Основы термодинамики

Одним из основных функциональных элементов систем сервиса на транспорте является энергетическая установка. Транспортные энергетические установки в системах сервиса выполняют две основные функции: 1) преобразование теплоты в механическую энергию; 2) преобразование механической энергии в теплоту или уменьшение теплоты (получение холода). Все эти процессы основаны на использовании законов термодинамики.

Термодинамика – наука о соотношении между теплотой и работой, о свойствах рассматриваемого объекта и параметрах состояния.

Теплота – форма энергии, проявляющаяся в интенсивности теплового движения молекул и атомов вещества. Количество теплоты – Q (Дж), удельная теплота – q = Q/m (Дж/кг), где m – масса вещества.

В термодинамике для рассматриваемых веществ используется обобщенное понятие – рабочее тело. Рабочее тело может представляться индивидуальным веществом (например, H₂O – вода) или смесью (например, воздух – N₂, O₂, CO₂, H₂O, Ar, Ne). Рабочие тела обладают определенными свойствами.

Характеристики свойств рабочего тела – величины, каждая из которых количественно отображает способность воспринимать те или иные воздействия.

К таким характеристикам относятся:

- удельная теплоемкость – количество теплоты, которое при неизменном объеме воспринимает один килограмм вещества при нагревании на один градус.

Обозначается – c_v, измеряется в Дж / кг К;

- газовая постоянная – величина работы, совершаемой одним килограммом рабочего тела при изменении температуры на один градус. Обозначается – R, измеряется в Дж/кгК; R= , где –молярная масса газа;

- единичная энтальпия рабочего тела – мера способности рабочего тела воспринимать теплоту и расширяться. Обозначается – i_p; i_p = c_v+ R;

- динамический коэффициент вязкости (м^-1кгс^-1) (характеризует степень влияния трения, возникающего при перемещении рабочего тела, на скорость его движения);

- коэффициент теплопроводности – количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу поверхности тела при градиенте температур в один градус на расстоянии один метр. Обозначается - ; измеряется в Вт/мК.

Состояние термодинамической системы определяется следующими параметрами:

- температура рабочего тела T (в кельвинах – К); характеризует интенсивность теплового движения молекул;

- плотность рабочего тела (кг/м³);

- удельный объем рабочего тела v (м³/кг); v = 1/;

- давление рабочего тела p (Н/м² – Паскаль, Па); характеризует суммарный эффект от силового воздействия молекул.

Связь между параметрами p,v (или ), Т и газовой постоянной R выражается уравнением состояния газов (уравнение Клапейрона)

.

Это уравнение позволяет решать различные задачи, связанные с эксплуатацией соответствующих технических средств сервиса.

Задача № 1

В нормальных условиях эксплуатации транспортного средства давление сжатого газа в баллоне равно Па при температуре 295 К. Определить давление газа в баллоне при аварийном повышении температуры окружающей среды до 317 ^оС.

Представим условие задачи в формализованном виде:

Па; Т₀ =295 К; t₁ = 317 ^оС.Определить р₁.

В соответствии с уравнением состояния газов можем записать:

Разделим первое уравнение на второе и получим:

Отсюда Подставляя численные значения, получаем: Па.

Задача № 2

Масса сжатого газа (аммиака) в баллоне емкостью 100 л равна 0,25 кг. Каково давление газа в баллоне при температуре 295 К? Не разрушится ли баллон при температуре 590 К, если предельно допустимое давление составляет 10⁶ Па?

Представим условие задачи в формализованном виде: m= 0,25; NH₃ – аммиак; V = 100 л; p^* = 10⁶ Па; Т = 295 К; Т₁ = 590 К. Определить p, p₁.

На основании уравнения состояния газов получим Входящие в формулу неизвестные параметры найдем с помощью соответствующих соотношений:

для газовой постоянной – (Дж/кгК);

для удельного объема – м³/кг.

Теперь определим p: Па. Для определения p₁ используем уравнение состояния газов: pv = RT; p₁v = RT₁.

После деления второго уравнения на первое получим

Отсюда Па < p^* ₌ 10⁶. Следовательно, баллон не разрушится.