otvety_na_voprosy_13-16


13. Докажите аналитически и графически, что работа газа при изохорном процессе равна нулю.
изохорный процесс (от др.-греч. ίσος — «равный», и χώρος — «пространство, занятое место») — это термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма.При изохорическом процессе давление идеального газа прямо пропорционально его температуре. В реальных газах закон Шарля не выполняется.
На графиках изображается линиями, которые называются изохоры. Для идеального газа они являются прямыми во всех диаграммах, которые связывают параметры: T (температура), V (объем) и P (давление).
Термодинамика процесса

График изохорного процесса на диаграмме (P,V)
Из определения работы следует, что изменение работы при изохорном процессе равно:

Чтобы определить полную работу процесса проинтегрируем данное выражение. Поскольку объем неизменен, то:
 ,
Но такой интеграл равен нулю. Итак, при изохорном процессе газ работы не совершает: .
Графически доказать это намного проще. С математической точки зрения, работа процесса — это площадь под графиком. Но график изохорного процесса
является перпендикуляром к оси абсцисс. Таким образом, площадь под ним равна нулю.
Изменение внутренней энергии идеального газа можно найти по формуле:
,где i — число степеней свободы, которое зависит от количества атомов в молекуле (3 для одноатомной (например, неон), 5 для двухатомной (например, кислород) и 6 для трёхатомной и более (например, молекула водяного пара)).Из определения и формулы теплоёмкости и, формулу для внутренней энергии можно переписать в виде:
 ,
где  — молярная теплоёмкость при постоянном объёме
Используя первое начало термодинамики можно найти количество теплоты при изохорном процессе:

Но при изохорном процессе газ не выполняет работу. То есть, имеет место равенство: ,
то есть вся теплота, которую получает газ идёт на изменение его внутренней энергии.
Докажите, что при адиабатном процессе расширения газа температура газа уменьшается.
Процесс, происходящий в теле без теплообмена с окружающими его другими телами, называется адиабатным процессом.
Все быстро протекающие процессы практически могут считаться адиабатными. Увеличение температуры газа при сжатии можно показать на следующем простом опыте. Возьмём толстостенный цилиндрический стеклянный сосуд, внутри которого может двигаться поршень.
При быстром сжатии воздух в сосуде сильно нагревается и легковоспламеняющееся вещество (например, ватка, смоченная эфиром), положенное на дно сосуда, вспыхивает. Такого рода явление используется, например, в двигателях внутреннего сгорания — дизелях: при сжатии воздуха в цилиндре двигателя горючая смесь, введённая в цилиндр, нагревается до температуры воспламенения.
При быстром же расширении газа температура его понижается. Это можно наблюдать на следующем опыте. Будем накачивать воздух в прочную, закрытую пробкой стеклянную банку, содержащую пары воды. При достижении определённого давления пробка выскочит; при этом воздух, расширяясь, совершит работу и охладится, вследствие чего водяной пар превратится в туман.
Понижение температуры при быстром расширении газа используется для получения сжиженных газов.
Изменение температуры тела, связано с изменением его внутренней энергии. Так как при быстром сжатии температура газа повышается, то внутренняя энергия его при этом увеличивается. Увеличение внутренней энергии газа происходит в результате работы, совершённой при его сжатии. Расширяясь же, газ совершает работу; при этом внутренняя энергия его уменьшается, и если расширение происходит быстро, то температура газа, как ми видели в наших опытах, понижается.
Адиабатные процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т.д.
Из первого начала термодинамики для адиабатного процесса следует, что
Работа над внешними силами совершается за счет убыли внутренней энергии

Продифференцировав уравнение состояния для идеального газа р V 
Исключим температуру Т: 
Разделив переменные и учитывая чтонайдем
Интегрируя это уравнение в пределах от р1 ДО р2 и соответственно от V1 до V2, а затем потенцируя, придем к выражению
Так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то можно записать
Полученное выражение есть уравнение адиабатного процесса, называемое также уравнением Пуассона.
График

14.Назовите основные формулировки второго закона термодинамики.
Первый закон термодинамики - один из самых общих и фундаментальных законов природы. Неизвестно ни одного процесса, где он нарушался бы. Если какой-либо процесс запрещен первым законом, то можно быть уверенным, что этот процесс никогда не произойдет.
Но первый закон ничего не объясняет, в каком направлении происходят процессы. Например, при падении камня вся его кинетическая энергия исчезает при ударе о землю, но при этом увеличивается внутренняя энергия самого камня и окружающих его тел, так что закон сохранения энергии не нарушается. Но первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс, при котором к лежащему на земле камню перешло бы от окружающих предметов некоторое количество теплоты, в результате чего камень поднялся бы на некоторую высоту. Однако никто никогда не наблюдал таких самопроизвольно подскакивающих камней. Разбить яйца и сделать яичницу не сложно, воссоздать же сырые яйца из готовой яичницы — невозможно. Запах из открытого флакона духов наполняет комнату — однако обратно во флакон его не соберешь. И причина такой необратимости процессов, происходящих во Вселенной, кроется во втором начале термодинамики, который, при всей его кажущейся простоте, является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики.
Опыт показывает, что разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды энергии.
Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок.
Формулировка Клаузиуса: невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.
Формулировка Томсона: невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела. Эта формулировка накладывает ограничение на превращение внутренней энергии в механическую. Невозможно построить машину (вечный двигатель второго рода), которая совершала бы работу только за счет получения теплоты из окружающей среды.
Формулировка Больцмана: Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. Энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Или, холодильник не работает, если он не включен в розетку! Или, частицы, оказавшись в беспорядочном хаотичном состоянии не возвращаются в порядок самопроизвольно.
15.Как определить к.п.д. цикла Карно?
В своём знаменитом сочинении Сади Карно обсудил принципы и предложил конструкцию теплового двигателя, который, должен обладать максимальной эффективностью преобразования теплоты в полезную работу. В современном изложении его рассуждения сводятся к следующему: в идеальной тепловой машине все необратимости должны быть исключены. Это возможно, если все трущиеся поверхности идеально смазаны, скорости движения рабочего тела малы, значит можно пренебречь внутренним трением, передача тепла от верхнего источника рабочему телу происходит при температуре рабочего тела мèньшей, но бесконечно близкой к температуре источника тепла, а передача тепла от рабочего тела к теплоприёмнику происходит при температуре рабочего тела бòльшей, но бесконечно близкой к температуре нижнего источника тепла. Изменение температуры рабочего тела, для исключения необратимого теплообмена, должно происходить адиабатически. Таким образом, приходим к идеальному циклу тепловой машины, известному под названием цикла Карнои состоящему из двух изотерм подвода и отвода тепла и двух адиабат. Относительно этого цикла формулируются дветеоремы Карно:
I теорема Карно - термический КПД цикла Карно максимален по сравнению с термическим КПД любой другой тепловой машины, работающей в том же интервале температур; это следует из того, что все процессы в машине Карно обратимы, т.е. в ней отсутствует диссипация энергии.
II теорема Карно- термический КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а зависит только от значений температур верхнего и нижнего источников тепла. Мы не будем доказывать эту теорему, укажем лишь, что если бы КПД цикла Карно зависел от свойств рабочего тела, то можно было бы передавать тепло от холодного тела к более нагретому без затраты внешней работы, т.е. нарушался бы второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса.Вторая теорема Карно позволяет вычислить термический кпд машины Карно, взяв в качестве рабочего тела идеальный газ. В координатах цикл такого двигателя, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, показан на рис. 3.2.
Здесь процесс 1–2 есть адиабатическое расширение со снижением температуры рабочего тела от температуры T1 верхнего источника тепла до температуры T2 нижнего источника, 2–3 – изотермическое сжатие с отводом тепла нижнему источнику с постоянной температурой T2, 3–4 – адиабатическое сжатие с повышением температуры от T2 до T1, 4–1 – изотермическое расширение с подводом теплоты к рабочему телу при постоянной температуре верхнего источника T1. (3.9)
Полученная формула является чрезвычайно важной для анализа работы любого теплового двигателя, т.к. она определяет верхний предел совершенствования эффективности превращения теплоты в работу, т.е. неупорядоченной формы движения материи, каковой является теплота, в упорядоченную форму, например, механическое перемещение, электроэнергия и др.
Из определения термического КПД теплового двигателя (3.6) и выражения (3.9) для термического КПД цикла Карно получаем
(3.10)
Отношение количества теплоты в изотермическом процессе к абсолютной температуре этого процесса было названо приведенным теплом. В отношении цикла Карно можно сказать, что сумма приведённых теплот для него равна нулю.
16.Каково назначение водяного пара
Одним из представителей реальных газов, применяемых в практике пожарного дела и широко применяемых в промышленном производстве, является водяной пар.
Водяной пар чрезвычайно широко применяется в различных отраслях промышленности, главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека.
ея высокое давление и относительно низкую температуру, пар, используемый на практике близок к состоянию жидкости, поэтому пренебрегать силами сцепления между его молекулами и их объемом, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, не представляется возможным использовать для определения параметров состояния водяного пара уравнения состояния идеальных газов, т. е. для пара pv≠RT,ибо водяной пар есть реальный газ.
Попытки ряда ученых (Ван-дер-Ваальса, Бертло, Клаузиуса и др.) уточнить уравнения состояния реальных газов путем введения поправок в уравнение состояния для идеальных газов не увенчались успехом, так как эти поправки относились только к объему и силам сцепления между молекулами реального газа и не учитывали ряда других физических явлений, происходящих в этих газах.Особую роль играет уравнение, предложенное Ван-дер-Ваальсом в 1873 г., (P + a/v2)(v — b) = RT. Являясь приближенным при количественных расчетах, уравнение Ван-дер-Ваальса качественно хорошо отображает физические особенности газов, так как позволяет описать общую картину изменения состояния вещества с переходом его в отдельные фазовые состояния. В этом уравнении а и вдля данного газа являются постоянными величинами, учитывающими: первая — силы взаимодействия, а вторая — размер молекул. Отношениеа/v2 характеризует добавочное давление, под которым находится реальный газ вследствие сил сцепления между молекулами. Величина вучитывает уменьшение объема, в котором движутся молекулы реального газа, вследствие того, что они сами обладают объемом.
водяным паром называется получающийся из воды реальный газ с относительно высокой критической температурой и близкий к состоянию насыщения.
Рассмотрим процесс превращения жидкости в пар, называемый иначе процессом парообразования. Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.
Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и ее температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. В Природе процесс испарения жидкости осуществляется в гигантских масштабах в любое время года.
Суть процесса испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовое действие соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают из жидкости в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает, так как увеличиваются скорость и энергия молекул и уменьшаются силы их взаимодействия. При испарении температура жидкости снижается, так как из нее вылетают молекулы, обладающие сравнительно большими скоростями, вследствие чего уменьшается средняя скорость оставшихся в ней молекул.
При сообщении жидкости теплоты повышаются ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей ее массе. При этом устенок сосуда и внутри жидкости образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.
Процесс, обратный парообразованию называется конденсацией. Этот процесс превращения пара в жидкость так же происходит при постоянной температуре, если давление остается постоянным. При конденсации хаотично движущиеся молекулы пара, соприкасаясь с поверхностью жидкости попадают под влияние межмолекулярных сил воды, остаются там, вновь преобразуясь в жидкость. Т.к. молекулы пара имеют большую по сравнению с молекулами жидкости скорость, то при конденсации температура жидкости увеличивается. Жидкость, образующаяся при конденсации пара, называется конденсатом.
Про пар(дополнительно)
Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.
Преимущества пара включают низкую токсичность, безопасность использования с легковоспламеняющимися и взрывоопасными материалами, простоту перемещения, высокую эффективность, высокую теплоту конденсации, а также низкую стоимость теплоносителя по сравнению с термомаслами. Пар отличается высокой теплотой конденсации на единицу массы (2300-2900 кДж/кг); эта теплота может быть преобразована в механическую энергию при помощи турбины или использована для нагрева в различных технологических процессах. Поскольку большая часть энергии пара имеет форму скрытого тепла (теплоты испарения), значительные количества пара могут эффективно передаваться при практически постоянной температуре, что облегчает подведение энергии ко многим технологическим процессам.
Вода может использоваться в тех случаях, когда рабочие температуры не превышают 100°C. Однако вода под высоким давлением, характеризующаяся более высокой температурой кипения, может использоваться при рабочих температурах выше 100°C, в некоторых случаях превышающих 180°C. Термомасла отличаются более высокой температурой кипения (и специально разработаны для длительных сроков службы). Однако они, как правило, имеют меньшую удельную теплоемкость и коэффициент теплопроводности, чем вода.
Переход воды в газообразное состояние требует значительной энергии, которая преобразуется в скрытое тепло пара. Это позволяет добиться значительно более интенсивной теплоотдачи, чем при использовании в качестве теплоносителя воды или термомасел:
• вода – 4000 Вт/м2·°C;
• термомасло – 1500 Вт/м2·°C;
• водяной пар – >10000 Вт/м2·°C.
Существует непосредственная зависимость между температурой получаемого пара и давлением. Это позволяет легко обеспечить необходимую температуру пара, меняя давление. Использование пара высокого или низкого давления накладывает определенные требования на различные характеристики установки, поэтому необходимо тщательно выбирать давление пара для проектируемой установки с тем, чтобы достичь оптимального соотношения между надежностью и энергоэффективностью.
Возможные проблемы
• производство пара связано с традиционными воздействиями, характерными для сжигания топлива;
• в случае подготовки питательной воды котла возможно поступление в окружающую среду химических веществ, используемых для очистки или деионизации воды;
• отходящий пар или сбрасываемый горячий конденсат могут приводить к повышению температуры в принимающих канализационных системах или водных объектах.
Структура паровой системы
Как правило, паровая система состоит из четырех основных компонентов: парогенератора (котла), распределительной системы (паропроводов или конденсатопроводов), потребителя или конечного пользователя (установки или технологического процесса, использующих пар или тепло), а также системы сбора конденсата. Эффективное производство и распределение пара, а также надлежащая эксплуатация и техническое обслуживание паровой системы способны внести значительный вклад в сокращение потерь тепла, как описано ниже:
• производство пара: пар производится в котле или теплоутилизационном парогенераторе посредством передачи тепла от горячих газов, образовавшихся при сгорании топлива, к воде. Когда вода получает достаточное количество тепла, происходит фазовый переход из жидкого в газообразное состояние. В некоторых котлах для дополнительного увеличения содержания тепла в паре применяется пароперегреватель. Под давлением пар поступает из котла или парогенератора в распределительную систему;
• распределение: распределительная система обеспечивает подачу пара от котла или парогенератора к месту конечного использования. Многие распределительные системы имеют несколько паропроводов, по которым подается пар различного давления. Эти подсистемы разделяются различными элементами трубопроводной арматуры – запорными клапанами, редукционными клапанами и, в некоторых случаях, турбодетандерами. Обеспечение энергоэффективности паровой системы требует надлежащего баланса давления пара, организации сбора конденсата, адекватной теплоизоляции и эффективного регулирования давления.
Использование пара высокого давления имеет следующие преимущества:
• более высокая температура насыщенного пара;
• меньший объем пара, что позволяет использовать паропроводы меньшего диаметра;
• если потребителям подается пар высокого давления, его давление может снижаться перед использованием;
• более высокое давление обеспечивает более стабильные условия парообразования в котле.
Пар низкого давления характеризуется следующими преимуществами:
• меньшие потери энергии при производстве пара и в распределительной системе;
• меньшее содержание остаточного тепла в конденсате;
• меньшие потери, связанные с утечками в паропроводах;
• менее интенсивное образование накипи.
В силу того, что для паровых систем характерно высокое рабочее давление, обеспечение безопасности является крайне важным аспектом эксплуатации таких систем. Кроме того, в паровых системах могут иметь место гидравлические удары и различные виды коррозии. Как следствие, надежность и срок службы различных компонентов существенно зависят от конструкции системы, качества монтажа и технического обслуживания.
1. Конечное использование: существует множество типов конечного использования энергии пара, например:
- преобразование в механическую энергию: приведение в движение турбин, насосов, компрессоров и т.д. Как правило, речь идет о крупном оборудовании – генераторах электроэнергии, крупных компрессорах и т.п.;
- нагрев: подведение тепла к технологическим процессам, сушка разнообразной бумажной продукции;
- использование в химических реакциях: создание требуемых условий для реакций и регулирование их хода, ректификация углеводородных смесей, источник водорода в паровом риформинге метана.
Традиционное конечное оборудование паровых систем, в котором происходит использование энергии пара, включает теплообменники, турбины, ректификационные колонны, колонны отпарки, а также химические реакторы.
В случае подведения тепла к технологическому процессу пар с помощью теплообменника передает используемому в процессе веществу энергию, в основном теплоту конденсации. Пар удерживается в теплообменнике до конденсации, после чего конденсат отводится в систему возврата с помощью конденсатоотводчика. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию, приводя в движение машины вращательного или возвратно-поступательного действия, например, насосы, компрессоры или электрогенераторы. В ректификационных колоннах пар используется для разделения жидкостей на различные компоненты. Кроме того, пар может применяться для отпарки примесей из различных веществ. Наконец, пар используется в некоторых химических реакциях в качестве источника воды.
2. Сбор и возврат конденсата: после того, как теплота конденсации пара передана технологическому процессу или использована, вода (конденсат) возвращается в котел при помощи системы сбора и возврата конденсата. Сначала конденсат собирается в специальном резервуаре, откуда он при помощи насоса подается в деаэратор, где из конденсата удаляются неконденсируемые газы. В резервуаре для сбора конденсата или деаэраторе к конденсату могут быть добавлены подпиточная вода и необходимые химические вещества. Питательные насосы увеличивают давление воды до уровня, превышающего рабочее давление в котле, и подают ее в котел, тем самым завершая цикл;
3. Расчет КПД паровых котлов.
Типичная система производства и распределения пара

Эффективность
Затраты на производство пара непосредственно зависят от цен на используемое топливо; ценовые преимущества, связанные с определенным видом топлива, могут перевесить такие факторы, как относительно низкий тепловой КПД при его применении. Однако при использовании любого конкретного вида топлива повышение теплового КПД является важным ресурсом энергосбережения.
Устранение потерь энергии в процессе производства и распределения пара (включая возврат конденсата) способно значительно снизить стоимость пара на уровне конечного пользователя.
Потенциальные объемы энергосбережения для конкретных предприятий могут варьировать в диапазоне от менее 1% до 35 %, средняя величина составляет 7 %.
Область применения
Широко применяется во многих секторах КПКЗ, включая электроэнергетику, все виды химической промышленности, целлюлозно-бумажную промышленность и пищевую промышленность, в частности, производство напитков и молока.

Приложенные файлы

  • docx 17637574
    Размер файла: 131 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий