang sesuai dengan G max = const (aliran massa), minggu= const (kecepatan kadaluwarsa), karena= const (suhu), dan v 2 k= const (volume spesifik), yaitu keteguhan semua parameter pada pintu keluar nosel (yang disebut parameter keluaran).
Dalam rumus yang dihasilkan, a, Y adalah koefisien yang hanya ditentukan oleh nilai k(eksponen adiabatik), nilainya ditemukan dari tabel khusus.
Menurut definisi kecepatan kritis disebut kecepatan tertinggi suatu zat ketika mengalir keluar dari nosel, tidak melebihi kecepatan suara, yaitu. wk =a, Di mana A– yang disebut kecepatan suara lokal.
Rumus yang dihasilkan disebut persamaan Laplace.
54. Aliran gas ideal melalui nosel gabungan Laval
>Nozel lava digunakan untuk membuat proses aliran keluar fluida kerja superkritis, yang kondisinya adalah p o /p 1 < b k В нем выделяют три основные области.
1. Bagian pendek yang meruncing dan kecepatan alirannya subsonik.
2. Bagian sempit tempat materi bergerak dengan kecepatan suara.
3. Memperluas nosel berbentuk kerucut (kecepatan aliran supersonik).
Kondisi utama untuk memilih dimensi bagian lebar nosel Laval untuk aliran keluar fluida kerja adalah kontinuitasnya dari dinding nosel. Oleh karena itu, sudut bukaan kerucut harus memiliki batas 12 o, hal ini membantu menghilangkan kerugian yang signifikan akibat pemuaian gas (uap).
Mari kita perhatikan proses yang terjadi selama pengoperasian nosel gabungan. Dalam kasus ketika tekanan eksternal halo< pk, kecepatan aliran dan tekanan pada bidang sempit nozel adalah kritis.
Desain nosel Laval memungkinkan setiap rasio o< halo/hal 1< B memperoleh pemuaian sempurna zat dalam batas nilai tekanan. Dalam hal ini, tidak ada energi yang hilang di bagian keluar nosel, dan ketika tekanan fluida kerja dan lingkungan eksternal disamakan, kecepatan aliran menjadi supersonik, yang diperlukan untuk penggunaan nosel dalam praktik. Dalam hal ini, laju aliran massa menjadi maksimum; nilainya tergantung pada luas penampang terkecil nosel (S min).
Di bagian sempit nosel (disebut leher), nilai kritis parameter V k, T k, p k, w k = w suara, G max ditetapkan (di mana W suara adalah kecepatan suara lokal). Pergerakan aliran sepanjang bagian yang mengembang dicirikan oleh fakta bahwa gas mengembang lebih jauh dalam batas [p 2k, p 1], kecepatannya meningkat dalam interval (yaitu, ke nilai w> W suara), yang menyebabkan penurunan tekanan, tetapi pada saat yang sama volume spesifik meningkat (yaitu. ay>v k , P< p k).
Bagian nosel yang melebar dapat berfungsi sebagai diffuser jika berada pada bidang yang sempit w< w зв (для p o / p 1 > bk).
55. Pembatasan gas dan persamaan proses
>Untuk uap air suhu kritisnya adalah Tk= 647 K, masing-masing, T inv> 4400 K (suhu inversi). DI DALAM proses pembatasan Pendinginan uap air selalu terjadi; hal ini disebabkan oleh disosiasi lengkap molekul uap pada nilai suhu inversi tertentu yang tidak terlalu tinggi.
Pelambatan uap air dicirikan oleh sifat-sifat berikut yang diperoleh dari analisis diagram (i, s):
1) untuk keadaan uap apa pun, pelambatan selalu menurunkan suhu uap air;
2) pelambatan uap basah pada tekanan rendah disertai dengan transisi dari keadaan lembab ke kering, dan kemudian ke keadaan super panas. Uap basah pada tekanan tinggi awalnya dibasahi lebih lanjut, tetapi kemudian juga membentuk fase kering dan super panas;
3) pelambatan uap super panas pada tekanan tinggi (jika suhu superheating rendah) disertai dengan melewati beberapa fase (kering jenuh, basah, kering, dan terakhir super panas). Keadaan uap yang terakhir ditandai dengan suhu dan tekanan yang rendah. Secara umum, selama throttling, uap super panas akan mempertahankan keadaan super panasnya jika tekanannya tinggi pada awal proses.
Biasanya, pada diagram is, proses pembatasan i 1 = i 2 adalah garis horizontal yang diarahkan ke peningkatan entropi (karena proses tersebut tidak dapat diubah).
Diketahui bahwa tekanan uap super panas (dan kerja bergunanya) menurun selama proses penghancuran.
dan neraka< a дрос, где а дрос - температурный эффект адиабатного необратимого расширения (т. е. дросселирования), а а ад – эффект адиабатного обратимого расширения. Отсюда при одном давлении dp kami memiliki:
dT sampah< dT ад на величину v/cp.
56. Perpindahan panas melalui dinding bola
>Misalkan ada bola berongga dengan jari-jari dalam dan luar masing-masing r 1 dan r 2, koefisien konduktivitas termal SAYA yang konstan. Untuk kondisi batas jenis ketiga tertentu, koefisien perpindahan panas pada permukaan bola juga akan ditentukan sebuah 1 Dan sebuah 2 dan suhu lingkungan internal dan eksternal masing-masing Tl 1 dan Tl 2. Kemungkinan sebuah 1 ,sebuah 2 akan konstan terhadap waktu, dan suhu Tl 1, Tl 2 akan konstan baik terhadap waktu maupun di permukaan.
Dalam mode perpindahan panas stasioner, fluks panas total Q yang ditransfer melalui dinding bola seragam dari media panas ke media dingin akan konstan untuk semua permukaan isotermal dan dapat ditentukan dengan tiga persamaan.
dimana d 1 ,d 2 – diameter dalam dan luar bola;
sebuah 1 ,sebuah 2 koefisien perpindahan panas dari media panas ke dinding dan dari dinding ke media dingin;
SAYA– koefisien konduktivitas termal bahan dinding;
T 1, T 2 – suhu dinding bagian dalam dan luar.
dimana DT = Tzh 1 – Tzh 2 – perbedaan suhu total;
K sh– koefisien perpindahan panas dinding bola (W/derajat).
Tekanan parsial setiap gas yang termasuk dalam campuran adalah tekanan yang akan dihasilkan oleh gas dengan massa yang sama jika gas tersebut menempati seluruh volume campuran pada suhu yang sama.
Di alam dan teknologi, kita sering kali berurusan tidak hanya dengan satu gas murni, namun dengan campuran beberapa gas. Misalnya udara merupakan campuran nitrogen, oksigen, argon, karbon dioksida dan gas lainnya. Tekanan campuran gas bergantung pada apa?
Pada tahun 1801, John Dalton menetapkan hal itu tekanan suatu campuran beberapa gas sama dengan jumlah tekanan parsial semua gas yang menyusun campuran tersebut.
Hukum ini disebut hukum tekanan parsial gas
Hukum Dalton Tekanan parsial setiap gas yang termasuk dalam campuran adalah tekanan yang akan dihasilkan oleh gas bermassa sama jika gas tersebut menempati seluruh volume campuran pada suhu yang sama.
Hukum Dalton menyatakan bahwa tekanan campuran gas (ideal) adalah jumlah dari tekanan parsial komponen-komponen campuran tersebut (tekanan parsial suatu komponen adalah tekanan yang akan diberikan suatu komponen jika komponen itu sendiri yang menempati seluruh ruang yang ditempati. oleh campuran). Hukum ini menunjukkan bahwa setiap komponen tidak dipengaruhi oleh keberadaan komponen lain dan sifat-sifat komponen dalam campuran tidak berubah.
Dua hukum Dalton
>Hukum 1 Tekanan campuran gas sama dengan jumlah tekanan parsialnya. Oleh karena itu, tekanan parsial suatu komponen campuran gas sama dengan hasil kali tekanan campuran dan fraksi mol komponen tersebut.
Hukum 2 Kelarutan suatu komponen campuran gas dalam suatu cairan pada suhu konstan sebanding dengan tekanan parsial komponen tersebut dan tidak bergantung pada tekanan campuran dan sifat komponen lainnya.
Undang-undang tersebut dirumuskan oleh J. Dalton resp. pada tahun 1801 dan 1803.
Persamaan Hukum Dalton
>Seperti telah disebutkan, masing-masing komponen campuran gas dianggap independen. Oleh karena itu, setiap komponen menciptakan tekanan:
\[ p = p_i k T \quad \kiri(1\kanan), \]
dan tekanan total sama dengan jumlah tekanan komponen:
\[ p = p_(01) k T + p_(02) k T + \cdots + p_(i) k T = p_(01) + p_(02) + \cdots + p_(i) \quad \kiri( 2\kanan),\]
dimana \(p_i\) adalah tekanan parsial komponen gas i. Persamaan ini adalah hukum Dalton.
Pada konsentrasi tinggi dan tekanan tinggi, hukum Dalton tidak terpenuhi secara pasti. Karena terjadi interaksi antar komponen campuran. Komponen-komponen tersebut tidak lagi berdiri sendiri. Dalton menjelaskan hukumnya menggunakan hipotesis atomistik.
Misalkan terdapat i komponen dalam campuran gas, maka persamaan Mendeleev-Cliperon akan berbentuk:
\[ ((p)_1+p_2+\titik +p_i)V=(\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)((\mu )_2)+\titik +\frac(m_i )((\mu )_i))RT\ \quad \kiri(3\kanan), \]
dimana \(m_i\) adalah massa komponen campuran gas, \((\mu )_i\) adalah massa molar komponen campuran gas.
Jika Anda masuk \(\kiri\langle \mu \kanan\rangle \) seperti yang:
\[ \frac(1)(\kiri\langle \mu \kanan\rangle )=\frac(1)(m)\kiri[\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)( (\mu )_2)+\titik +\frac(m_i)((\mu )_i)\kanan] \quad \kiri(4\kanan), \]
kemudian kita tulis persamaan (3) dalam bentuk:
\[ pV=\frac(m)(\kiri\langle \mu \kanan\rangle )RT \quad \kiri(5\kanan). \]
Hukum Dalton dapat dituliskan sebagai:
\[ p=\jumlah\batas^N_(i=1)(p_i)=\frac(RT)(V)\jumlah\batas^N_(i=1)((\nu )_i)\ \quad \kiri (6\kanan). \]
\[ p_i=x_ip\ \quad \kiri(7\kanan), \]
Di mana \(x_i-molar\ konsentrasi\ dari ke-i\) gas dalam campuran, sedangkan:
\[ x_i=\frac((\nu )_i)(\jumlah\batas^N_(i=1)(n_i))\ \quad \kiri(8\kanan), \]
dimana \((\nu )_i \) adalah jumlah mol gas \(i-th \) dalam campuran.
Javascript dinonaktifkan di browser Anda.Untuk melakukan penghitungan, Anda harus mengaktifkan kontrol ActiveX!
Campuran gas berada dalam keadaan setimbang jika konsentrasi komponen dan parameter keadaannya di seluruh volume mempunyai nilai yang sama. Dalam hal ini temperatur semua gas yang termasuk dalam campuran adalah sama dan sama dengan temperatur campuran T cm.
Dalam keadaan setimbang, molekul-molekul setiap gas tersebar secara merata di seluruh volume campuran, yaitu, mereka memiliki konsentrasi spesifiknya sendiri dan, oleh karena itu, tekanannya sendiri. R Saya, Pa, yang disebut sebagian . Ini didefinisikan sebagai berikut.
Tekanan parsial sama dengan tekanan suatu komponen tertentu, asalkan komponen tersebut menempati seluruh volume yang dimaksudkan untuk campuran pada suhu campuran T cm .
Menurut hukum kimiawan dan fisikawan Inggris Dalton, yang dirumuskan pada tahun 1801, tekanan campuran gas ideal p cm sama dengan jumlah tekanan parsial komponen-komponennya p Saya :
Di mana N– jumlah komponen.
Ekspresi (2) disebut juga hukum tekanan parsial.
3.3. Berkurangnya volume suatu komponen campuran gas. Hukum Amag
>Menurut definisinya, volumenya berkurang Saya komponen campuran gas V Saya, m3, adalah volume yang dapat ditempati oleh satu komponen ini, asalkan tekanan dan suhunya sama dengan tekanan dan suhu seluruh campuran gas.
Hukum fisikawan Perancis Amag, yang dirumuskan sekitar tahun 1870, menyatakan: jumlah volume tereduksi semua komponen suatu campuran sama dengan volume campuran.V cm :
, m 3. (3)
3.4. Komposisi kimia campuran gas
>Komposisi kimia campuran gas dapat ditentukan tiga berbeda cara.
Misalkan campuran gas terdiri dari n komponen. Campuran menempati volume V cm, m 3, mempunyai massa M cm, kg, tekanan R cm, Pa dan suhu T cm, K. Juga, jumlah mol campuran adalah N cm, tahi lalat. Pada saat yang sama, massanya adalah satu Saya komponen ke- M Saya, kg, dan jumlah mol komponen ini ν Saya, tikus tanah.
Jelas bahwa:
, (4)
. (5)
Dengan menggunakan hukum Dalton (2) dan hukum Amag (3) untuk campuran yang ditinjau, kita dapat menulis:
, (6)
, (7)
Di mana R Saya– tekanan parsial Saya komponen ke-, Pa; V Saya– volume berkurang Saya komponen ke-, m3.
Jelasnya, komposisi kimia campuran gas dapat ditentukan berdasarkan massa, mol, atau fraksi volume komponen-komponennya:
, (8)
, (9)
, (10)
Di mana G Saya , k Saya Dan R Saya– fraksi massa, mol dan volume Saya komponen campuran masing-masing (nilai tak berdimensi).
Jelas bahwa:
,
,
. (11)
Seringkali dalam praktiknya, komposisi kimia suatu campuran tidak ditentukan dalam pecahan Saya komponen, dan persentasenya.
Misalnya, dalam teknik pemanasan, diasumsikan bahwa udara kering terdiri dari 79 persen volume nitrogen dan 21 persen volume oksigen.
Persen Saya Komponen ke dalam campuran dihitung dengan mengalikan bagiannya dengan 100.
Misalnya dengan udara kering kita akan mendapatkan:
,
. (12)
Di mana
Dan
– fraksi volume nitrogen dan oksigen di udara kering; N 2 dan O 2 – sebutan persentase volume nitrogen dan oksigen, masing-masing, % (vol.).
Catatan:
1)Fraksi mol campuran ideal secara numerik sama dengan fraksi volume:k Saya = R Saya . Mari kita buktikan.
Menggunakan definisi fraksi volume(10)dan hukum Amag (3) kita dapat menulis:
, (13)
Di manaV Saya – volume berkurangSayakomponen ke-, m 3 ; ν Saya – jumlah molSayakomponen ke, mol; – volume satu molSayakomponen pada tekanan campuran p cm dan suhu campuran T cm , M 3 /mol.
Dari hukum Avogadro (lihat paragraf 2.3 lampiran ini) dapat disimpulkan bahwa pada suhu dan tekanan yang sama, satu mol gas (komponen campuran) menempati volume yang sama. Khususnya di T cm dan hal cm itu akan menjadi volume tertentuV 1 , M 3 .
Hal ini memungkinkan kita untuk menulis persamaan:
. (14)
Mengganti(14)V(13)kami mendapatkan apa yang kami butuhkan:
. (15)
2)Fraksi volume komponen campuran gas dapat dihitung dengan mengetahui tekanan parsialnya. Mari kita tunjukkan.
Mari kita pertimbangkanSaya-komponen campuran gas ideal dalam dua keadaan berbeda: ketika berada pada tekanan parsial p Saya ; ketika ia menempati volumenya yang berkurangV Saya .
Persamaan keadaan gas ideal berlaku untuk semua keadaannya, khususnya untuk dua keadaan yang disebutkan di atas.
Sesuai dengan ini, dan dengan mempertimbangkan definisi volume spesifik, kita dapat menulis:
, (16)
,
(17)
Di manaR Saya – konstanta gasSayakomponen campuran, J/(kg K).
Setelah membagi kedua bagiannya(16)Dan(17)satu sama lain kami mendapatkan yang diperlukan:
. (18)
Dari(18)terlihat bahwa tekanan parsial komponen-komponen campuran dapat dihitung dari komposisi kimianya, dengan diketahui tekanan total campuran p cm :
. (19)
Mengirimkan karya bagus Anda ke basis pengetahuan itu mudah. Gunakan formulir di bawah ini
>Pelajar, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.
Diposting pada http://www.allbest.ru/
Perkenalan
Rekayasa termal adalah ilmu yang mempelajari metode memperoleh, mengubah, mentransfer dan menggunakan panas, serta prinsip-prinsip operasi dan fitur desain mesin, peralatan, dan perangkat panas. Panas digunakan di semua bidang aktivitas manusia.
Untuk menetapkan cara paling rasional dalam menggunakannya, menganalisis efisiensi proses kerja instalasi termal dan menciptakan jenis unit termal baru yang paling canggih, perlu untuk mengembangkan landasan teoretis teknik pemanas. Ada dua arah penggunaan panas yang berbeda secara mendasar - energi dan teknologi.
Ketika digunakan sebagai energi, panas diubah menjadi kerja mekanis, dengan bantuan energi listrik yang dihasilkan dalam generator, yang nyaman untuk ditransmisikan melalui jarak jauh. Panas diperoleh dengan membakar bahan bakar di pabrik boiler atau langsung di mesin pembakaran internal.
Dalam proses teknologi, panas digunakan untuk dengan sengaja mengubah sifat-sifat berbagai benda (meleleh, mengeras, mengubah struktur, sifat mekanik, fisik, kimia). Jumlah sumber daya energi yang diproduksi dan dikonsumsi sangat besar.
Rekayasa termal adalah disiplin teknis umum dalam pelatihan spesialis dalam spesialisasi teknis dan terdiri dari tiga mata pelajaran yang saling terkait: termodinamika teknis, dasar-dasar teori perpindahan panas, di mana hukum transformasi dan sifat energi panas dan proses perambatan panas adalah dipelajari.
Tujuan dari kursus teknik termal adalah untuk mempersiapkan seorang insinyur-teknolog kimia yang memiliki keterampilan untuk secara kompeten mengelola desain dan pengoperasian produksi kimia modern, yang merupakan serangkaian proses teknologi dan termal serta peralatan teknologi dan tenaga panas yang sesuai. Pelatihan ini akan berkontribusi pada keberhasilan pelaksanaan tugas-tugas di atas oleh lulusan universitas teknik kimia. Pentingnya persiapan tersebut akan semakin meningkat karena jenis energi nuklir, termonuklir, dan terbarukan termasuk dalam jenis energi yang secara praktis signifikan dan efektif, karena, seperti ungkapan umum, tidak ada jenis energi yang semahal kekurangannya.
turbin gas parsial gas konvektif
Pertanyaan teoretis No.1
Konsep campuran gas. Tekanan parsial. hukum Dalton. Volume parsial. Hukum Amag. Metode untuk menentukan campuran gas. Bahaya kebakaran dari campuran yang mudah terbakar dengan udara
Campuran gas adalah campuran beberapa gas ideal yang tidak mengalami reaksi kimia satu sama lain. Contoh campuran gas meliputi: udara atmosfer, yang sebagian besar terdiri dari campuran nitrogen dan oksigen; gas alam; gas buang mesin pembakaran dalam (ICE) yang mengandung CO 2, CO, N 2, NO 2, O 2 dan gas lainnya, udara lembab (uap air) di unit pengering, dll.
Asas utama yang menentukan sifat-sifat suatu campuran gas adalah asas kemandirian kerja gas-gas dalam campuran tersebut, yaitu setiap gas dalam campuran itu bekerja secara independen terhadap gas-gas lainnya, tidak mengubah sifat-sifatnya dan mematuhi semua hukum gas. Selain itu, setiap gas menempati seluruh volume campuran dan semua gas dalam campuran mempunyai suhu yang sama, dan sifat-sifat campuran gas merupakan penjumlahan dari sifat-sifat semua komponennya.
Oleh karena itu, campuran gas mematuhi hukum dan persamaan yang sama seperti gas ideal homogen. Hukum dasar yang menentukan perilaku campuran gas adalah hukum Dalton: tekanan total campuran gas gas ideal sama dengan jumlah tekanan parsial semua komponennya:
R cm= hal 1 + hal 2 + … + r N =
dimana P cm adalah tekanan campuran gas; P 1, P 2, P n - tekanan parsial komponen campuran.
Setiap komponen campuran, yang menempati seluruh volume campuran, berada di bawah tekanan parsialnya sendiri. Tetapi jika komponen ini diletakkan di bawah tekanan P cm pada suhu yang sama dengan campuran T cm, maka komponen tersebut akan menempati volume yang lebih kecil (V i) daripada volume campuran V cm). Volume Vi ini disebut tereduksi atau sebagian.
Tekanan parsial dihitung menggunakan persamaan keadaan komponen tertentu:
Karena itu, .
Untuk membandingkan gas-gas yang termasuk dalam campuran berdasarkan volume, konsep volume parsial diperkenalkan.
Volume parsial (tereduksi) suatu komponen tertentu adalah volume bersyarat yang dimiliki suatu komponen jika komponen tersebut berada pada suhu dan tekanan campuran. Hubungan antara volume campuran gas dan volume parsial masing-masing gas dalam campuran mencerminkan hukum Amag (hukum aditif): volume total campuran gas sama dengan jumlah volume parsial komponen-komponennya:
V cm= V 1 + V 2 +...+ V N = .
Untuk menghitung volume parsial, kita tuliskan dua persamaan keadaan untuk setiap gas yang termasuk dalam campuran:
yang pertama adalah ketika gas mempunyai tekanan parsial R 1 , menempati seluruh volume campuran V cm mempunyai suhu campuran T cm:
R 1 V cm=m 1 R 1 ·T cm;
yang kedua - ketika gas mengalami penurunan volume Vi pada tekanan P cm dan suhu campuran T cm:
R cmV 1 =m 1 R 1 ·T cm.
Membagi persamaan pertama dengan persamaan kedua, kita memperoleh persamaan keadaan komponen
dimana P cm dan V cm adalah tekanan dan volume campuran; P i dan Vi adalah tekanan dan volume komponen i.
Dari sini kami menyatakan volume parsial komponen:
Sifat-sifat campuran gas bergantung pada komposisinya, yang dapat ditentukan berdasarkan massa, volume, dan fraksi mol.
Fraksi massa komponen campuran g i adalah nilai yang sama dengan perbandingan massa komponen terhadap massa seluruh campuran:
dimana m i adalah massa komponen ini; m cm adalah massa seluruh campuran yang mengandung n komponen.
Karena massa campuran m sama dengan jumlah massa semua komponen:
maka jumlah fraksi massanya sama dengan:
Mengetahui fraksi massa masing-masing gas yang termasuk dalam campuran, tekanan parsialnya dapat ditentukan
karena itu
Pecahan massa sering kali dinyatakan sebagai persentase. Misalnya untuk udara kering: g(N 2) = 77%; g(O 2) = 23%.
Fraksi volume komponen campuran r i adalah nilai yang sama dengan perbandingan volume parsial komponen terhadap volume campuran:
Di mana V Saya- volume parsial dari komponen tertentu; V cm- volume seluruh campuran.
Karena volume campuran sama dengan jumlah volume parsial komponen-komponennya, maka jumlah fraksi volumenya sama dengan: .
Pecahan volume ditentukan sebagai persentase. Misalnya untuk udara: r(N 2) = 79%; r(O2) = 21%.
Fraksi mol komponen campuran x i adalah nilai yang sama dengan perbandingan jumlah mol komponen tersebut dengan jumlah mol total campuran:
Karena jumlah mol campuran sama dengan jumlah mol masing-masing komponen, maka jelaslah bahwa:
Sesuai dengan hukum Avogadro, volume satu mol gas pada tekanan dan suhu yang sama, khususnya pada suhu dan tekanan campuran, adalah sama dalam keadaan gas ideal. Oleh karena itu, pengurangan volume suatu komponen dapat dihitung sebagai hasil kali volume mol V M dengan jumlah mol komponen ini, mis. V Saya = V MN, dan volume campuran sesuai rumus V = V MN.
oleh karena itu, menentukan gas-gas yang termasuk dalam campuran dalam fraksi mol sama dengan menentukan fraksi volumenya.
Hubungan antara massa dan fraksi mol dapat dicari dari persamaan:
Hasilnya, kami memiliki hubungan berikut:
Dalam persamaan yang dihasilkan M CM- berat molekul rata-rata (nyata) dari campuran gas tertentu, mis. berat molekul gas homogen bersyarat, yang sifat-sifatnya mirip dengan campuran gas tertentu.
Berdasarkan hal tersebut, nilainya M CM ditentukan oleh komposisi campuran sebagai berikut:
Karena rasionya:
Menambahkan ketergantungan untuk besarnya G Saya untuk semua komponen campuran gas, kita mempunyai:
Setelah transformasi kita mendapatkan:
Persamaan keadaan campuran gas dapat diterapkan karena alasan berikut. Dari prinsip independensi dapat disimpulkan bahwa jika setiap gas dalam suatu campuran, secara independen satu sama lain, mematuhi persamaan keadaan, maka seluruh campuran dapat dianggap sebagai satu gas homogen dengan sifat khususnya, yang juga mematuhi persamaan keadaan. , yaitu
Di mana R CM- rata-rata konstanta gas semu campuran, ditentukan berdasarkan berat molekul rata-rata campuran:
Besarnya R CM juga dapat ditemukan dari komposisi campuran setelah mengganti ketergantungan M CM:
Menjumlahkan semua komponen, kita mendapatkan:
Jumlah di ruas kiri persamaan sama dengan volume campuran. Membagi kedua ruas persamaan dengan massa campuran M kita dapatkan
Jumlah di sisi kanan persamaan mewakili konstanta gas campuran:
Beberapa gas dan uap dalam campuran tertentu dengan udara bersifat mudah meledak. Bahaya kebakaran campuran gas ditentukan oleh konsentrasi gas, uap atau debu yang mudah terbakar dalam campuran. Pada batas bawah konsentrasi mudah terbakar (LCFL), terdapat sedikit bahan bakar dan udara berlebih di dalam campuran. Ketika konsentrasi bahan bakar meningkat, ada kekurangan udara dalam campuran, yang menyebabkan hilangnya kemampuan penyalaan.
Ledakan suatu campuran hanya dapat terjadi pada perbandingan tertentu antara gas mudah terbakar yang termasuk dalam campuran dengan udara atau oksigen, yang ditandai dengan batas ledakan bawah dan atas. Saat memilih komposisi campuran, batas ledakan diperhitungkan. Misalnya, campuran metana-udara bersifat mudah meledak jika mengandung 5,3-14,9% CH4, dan campuran amonia-udara bersifat mudah meledak jika mengandung 14,0-27% NH3. Dengan demikian, campuran gas yang digunakan dalam produksi, mengandung 12-13% CH 4 dan 11-12% MN 3, tahan ledakan di udara. Namun, campuran awal tersebut mendekati batas ledakan, dan untuk mencegah kemungkinan pelanggaran komposisi, pengaturan rasio gas secara otomatis disediakan. Untuk keamanan penuh, nitrogen ditambahkan ke campuran awal.
Pertanyaan teoretis No.2
Siklus turbin gas
Unit turbin gas (GTU) adalah perangkat tenaga panas di mana fluida kerjanya adalah gas hasil pembakaran bahan bakar (atau gas lain yang dipanaskan dengan satu atau lain cara), dan mesin kerjanya adalah turbin gas. Turbin gas diklasifikasikan sebagai mesin pembakaran internal. Mereka berbeda dari mesin pembakaran internal piston karena pekerjaan yang berguna dilakukan di dalamnya karena energi kinetik gas yang bergerak dengan kecepatan tinggi.
Unit turbin gas memiliki beberapa keunggulan teknis dan ekonomis dibandingkan mesin piston, yaitu:
Bobot lebih ringan dan dimensi pemasangan kecil dengan daya tinggi;
Tidak adanya mekanisme batang engkol;
Keseragaman langkah dan kemungkinan hubungan langsung dengan konsumen pekerjaan - generator listrik, kompresor sentrifugal, dll.;
Kemudahan perawatan;
Penerapan siklus dengan ekspansi penuh dan dengan demikian dengan efisiensi termal yang tinggi;
Kemungkinan menggunakan bahan bakar jenis murah (minyak tanah).
Keunggulan turbin gas ini telah berkontribusi terhadap penyebarannya di banyak bidang teknologi.
Desain turbin gas pertama dikembangkan oleh insinyur mesin armada Rusia P.D. Kuzminsky pada tahun 1897. Itu dimaksudkan untuk perahu kecil. Ciri khas turbin ini adalah pengoperasiannya dengan uap air yang disuntikkan ke ruang bakar untuk menurunkan suhu gas di depan turbin.
Meluasnya penggunaan unit turbin gas menjadi mungkin hanya setelah pemecahan dua masalah utama: penciptaan kompresor gas dengan efisiensi tinggi (turbocompressor) dan produksi paduan logam tahan panas baru yang mampu beroperasi jangka panjang pada suhu 650 - 750 ?C dan lebih tinggi.
Pengoperasian pembangkit turbin gas didasarkan pada siklus ideal yang terdiri dari proses termodinamika paling sederhana. Kajian termodinamika siklus-siklus ini didasarkan pada asumsi-asumsi yang mirip dengan siklus mesin pembakaran dalam, yaitu: siklus-siklus tersebut bersifat reversibel, panas disuplai tanpa mengubah komposisi kimia fluida kerja siklus tersebut, pembuangan panas diasumsikan bersifat reversibel, ada tidak ada kerugian hidrolik dan termal, fluida kerja adalah gas ideal dengan kapasitas panas konstan. Berbeda dengan mesin pembakaran dalam piston yang proses kompresi, suplai panas, dan pemuaiannya dilakukan dalam satu silinder, pada unit turbin gas proses tersebut terjadi di berbagai elemen instalasi, yang ke dalamnya aliran fluida kerja masuk secara berurutan. Turbin gas dapat beroperasi dengan pembakaran bahan bakar pada tekanan dan volume konstan. Siklus ideal yang sesuai dibagi menjadi beberapa siklus:
Dengan masukan panas pada tekanan konstan ( P = konstanta) -- Siklus Brayton;
Dengan masukan panas pada volume konstan ( ay = const) -- Siklus Humphrey;.
Siklus dengan pemulihan panas.
Siklus dengan suplai panas pada tekanan konstan telah mendapatkan penerapan praktis terbesar.
P= konstanta(Siklus Brighton)
Diagram skema unit turbin gas, di mana pembakaran bahan bakar terjadi pada tekanan konstan, ditunjukkan pada Gambar 1, dan siklus reversibel yang dilakukan di dalamnya disajikan dalam diagram pv dan Ts pada Gambar 1.1. Pada instalasi ini, udara atmosfer dari lingkungan yang mempunyai tekanan p 1 dan suhu T 1 masuk ke input kompresor (1), berputar pada poros yang sama dengan turbin gas (4). Dalam kompresor, udara dikompresi secara adiabatik ( 1-2 ) ke tekanan p 2 di mana ia disuplai ke ruang bakar (3), tempat masuknya bahan bakar gas atau cair. Di sini, pada tekanan konstan, pembakaran bahan bakar terjadi pada p=idem (2-3 ), akibatnya suhu produk pembakaran gas yang dihasilkan naik ke nilai T 3 . Pada suhu dan tekanan ini p 3 = p 2 gas masuk ke turbin (4), dimana dengan ekspansi adiabatik ( 3-4 ) sampai tekanan atmosfir p 1 melakukan kerja, yang sebagian digunakan untuk menggerakkan kompresor, dan sebagian lagi untuk menggerakkan generator yang menghasilkan listrik. Dari turbin (4), gas pada tekanan p 4 = p 1 dilepaskan ke atmosfer sekitar ( 4-1 ), dan udara bersih baru dimasukkan ke dalam kompresor dari atmosfer.
Berikut ini diterima sebagai parameter penentu siklus ideal:
Rasio peningkatan tekanan udara atau (rasio kompresi) ;
Tingkat pra-ekspansi.
Indikator termodinamika utama dari efisiensi suatu siklus adalah efisiensi termalnya
dan jumlah panas yang dihilangkan - sesuai rumus
Kemudian, efisiensi termal dari siklus tersebut
Biasanya dinyatakan sebagai fungsi dari derajat kenaikan tekanan y. Untuk adiabatik 1 - 2 kita mempunyai:
Untuk isobar 2 - 3
Untuk adiabatik 3 - 4
Mengganti suhu yang diperoleh T 2, T 3 dan T 4 ke dalam persamaan efisiensi termal, kita memperoleh
Berdasarkan rumus tersebut, efisiensi termal unit turbin gas dengan suplai panas pada tekanan konstan bergantung pada derajat kenaikan tekanan y dan indeks adiabatik k, yang meningkat seiring dengan meningkatnya nilai-nilai ini.
Tunduk pada ketergantungan
Akibatnya, untuk fluida kerja yang sama, terjadi peningkatan derajat
kompresi selalu mengarah pada peningkatan efisiensi.
Siklus kerja:
Meskipun peningkatan derajat kenaikan tekanan udara mempunyai pengaruh yang menguntungkan terhadap efisiensi instalasi turbin gas, peningkatan nilai ini menyebabkan peningkatan suhu gas di depan bilah turbin. Nilai suhu ini dibatasi oleh ketahanan panas dari paduan tempat bilah dibuat. Saat ini, suhu gas maksimum yang diizinkan di depan turbin adalah 800 - 1000 °C dan peningkatan suhu lebih lanjut hanya dapat dicapai dengan penggunaan bahan tahan panas baru dan pengenalan desain turbin dengan bilah berpendingin.
Skema dan siklus unit turbin gas dengan suplai panas diV= konstanta (Siklus Humphrey)
Pada unit turbin gas yang beroperasi dalam satu siklus dengan suplai panas pada volume konstan (V=const), proses pembakaran bahan bakar terjadi dengan katup masuk dan katup buang tertutup yang dipasang di ruang bakar. Kompresor 1, digerakkan oleh turbin 6, menyuplai udara terkompresi ke ruang bakar 4 melalui katup terkontrol 7. Katup kedua 5 terletak di ujung ruang bakar dan dirancang untuk melepaskan produk pembakaran ke turbin. Bahan bakar dialirkan ke ruang bakar melalui pompa 2 yang terletak pada poros turbin melalui nosel. Pasokan bahan bakar harus dilakukan secara berkala melalui katup bahan bakar 3.
Dengan meningkatnya tekanan, katup 5 terbuka dan produk pembakaran masuk ke peralatan nosel dan ke bilah turbin 6. Ketika melewati bilah turbin, gas melakukan kerja dan dilepaskan ke lingkungan.
Siklus instalasi ini terdiri dari kompresi adiabatik pada kompresor ( a-c); pasokan panas di ay= konstanta(cz); pemuaian gas secara adiabatik pada turbin ( z-e); perpindahan panas isobarik oleh gas ke udara sekitar ( e-a). Siklus termodinamika pada koordinat pv dan Ts disajikan pada Gambar 2.1. Parameter utama dari siklus ini adalah:
Tingkat peningkatan tekanan pada kompresor;
Derajat tekanan isokhorik meningkat.
Efisiensi siklus turbin turbin gas dengan suplai panas pada volume konstan ditentukan sebagai:
Parameter gas pada titik karakteristik siklus ditentukan melalui suhu awal Ta dari hubungan:
Mengganti ekspresi suhu ini ke dalam rumus efisiensi termal, kita memperoleh:
Dengan demikian, nilai efisiensi suatu unit turbin gas dengan masukan panas pada volume konstan bergantung pada derajat kenaikan tekanan pada kompresor dan derajat kenaikan tekanan pada ruang bakar, yang bergantung pada besarnya masukan panas ( Q 1 ) dalam proses isokorik.
Pekerjaan spesifik per siklus ditentukan:
Perbandingan antara siklus dengan masukan panas pada p=konstan Dan ay= konstanta tampaknya bahwa dengan tingkat kenaikan tekanan yang sama dan jumlah panas yang dihilangkan sama, siklus dengan suplai panas pada volume konstan lebih menguntungkan daripada siklus dengan suplai panas pada tekanan konstan. Hal ini disebabkan oleh semakin besarnya tingkat ekspansi dalam siklus tersebut ay = konstanta, dan akibatnya, nilai efisiensi termal yang tinggi. Terlepas dari keunggulan ini, siklus dengan suplai panas pada volume konstan belum diterapkan secara luas dalam praktiknya karena kompleksitas desain ruang bakar dan kerusakan turbin dalam aliran gas yang berdenyut, meskipun upaya untuk meningkatkan siklus ini terus berlanjut.
Karena desain ruang bakar yang kompleks, siklus turbin gas dengan suplai panas isokorik sangat jarang digunakan, meskipun efisiensinya meningkat dibandingkan siklus Brayton.
Siklus GTU dengan pemulihan panas
Salah satu upaya untuk meningkatkan efisiensi termal pembangkit turbin gas adalah dengan pemanfaatan pemanfaatan panas. Pemulihan panas melibatkan penggunaan panas dari gas buang untuk memanaskan udara yang memasuki ruang bakar. Regenerasi panas dimungkinkan asalkan T 4 >T 2. Untuk melakukan ini, perangkat tambahan dimasukkan ke dalam sirkuit instalasi - penukar panas.
Diagram instalasi turbin gas dengan pembakaran pada P = const dengan heat recovery ditunjukkan pada Gambar 3. Perbedaan instalasi turbin gas dengan heat recovery dan instalasi tanpa regenerasi adalah udara tekan dari kompresor 1 tidak langsung masuk ke pembakaran. ruang 4, tetapi pertama-tama melewati regenerator udara - penukar panas 3, yang di dalamnya dipanaskan oleh panas gas buang. Oleh karena itu, gas yang meninggalkan turbin, sebelum keluar ke atmosfer, melewati regenerator udara, di mana gas tersebut didinginkan, memanaskan udara terkompresi. Dengan demikian, sebagian panas yang sebelumnya terbawa oleh gas buang ke atmosfer kini dapat dimanfaatkan dengan baik.
Siklus pembangkit turbin gas dengan regenerasi dan suplai panas isobarik pada diagram P,v - dan T,s - ditunjukkan pada Gambar 1.
Beras. 1 Diagram termal unit turbin gas dengan pemulihan panas
Siklus yang dipertimbangkan terdiri dari proses adiabatik kompresi udara di kompresor 1 - 2, proses 2 - 5, yaitu pemanasan isobarik udara di regenerator, proses isobarik 5 - 3, sesuai dengan suplai panas di ruang bakar akibat pembakaran bahan bakar, proses pemuaian gas adiabatik 3 - 4 di turbin, pendinginan isobarik gas buang di regenerator 4 - 1.
Jumlah panas yang disuplai ke fluida kerja dalam proses isobarik
dan apa yang ditarik dalam proses isobarik
Mengganti q 1 dan |q 2 | dalam rasio keseluruhan
Kami akan mendapatkannya.
Suhu pada titik-titik utama siklus ditentukan:
Efisiensi termal siklus turbin gas dengan masukan panas pada R = konstanta dan regenerasi sempurna bergantung pada suhu awal T 1 dan suhu pada akhir pemuaian adiabatik T 4 .
Dalam kondisi nyata, panas regenerasi tidak sepenuhnya berpindah karena alat penukar panas tidak ideal. Efisiensi termal dari siklus akan bergantung pada tingkat regenerasi. Derajat regenerasi adalah perbandingan jumlah panas yang dipindahkan ke udara yang diterima oleh udara tekan di regenerator dengan jumlah panas yang dapat diterimanya jika dipanaskan dari T 2 ke T 5 = T 4 di outlet turbin gas .
Efisiensi termal dari siklus turbin gas dengan regenerasi tidak lengkap, mis. di sungai<1, определяется следующим образом
Derajat regenerasi ditentukan oleh kualitas dan luas permukaan kerja penukar panas (regenerator).
Saat ini turbin gas tersebut digunakan pada instalasi stasioner karena bobot dan dimensi regeneratornya yang besar, misalnya pada pembangkit listrik kapal.
Tugas No.1
Tentukan komposisi volumetrik, berat molekul, konstanta gas dan volume campuran jika komposisi massanya sebagai berikut: propana - 48,7%, butana - 16,8%, heksana - 14,6%, etilen - 4,7% , nitrogen - 15,2%. Tekanan campuran adalah 3 bar, massa dan suhu campuran masing-masing sama
|
Berat, kg |
Suhu, 0 C |
|
|
C4H10 = 16,8% C6H14 = 14,6% C 2 H 4 = 4,7% P cm = 3 batang t cm = 17 0 C |
g saya (C 3 H 8) = 0,487 g saya (C 4 H 10) = 0,168 g saya (C 6 H 14) = 0,146 g saya (C 2 H 4) = 0,047 g saya (N 2) = 0,152 P cm = 3 10 5 Pa |
Cari : i - ?, M cm - ?,
R cm - ?, V cm - ?
1. Dengan menggunakan data referensi, kami menentukan berat molekul komponen:
M(C 3 H 8) = 44 kg/kmol;
M(C 4 H 10) = 58 kg/kmol;
M(C 6 H 14) = 86 kg/kmol;
M(C 2 H 4) = 28 kg/kmol;
M(N 2) = 28 kg/kmol.
2. Mari kita hitung konstanta gas gas menggunakan nilai konstanta gas universal R = 8,314 kJ/kmol K:
R(C 3 H 8) = 0,18895 kJ/kg K = 188,9 J/kg K;
R(C 4 H 10) = = 0,1433 kJ/kg K = 143,3 J/kg K;
R(C 6 H 14) = = 0,09667 kJ/kg K = 96,7 J/kg K;
R(C 2 H 4) = 0,2969 kJ/kg K = 296,9 J/kg K;
R(N 2) = = 0,2969 kJ/kg K = 296,9 J/kg K.
3. Mari kita tentukan konstanta gas campuran:
R cm= ?(G Saya R Saya)
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+45,13 = 189,43 J/kg K.
4. Mari kita tentukan fraksi volume komponen-komponen yang termasuk dalam campuran:
dimana R cm adalah konstanta gas campuran, J/(kg K);
R i adalah konstanta gas masing-masing komponen yang termasuk dalam campuran J/(kg K).
5. Hitung berat molekul campuran:
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. Hitung volume campuran gas, dinyatakan dari persamaan Clayperon:
RV = M R T,
m 3 /kg.
Jawaban: r(C 3 H 8) - 48,8%; r(C 4 H 10) -12,7%;
r(C 6 H 14) - 7,4%; M cm - 44 kg/kmol.
r(C 2 H 4) - 7,3%; R cm - 189,43 J/kg K.
r(N 2) - 23,8%; V cm - 1,648 m 3 /kg.
Masalah No.2
Campuran gas dalam reaktor mempunyai komposisi volumetrik sebagai berikut: karbon monoksida = 14%, nitrogen = 6%, oksigen = 75%, uap air = 5% dan dipanaskan dari t1 sampai t2. Tentukan jumlah panas yang disuplai ke campuran gas. Terima ketergantungan kapasitas panas pada suhu sesuai pilihan Anda
|
konstan |
|
H 2 O uap = 5% |
r(H 2 O) uap = 0,05 |
Temukan: Q - ?
1. Berdasarkan kondisi soal maka ketergantungan kapasitas kalor pada suhu adalah konstan, yaitu tidak bergantung pada suhu, oleh karena itu kapasitas kalor ditentukan dengan rumus:
dimana C adalah kapasitas panas gas, kJ/kmol K;
M i adalah berat molekul komponen, g/kmol.
Untuk gas diatomik (nitrogen, oksigen) C ay = 20,93 kJ/kmol K, untuk uap air dan gas poliatomik lainnya C ay = 25 kJ/kmol K.
Mari kita hitung kapasitas panas komponen:
kJ/kmol K;
kJ/kmol K;
kJ/kmol K;
kJ/kmol K.
Mari kita hitung kapasitas panas total campuran gas:
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/kmol K.
2. Hitung jumlah kalor pada kapasitas kalor konstan dengan menggunakan rumus:
Q = MC ay(T 2 - T 1 )
Q = 4 0,7094(1073 - 423) = 2,8376 650 = 1844,44 J.
Jawaban: Q = 1844,44 J.
Tugas No.3
Udara beroperasi dalam siklus dengan suplai panas isokorik. Tentukan parameter siklus pada titik karakteristik dan kerja siklus yang berguna jika massa udara, tekanan awal, suhu awal, rasio kompresi, dan jumlah panas yang disuplai selama pembakaran masing-masing sama
|
P 1 = 9 10 3 Pa |
Temukan: A = ?
Sebuah siklus dengan suplai panas isokorik (siklus Otto) terdiri dari dua adiabat dan dua isokores. Ciri-ciri siklus adalah:
rasio kompresi - ;
tingkat peningkatan tekanan - ;
Jumlah panas yang masuk dan keluar ditentukan oleh rumus:
Kerja siklus ditentukan oleh:
1. Mari kita tentukan parameter siklus pada titik-titik karakteristik.
a) Mari kita tentukan parameter pada titik 1.
P 1 = 90 10 3 Pa; T 1 = 298 K; M udara = 28,97 kg/kmol.
Konstanta gas udara adalah
Mari kita hitung volume spesifik udara V 1 dengan menyatakannya dari persamaan Clayperon:
b) Mari kita tentukan parameter pada poin 2.
Rasio kompresinya adalah
Oleh karena itu m 3 /kg.
Dari persamaan adiabatik (proses 1-2 - kompresi adiabatik) kita nyatakan suhunya
di mana k adalah indeks adiabatik (untuk udara adalah 1,4).
Tekanan P 2 ditemukan dari ekspresi
c) Mari kita tentukan parameter pada poin 3.
Karena 2 - 3 isochore, maka V 3 = V 2 = 0,7125 m 3 /kg.
Suhu di titik 3 ditentukan dari hubungan
Mengambil Ms v = 20,98 kJ/kg K, M (udara) = 28,97 kg/kmol, kita peroleh
karena itu,
Tekanan P 3 ditentukan dari rasio
d) Mari kita tentukan parameter pada poin 4.
V 4 = V 1 = 2,85 m 3 /kg.
dari sini kita nyatakan tekanan pada titik 4
2. Tentukan kerja berguna dari siklus tersebut.
Mari kita hitung jumlah panas yang dihilangkan:
Pekerjaan yang berguna dalam siklus tersebut adalah
Menjawab: aku ts= 680,56 kJ.
Soal No.4
Tentukan perbandingan kompresi tertinggi pada siklus dengan suplai panas isokhorik, jika diketahui tekanan awal 100 kPa, eksponen adiabatik 1,3, dan suhu awal serta suhu penyalaan sendiri campuran yang mudah terbakar adalah:
|
t itu sendiri = 430 0 C |
P 1 =10 10 3 Pa |
Karena suplai panas isokhorik terjadi, kita menyatakan derajat kompresi dari persamaan adiabatik:
Mari kita hitung rasio kompresinya:
Jawaban: rasio kompresi? maks dalam satu siklus dengan suplai panas isokorik adalah 26,9. Semakin tinggi rasio kompresi, semakin tinggi efisiensi siklusnya.
Tugas No.5
Udara mengalir keluar dari reservoir. Temukan nilai tekanan sedang di mana kecepatan teoritis aliran keluar adiabatik akan sama dengan kecepatan kritis dan besarnya kecepatan ini jika tekanan awal dan suhu masing-masing sama
|
P 1 =5 10 6 Pa |
Temukan: P 2 = ?
Udara merupakan gas diatomik, maka nilai kritis udara adalah 0,528.
Dari hubungan tersebut kita nyatakan dan carilah tekanan medium P 2:
Mari kita tentukan nilai b dan bandingkan dengan nilai kritis udara: 0,528 = 0,528.
Karena aliran gas adiabatik terjadi pada? dalam kr, maka kecepatan aliran keluar gas teoritis akan sama dengan kecepatan kritis dan ditentukan oleh rumus
Jawaban : P 2 = 2,64 10 6 Pa; w kr= 321 m/s.
Pertanyaan teoretis No.3
Perpindahan panas konvektif dengan pergerakan fluida paksa. Perpindahan panas selama pergerakan paksa cairan melalui saluran.
Perpindahan panas konvektif adalah proses gabungan konveksi dan konduktivitas termal, karena ketika cairan atau gas bergerak, partikel-partikel individu dengan suhu berbeda pasti akan bersentuhan.
Pertukaran panas konvektif antara aliran cairan atau gas dan permukaan benda padat disebut perpindahan panas konvektif, yang
sering disertai dengan perpindahan panas secara radiasi.
Tergantung pada penyebab pergerakan zat cair, ada dua jenis gerakan yang dibedakan: bebas (konveksi alami) dan paksa (konveksi paksa).
Pergerakan bebas terjadi karena adanya perbedaan massa jenis partikel fluida panas dan dingin sehingga menyebabkan munculnya gaya angkat. Partikel cairan yang bersentuhan dengan permukaan tubuh yang panas menjadi panas dan menjadi lebih ringan dibandingkan partikel dingin di atasnya. Susunan partikel ini tidak stabil: partikel dingin cenderung turun dan menggantikan partikel panas yang lebih ringan, yang harus bergerak ke atas menuju partikel dingin yang turun. Suatu gerakan yang kompleks dan kacau muncul di mana arus naik dan arus turun bertabrakan. Semakin banyak panas yang dipindahkan, semakin kuat pergerakan bebas fluida. Jumlah panas yang dipindahkan sebanding dengan permukaan benda dan perbedaan suhu antara permukaan pelepasan panas (atau penerima panas) dan cairan. Perbedaan suhu menentukan gaya angkat gerak, dan permukaan menentukan zona distribusi proses pertukaran panas.
Gerakan paksa terjadi di bawah pengaruh gaya pada cairan dari luar - pompa, angin, kipas angin, kompresor, ejektor, dll. Dalam hal ini, perbedaan tekanan cairan terjadi pada saluran masuk dan keluar saluran yang dilaluinya. gerakan cairan. Kekuatan pendorong ditentukan terutama oleh perbedaan tekanan. Intensitas pertukaran panas selama pergerakan paksa suatu zat cair tergantung pada kecepatan pergerakannya, jenis dan sifat fisik zat cair, suhunya, bentuk dan ukuran saluran tempat terjadinya pertukaran panas.
Intensitas proses perpindahan panas konvektif dibatasi oleh proses konduksi termal pada batas cairan dengan permukaan padat dan pada lapisan batas partikel cair yang relatif stasioner yang berdekatan dengan permukaan padat. Intensitas perpindahan panas konvektif dapat ditingkatkan dengan meningkatkan kecepatan pergerakan fluida relatif terhadap permukaan padat, yang membantu mengurangi ketebalan lapisan batas. Proses ini mencakup dua tahap dan dua jenis transfer energi panas:
Perpindahan energi panas secara konveksi dalam volume cairan atau gas;
Perpindahan energi panas melalui konduksi termal dalam lapisan tipis cairan atau gas yang bergerak lambat berbatasan langsung dengan dinding padat dan disebut lapisan batas atau sublapisan laminar;
Perpindahan panas secara konduksi termal melalui kontak langsung partikel cair atau gas dengan partikel dinding padat langsung pada batas permukaan padat.
Berdasarkan ketentuan di atas maka diperoleh persamaan dasar perpindahan panas konvektif yang disebut persamaan Newton-Richmann:
dimana q adalah fluks panas spesifik selama pertukaran panas konvektif, W/m2;
Q - aliran panas total, W;
F - permukaan pertukaran panas konvektif, m2;
l w - koefisien konduktivitas termal cairan (gas) pada lapisan batas, W/m 2 K;
d hal. - ketebalan lapisan batas cairan (gas) yang berdekatan dengan permukaan pertukaran panas, m;
b - koefisien perpindahan panas yang mencirikan kondisi pertukaran panas antara cairan dan dinding padat, W/m 2 K.
Koefisien perpindahan panas B - karakteristik utama dari proses perpindahan panas konveksi dan merupakan fungsi kompleks dari sejumlah besar besaran independen yang mencirikan fenomena tersebut.
Salah satu tugas utama perpindahan panas konvektif adalah menentukan koefisien perpindahan panas dalam kondisi tertentu. Penentuan koefisien perpindahan panas secara analitis, pada umumnya, tidak mungkin dilakukan karena nilainya bergantung pada banyak variabel: parameter proses, konstanta fisik, dimensi geometris, dan kondisi batas. Koefisien perpindahan panas ditentukan dengan menggunakan rumus empiris yang disusun dalam bentuk kriteria menurut kaidah teori kesamaan. Dua proses perpindahan panas konvektif dianggap serupa jika semua parameter yang mencirikan perpindahan panas konvektif serupa.
Untuk menyederhanakan proses penetapan kesamaan, kompleks parameter fisik tak berdimensi digunakan - angka atau kriteria kesamaan. Ada banyak angka kesamaan. Untuk perpindahan panas secara konvektif
gunakan lima nomor kesamaan berikut.
bilangan Reynolds mencirikan rezim aliran cairan atau gas dan menyatakan rasio gaya inersia (kecepatan tekanan) terhadap gaya gesekan kental:
Di mana w- kecepatan rata-rata cairan atau gas, m/s;
aku- ukuran karakteristik, m;
ay- koefisien viskositas kinematik, m 2 /s.
Pada bilangan Reynolds kurang dari 2000, modus dianggap laminar; pada bilangan lebih besar dari 10.000, modus geraknya turbulen; dengan angka berkisar antara 2000 hingga 10000, modenya bersifat transisi.
Nomor Prandtl menetapkan hubungan antara ketebalan
lapisan batas dinamis dan termal:
dimana a adalah koefisien difusivitas termal, m 2 /s;
n adalah koefisien viskositas kinematik, m 2 /s.
Nomor Nuselt mencirikan intensitas pertukaran panas konvektif antara cairan (gas) dan permukaan benda padat:
dimana b adalah koefisien perpindahan panas, W/(m 2 CHK);
l - ukuran karakteristik, m;
l - koefisien konduktivitas termal gas atau cairan, W/(mCHK).
Nomor Grashof mencirikan intensitas perpindahan panas konvektif bebas:
dimana g = 9,81 m/s 2 - percepatan jatuh bebas;
b - koefisien muai volumetrik: untuk cairan b diberikan dalam buku referensi (Lampiran L), untuk gas - b = 1/T, 1/K;
l - ukuran karakteristik, m;
Dt adalah perbedaan suhu antara partikel cair (gas);
n - viskositas kinematik, m 2 /s.
bilangan Euler mencirikan rasio penurunan tekanan terhadap tinggi kecepatan:
dimana DR adalah penurunan tekanan pada bagian saluran, Pa;
r - massa jenis cairan (gas), kg/m3;
w - kecepatan cairan (gas), m/s.
Saat merancang penukar panas, perlu ditentukan dua parameter: koefisien perpindahan panas b dan penurunan tekanan DR. Mereka termasuk dalam bilangan Nusselt dan Euler, yaitu. Ini adalah angka kesamaan yang dapat ditentukan. Angka Reynolds, Grashof dan Prandtl sangat menentukan. Persamaan kesamaan- hubungan antara nomor kesamaan yang ditentukan dan nomor kesamaan yang ditentukan. Jadi, saat memodelkan, tujuan utamanya adalah menemukan persamaan:
Persamaan umum perpindahan panas konvektif memiliki bentuk
Di mana c, n, m, d- Koefisien yang ditentukan oleh studi eksperimental.
Dalam persamaan kriteria, pengali memperhitungkan arah aliran panas dengan rasio, sedangkan Pr adalah bilangan Prandtl untuk suatu cairan (gas) pada suhunya; Prst - Nomor Prandtl untuk cairan (gas) pada suhu dinding.
Parameter fisik yang termasuk dalam rumus harus diambil pada suhu penentu, yang ditunjukkan untuk setiap kasus perpindahan panas, dan suhu penentu berikut digunakan:
t ST - suhu rata-rata dinding;
tf - suhu rata-rata cairan atau gas;
t PL adalah suhu rata-rata lapisan batas (film), yang didefinisikan sebagai mean aritmatika antara t L dan t ST.
Suhu rata-rata suatu cairan (gas) kira-kira dapat didefinisikan sebagai rata-rata aritmatika antara suhu awal dan akhir cairan.
Proses perpindahan panas pada saat suatu zat cair mengalir dalam pipa lebih kompleks dibandingkan dengan proses perpindahan panas pada saat mencuci suatu permukaan datar dengan aliran yang tidak terbatas, dimana zat cair yang mengalir keluar dari badan tidak dipengaruhi oleh proses yang terjadi di dekat dinding. Penampang pipa memiliki dimensi yang terbatas. Akibatnya, di dalam pipa, mulai dari jarak tertentu dari saluran masuk, zat cair di seluruh penampang mengalami efek pengereman gaya viskos. Karena dimensi pipa yang terbatas, suhu cairan berubah baik melintasi penampang maupun sepanjang saluran. Semua ini mempengaruhi perpindahan panas.
Aliran fluida dalam pipa dapat bersifat laminar, transien, dan turbulen.
Dengan gerakan jet yang laminar atau berlapis, tenang, aliran cairan mengikuti kontur saluran atau dinding, yaitu tidak bercampur. Perambatan panas dalam arah tegak lurus terhadap arah gerak semata-mata disebabkan oleh konduktivitas termal.
Dengan gerakan turbulen, cairan terus tercampur. Kecepatan suatu partikel zat cair pada setiap waktu berubah besar dan arahnya. Dalam rezim turbulen, panas dipindahkan melalui konduksi termal hanya di sublapisan kental, dan di dalam inti turbulen proses ini dilakukan dengan pencampuran partikel cair secara intensif.
Peralihan dari laminar ke turbulen dan sebaliknya terjadi pada kondisi tertentu. Parameter transisi ditentukan oleh bilangan Reynolds. Jadi, misalnya untuk pipa halus jumlahnya kira-kira 2300.
Ketika fluida bergerak secara laminar, ada dua mode yang dibedakan: kental dan gravitasi kental.
Kental adalah mode gerak ketika gaya viskos lebih besar daripada gaya angkat dalam fluida. Mode gerak ini terjadi dengan gerakan paksa cairan kental dan pengaruh gerakan bebas yang semakin kecil. Mode gerak kental biasanya diamati selama pergerakan laminar cairan dengan viskositas tinggi dalam pipa berdiameter kecil dan pada tekanan suhu rendah.
Rezim viskositas-gravitasi adalah rejim pergerakan fluida ketika gaya angkat cukup besar: pergerakan paksa ditumpangkan oleh pergerakan bebas, yang pengaruhnya terhadap perpindahan panas tidak dapat diabaikan. Dalam hal ini, distribusi kecepatan pada penampang pipa tidak hanya bergantung pada perubahan viskositas, tetapi juga pada intensitas dan arah pergerakan bebas zat cair, yang disebabkan oleh perbedaan massa jenis yang lebih kecil dan lebih panas. partikel cair.
Dalam rezim turbulen yang berkembang (Re>10000), persamaan berikut digunakan:
dimana e l adalah faktor koreksi yang memperhitungkan pengaruh bagian awal aliran terhadap koefisien perpindahan panas dalam pipa.
Temperatur penentunya adalah temperatur rata-rata zat cair atau gas. Ukuran karakteristik l adalah: untuk pipa bundar - diameter bagian dalam pipa d; untuk pipa dengan bentuk sewenang-wenang - diameter setara d eq
F adalah luas penampang saluran, m2;
P adalah keliling total suatu bagian, terlepas dari bagian mana dari keliling tersebut yang terlibat dalam pertukaran panas, m.
Untuk gas rumusnya disederhanakan karena dalam hal ini, kriteria Pr adalah nilai yang hampir konstan tidak bergantung pada suhu, Pr = 0,67...1,0 (ditentukan oleh jumlah atom dalam molekul): .
Selama pertukaran panas pada pipa lengkung (kumparan), akibat efek sentrifugal, terjadi sirkulasi sekunder pada penampang pipa, yang keberadaannya menyebabkan peningkatan koefisien perpindahan panas. Oleh karena itu, koefisien perpindahan panas harus dikalikan dengan faktor koreksi e zm:
dimana d adalah diameter pipa, m; D adalah diameter spiral kumparan, m.
Dalam kasus aliran fluida laminar (Re<2320) вынужденное перемещение ее частиц сопровождается также и свободным движением.
Nilai rata-rata koefisien perpindahan panas ditentukan dari rumus:
Saat menghitung kriteria Gr, nilai Dt mencirikan perbedaan suhu antara cairan (gas) dan dinding.
Jika pendinginnya berupa gas, rumusnya disederhanakan: .
Ketika pipa diposisikan secara vertikal, koreksi sebesar 0,85 dilakukan ketika gerakan bebas dan paksa bertepatan, dan koreksi sebesar 1,15 dilakukan pada arah yang berlawanan.
Jika cairan pendingin berupa cairan dengan koefisien viskositas tinggi, maka konveksi bebas tidak mempengaruhi perpindahan panas. Persamaan persamaan untuk rezim kental adalah
Suhu rata-rata cairan diambil sebagai suhu penentu, dan ukuran linier karakteristik adalah diameter bagian dalam pipa.
Dalam kisaran bilangan Reynolds dari 2320 hingga 10.000, rezim transisi pergerakan fluida diamati. Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada gerak transien, dapat menggunakan persamaan kriteria desain berikut:
dimana K 0 adalah fungsi bilangan Reynolds.
Suhu rata-rata cairan diambil sebagai suhu penentu dalam persamaan, dan diameter dalam pipa diambil sebagai ukuran penentu D ay atau D persamaan
Perpindahan panas selama rezim transien pergerakan fluida di saluran dan pipa dihitung ketika memecahkan masalah dari praktik pemadaman kebakaran.
Rumus perhitungan untuk menentukan nilai rata-rata koefisien perpindahan panas yang diperoleh berdasarkan generalisasi data eksperimen berbentuk:
Indeks F pada angka Nu, Re, Pr berarti semua parameter fisika dihitung pada suhu rata-rata zat cair. Dalam hal ini, diameter bagian dalam pipa diambil sebagai ukuran penentu D ay atau D persamaan=4 F/ kamu untuk saluran yang tidak berpenampang lingkaran, dimana F adalah luas penampang saluran, dan U adalah keliling bagian tersebut.
Pengganda e l =1 pada l/d nar?50, dan pada l/d nar<50, его принимают в зависимости от числа Рейнольдса для данных условиях
Nilai e l tergantung pada kondisi masuknya cairan ke dalam pipa.
Seringkali, untuk memecahkan masalah keselamatan kebakaran, digunakan persamaan yang menggambarkan perpindahan panas konvektif selama pergerakan fluida paksa.
Pertanyaan teoretis No.4
Radiasi termal. Hukum dasar perpindahan panas radiasi
Radiasi termal adalah metode perpindahan panas di ruang angkasa, yang dilakukan sebagai hasil perambatan gelombang elektromagnetik, yang energinya ketika berinteraksi dengan materi, berubah menjadi panas. Pertukaran panas radiasi dikaitkan dengan transformasi energi ganda: awalnya, energi internal suatu benda diubah menjadi energi radiasi elektromagnetik, dan kemudian, setelah energi ditransfer di ruang angkasa melalui gelombang elektromagnetik, transisi kedua dari energi radiasi menjadi energi internal tubuh lain terjadi.
Radiasi termal suatu benda bergantung pada suhunya (derajat pemanasan benda).
Kepadatan fluks radiasi diri E pribadi, W/m 2, suatu benda disebut emisivitasnya (emisivitas). Parameter radiasi dalam daerah panjang gelombang dasar dl disebut kerapatan fluks spektral radiasinya sendiri E l, W/m 3, atau emisivitas spektral suatu benda, atau intensitas spektral radiasi.
Energi radiasi termal yang terjadi pada suatu benda, menurut hukum kekekalan energi, dapat diserap, dipantulkan oleh benda, atau melewatinya:
Q serap + Q neg +Q prop =Q drop.
Perbandingan bagian energi yang diserap dengan energi datang radiasi panas disebut kapasitas serapan suatu benda dan dilambangkan dengan huruf A. Perbandingan bagian energi yang dipantulkan dengan energi datang radiasi panas disebut reflektifitas benda dan dilambangkan dengan huruf R. Perbandingan energi yang melewati benda dengan energi datang radiasi termal disebut transmitansi benda dan dilambangkan dengan huruf D. Jadi, menurut hukum konservasi energi, kita tuliskan:
Benda yang menyerap seluruh energi radiasi yang datang pada permukaannya disebut benda hitam mutlak (ABL). Untuk benda yang benar-benar hitam, kapasitas penyerapan A = 1.
Benda yang memantulkan seluruh energi radiasi yang datang pada permukaannya disebut benda putih mutlak (jika pemantulan terjadi dalam belahan bumi) atau benda cermin (jika sudut sinar datang sama dengan sudut sinar pantul). Dalam hal ini, reflektifitas R = 1.
Benda yang meneruskan semua energi radiasi yang datang ke permukaannya disebut transparan atau diatermik. Dalam hal ini, throughput D = 1.
Benda padat tidak mentransmisikan energi radiasi termal yang terjadi ke permukaannya dan karenanya
Jumlah radiasi sendiri dan bagian energi datang yang dipantulkan oleh permukaan suatu benda disebut radiasi efektif suatu benda:
E eff = E kejadian + E neg.
Fluks panas radiasi yang dihasilkan adalah selisih antara radiasinya sendiri dan bagian energi datang yang diserap tubuh:
Eres = Eob? Eab = Ef? bantalan E.
Tergantung pada karakteristik aliran, proses perpindahan panas terjadi dalam keadaan tunak (stasioner), ketika suhu di semua titik konstan terhadap waktu dan dalam keadaan tidak tunak (tidak stasioner).
Hukum perpindahan panas radiasi diperoleh untuk benda yang benar-benar hitam dalam kondisi stasioner.
Mari kita perhatikan hukum dasar radiasi radiasi.
hukum Stefan-Boltzmann menetapkan hubungan antara emisivitas dan suhu benda hitam:
dimana E o adalah emisivitas benda hitam mutlak, W/m 2 ;
y o = 5,67Х10- 8, - konstanta radiasi benda yang benar-benar hitam, W/m 2 CHK 4;61
C o = 5,67 - emisivitas benda hitam, W/m 2 CHK 4 ;
T adalah suhu absolut benda yang memancar, K.
Untuk tubuh abu-abu:
E adalah emisivitas benda abu-abu, W/m2;
C adalah emisivitas benda abu-abu, W/(m 2 CHK 4).
Jika kita membagi energi radiasi suatu benda abu-abu dengan energi radiasi suatu benda yang benar-benar hitam, kita memperoleh:
dimana e adalah derajat kegelapan tubuh.
Jika kita menerima C=C0Ce, maka energi radiasi benda abu-abu dapat ditulis sebagai:
Derajat kehitaman dapat bervariasi dari 0 hingga 1. Hal ini tidak hanya bergantung pada sifat fisik benda, tetapi juga pada keadaan permukaan atau kekasarannya.
Terlihat dari rumusnya, ketergantungan energi pada suhu absolut mempunyai ketergantungan kuaterner, oleh karena itu sebagian besar panas selama kebakaran dipindahkan melalui pertukaran panas radiasi.
hukum Kirchhoff menyatakan bahwa perbandingan emisivitas suatu benda terhadap kapasitas penyerapannya adalah sama untuk permukaan semua benda abu-abu (pada suhu yang sama) dan sama dengan emisivitas benda yang benar-benar hitam pada suhu yang sama:
dimana E dan A adalah kemampuan emisivitas dan penyerapan suatu benda.
Tiga konsekuensi mengikuti hukum Kirchhoff:
1) di alam tidak ada permukaan yang memancarkan energi lebih banyak daripada benda yang benar-benar hitam (pada suhu yang sama);
2) benda dengan kapasitas serapan lebih besar mempunyai kerapatan radiasi lebih besar, begitu pula sebaliknya;
3) kemampuan penyerapan dan derajat emisivitas benda nyata (abu-abu) secara numerik sama (A=e).
hukum Lambert menetapkan hubungan antara jumlah energi yang dipancarkan dan arah radiasi:
E N- jumlah energi yang dipancarkan ke arah normal.
Hukum Lambert diperoleh untuk benda yang benar-benar hitam; untuk benda abu-abu dengan permukaan kasar, hukum ini berlaku untuk μ< 60 0 .
Untuk permukaan yang dipoles, hukum Lambert tidak berlaku; emisi radiasi pada sudut akan lebih besar daripada arah normal permukaan.
Hukum Anggur menyatakan bahwa intensitas radiasi maksimum sesuai dengan panjang gelombang berikut:
Dari rumus tersebut jelas bahwa radiasi maksimum bergeser ke arah gelombang pendek dengan meningkatnya suhu (sebaliknya hukum Wien disebut hukum perpindahan).
...Dokumen serupa
>Persiapan gas untuk diproses, pembersihannya dari campuran mekanis. Pemisahan campuran gas, rektifikasi dan kondensasi suhu rendah. Diagram teknologi pabrik fraksinasi gas. Kekhususan pengolahan gas dari ladang kondensat gas.
tesis, ditambahkan 02/06/2014
Studi tentang pengaruh berbagai jenis bahan pengering terhadap efisiensi pengeringan pasir dan inti cetakan. Perhitungan unit pengering pada proses pengeringan batang dengan udara yang melewati alat pengering. Dasar-dasar rekayasa termal dari proses pengeringan, pertukaran panas.
tugas kursus, ditambahkan 04/11/2011
Perbaikan berkala campuran biner. Unit distilasi yang terus beroperasi untuk pemisahan campuran biner. Perhitungan bagian bawah pendingin, ketinggian lapisan gas-cair dari cairan. Penentuan kecepatan uap dan diameter kolom.
tugas kursus, ditambahkan 20/08/2011
Pembentukan campuran penggilingan sebagai metode menstabilkan sifat teknologi butiran. Persyaratan untuk persiapan campuran penggilingan biji-bijian. Perhitungan komposisi komponen campuran penggilingan, karakteristik setiap batch biji gandum untuk persiapannya.
tes, ditambahkan 05/07/2012
Kimia dasar karbon hitam, metode produksinya. Pembuatan campuran karet dengan kekerasan tertentu mengandung karbon hitam. Fitur memilih merek kompon karet yang tepat. Pengolahan kompon karet yang diisi dengan karbon hitam.
tugas kursus, ditambahkan 16/05/2013
Fenomena fisika-kimia dalam proses pengolahan karet dan kompon karet. Fitur teknologi modern untuk menyiapkan kompon karet. Persiapan campuran berdasarkan karet isoprena. Pengolahan campuran karet pada mesin roller.
tugas kursus, ditambahkan 01/04/2010
Perbaikan campuran minyak. Sistem pertukaran panas untuk penyulingan minyak primer dan pabrik rektifikasi gas hidrokarbon. Penilaian kemungkinan meningkatkan efisiensi sistem pertukaran panas. Pertimbangan skema yang dioptimalkan dari perspektif hidrolika.
tesis, ditambahkan 20/10/2012
Perhitungan bilah kerja. Volume satu bagian sirip. Pembuatan pisau menggunakan prototipe 3D. Parameter akurasi casting dan tunjangan pemrosesan. Persiapan cetakan pasir dalam pengaduk dayung sentrifugal kontinyu.
tesis, ditambahkan 27/05/2014
Karakteristik dan ruang lingkup bahan isolasi termal, struktur dan sifatnya. Efisiensi dan kerugian isolasi termal bubuk multilayer vakum. Teknologi isolasi pada perangkat untuk pemisahan campuran gas suhu rendah.
laporan, ditambahkan 24/11/2010
Persyaratan campuran aspal beton, karakteristik bahan yang digunakan untuk pembuatannya. Pemilihan komposisi campuran aspal beton sesuai spesifikasi. Teknologi dan urutan, peralatan untuk menyiapkan campuran aspal beton.
