Пәннің ОҚУ Әдістемелік кешені «Жылутехника»



жүктеу 0.7 Mb.
бет3/12
Дата10.01.2019
өлшемі0.7 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Дәріс 2


(2 сағат, 2 апта)
Тақырып. Газдың жылусыйымдылығы. Жылудинамиканың 1-ші заңы
Дәріс сабақтың мазмұны
1 Идеал газ қоспасы

2 Дальтон заңы

3 Идеал газ параметрлері және оларды анықтау

4 Термодинамиканың бірінші бастамасы. Энергияның сақталу және айналу заңы.

5 Термодинамикалық жүйенің энергиясы

6 Ішкі энергияның өзгеруі

7 Энтальпияның анықтамасы.
Идеал газдың қоспасы

Техникада өздері жеке газдардың қоспасы болып келетін газ тәрізді заттар қолданылады. Жердегі ең кең таралған газ ауа (бұл негізінен азот пен оттегінің қоспасы). Отынның жануы кезінде жүретін химиялық реакция ауадағы оттегімен тотығады да, пайда болған түтін газдары да қоспа түрінде болады. Бұндай мысалдарды көптеп келтіруге болады.

Домнадағы газ, қазандықтан іштен жану двигателінен, реактивті двигателінен және басқа жылу қондырғыларынан шығар газдар да жоғарыда айтылған мысалға жатады.

Газ қоспасы деп бір-бірімен химиялық реакцияға кірмейтін жеке газдар қоспасын айтады. Қоспадағы әр газ басқа газдардан тәуелсіз өзінің бар қасиеттерін сақтайды және ол өзі ғана толтырылған көлемдегі сияқты әсер етеді.

Ыдыстың қабырғасына газдың молекулалары парциалды (құрамдас бөліктері) деп аталатын қысым туғызады. Қоспаға кіретін әр жеке газ, Клапейронның теңдеуіне бағынады, сонымен ол идеал газға жатады. Идеал газдар қоспасы Дальтон заңына бағынады, ол былай дейді:

Газдар қоспасының жалпы қысымы, жеке газдардың құрамдас бөліктерінің қысымдарының қосындысына тең:


(2)

мұндағы P1, P2, P3…Pn-құрамдас бөліктердің қысымы.


Газ қоспасының жылусыйымдылығы

Дененің температурасын 10С өзгерту үшін, берілетін немесе одан алынатын жылу мөлшерін жылусыйымдылық деп атайды.

Жылусыйымдылықтың зат мөлшеріне қатынасын меншікті жылусыйымдылық деп атайды. Меншікті жылусыйымдылықтың мынадай түрлері бар:

массалық , Дж/(кгК);

көлемдік , Дж/(м3К);

молдік , Дж/(кмольК).

Идеал газдың жылусыйымдылығы температурадан тәуелді. Бұл белгілері бойынша нақтылы және орташа жылусыйымдылықтар болып ажыратылады.

Температураның шексіз аз өзгеруіне сәйкес келетін жылусыйымдылықты нақты жылусыйымдылық деп атайды.



.

(3)

Температраның t1-ден t2-ге өзгеруіне сәйкес жылусыйымдылықты орташа жылусыйымдылық деп атайды.

,

(4)

Идеал газдардың жылусыйымдылығы температурадан ғана емес сонымен қатар газдардың атомдар санына және процестің түріне де тәуелді.

Нақты газдардың жылусыйымдылығы олардың табиғи қасиеттерінен, температурасы мен қысымынан да тәуелді.

Газдар үшін жылыту және суыту кезіндегі тұрақты көлемдегі және тұрақты қысымдағы газ күйінің өзгерістері ерекше ескеріледі:

Жылусыйымдылық жылудың берілу және әкетілу түрінен тәуелді. Тұрақты қысымдағы жылусыйымдылық- изобаралық ср-деп аталады.

- , Дж/(кгК);

- , Дж/(м3К);

- , Дж/(кмольК).

Тұрақты көлемдегі жылусыйымдылық- изохоралық сv деп ажыратылады.

- , Дж/(кгК);

- , Дж/(м3К);

- , Дж/(кмольК).

Бұл жылусыйымдылықтардың өзара байланысын Майер теңдеуі көрсетеді:



,

(5)

мұндағы-R –газ тұрақтысы, Дж/(кгК)

немесе:


,

(6)

мұндағы - универсалды газ тұрақтысы, = 8314 Дж/(кмольК).

Изохоралық процесте берілетін жылу тек газдың ішкі энергиясын өзгертуге жұмсалады, ал изобаралық процесте ол жылу жұмыс жасау үшін де жұмсалады. Сондықтан срv .

Техникалық жылудинамикада жылусыйымдылықтардың қатынасы адиабат көрсеткіші деп аталады (Пуассон коэффициенті).


.

(7)

Газдың температурасымен бірге жылусыймдылығы үлкейеді.

1 кг газдың жылыту кезіндегі бастапқы температурасынан соңғы температурасына дейін жылу мөлшері мына формуламен аңықталады:



.

(8)

Осы интегралды есептеу үшін мына функцияны білу керек .

Егер және температурадан тәуелді емес деп есептесек, молдік жылусыйымдылықтар шамалы тең болып, газдың атомдықтан тәуелді болады.

Жылусыйымдылықты кесте бойынша аңықтауға болады. Жылусыймдылық аддитивті болады, соңдықтан газ қоспасындағы массалық және көлемдік жылусыймдылықтарға мына аңықтамалар қажет:


,

(9)

.

(10)


Жылудинамиканың 1-заңы жалпы энергияның сақталу және айналу заңының бір түрі. Бұл заң механикалық энергия мен жылулыққа қолданылатын түрі.

Жылудинамиканың бірінші бастамасы (заңы), барлық процестер мен құбылыстарға қолданылатын, жалпылама, табиғаттын универсалды заңы болып табылатын, масса мен энергияның сақталу және айналу заңынаң жылулық құбылыстарға қосымшасы болып табылады.

Сапа жағынан айырмашылығы бар, энергияның саалуан түрлері бар (тұтас дененің қозғалысына байланысты, кинетикалық энергия; электр зарядтарының қозғалысына байланысты электрлік энергия; молекулалық және молекула ішіндегі қозғалысқа байланысты ішкі энергия және т.б.

Берілген түрдегі энергия деңелердің өзара әсерінің нәтижесінде, энергиясының басқа кез-келген түріне ауыса немесе айнала алады және де оқшауланған жүйеде барлық түрдегі энергиялардың қосындысы тұрақты шама болып табылады. Басқа сөзбен айтқанда, оқшауланған жүйенің энергиясы, жүйедегі кез-келген процестердің барысында өзгермейді; энергия жоғалмайды және жоқтан пайда болмайды (энергияның сақталу және айналу заңдары).

Энергия ұғымы материя қозғалысымен біте байланысты: энергия материя қозғалысының физикалық өлшемі. Энергияның жеке түрлерінің айырмашылығы материалдық денелердің қозғалу пішіндерінің сапалық айырмашылықтарының бар болуымен түсіндіріледі. Дене энергиясының бір-біріне айналуы, материя қозғалысының шексіз мүмкіндігін, бір пішіннен екінші пішінге ауыса алатындығын бейленеді. Сондықтан, энергия сақталу заңы материалдық дүниенің қозғалысының жойылмайтындығының дәлелі болып табылады.

Тұйықталған термодинамикалық жүйенің энергиясы сақталу заңына орай өзгермейді, яғни




E=const немесе E2 - E1=0

(11)

Енді қоршаған орта мен механикалық өзара әсерге түсе алатын адиабатылық оқшауланған жүйені қарастырайық. Бір күйден екінші күйге өткенді бұлжүйе сыртқы денелерге мынадай L жұмыс атқарады, ол энергия сақталу және айналу заңына орай жүйе энергиясының азаюна тең E2 - E1, яғни




L= E1 – E2

(12)

Жалпы жағдайда қоршаған денелермен жылулық және механикалық өзара әсерде болатын оқшауланбаған термодинамикалық жүйедегі энергияның өзнеруі, ол өндірген жұмыс пен жүйе қабылдаған жылу мөлшеріне байланысты мына қатынаспен беріледі:




E1 – E2 = Q - L

(13)

Бұл өрнек кез-келген процесс үшін орынды болатын термодинамиканың бірінші бастамасын жалпы өрнеге болып табылады.

Жұмыс денесінің ішкі энергиясы – барлық кинетикалық энергияның үдемелі және айналушы қозғалысындағы, оның молекуларының жұмысшы денедегі функциялық жағдайы.

СИ жүйесінде ішкі энергияның өзгеруінің өлшем бірлігі - Дж (Джоуль), меншікті ішкі энергияның өлшем бірлігі - Дж/кг.

Дененің ішкі энергиясын , Дж, мына формуламен анықтайды:


,

(14)

мұндағы - молекулардың ішкі кинетикалық энергиясы, Дж;

- молекулардың ішкі потенциалды энергиясы, Дж;

- интегрирдығының тұрақтысы, Дж.

Меншікті ішкі энергиясын мына формуламен анықтайды, Дж/кг:



,

(15)

мұндағы - молекулардың меншікті ішкі кинетикалық энергиясы, Дж/кг;

- молекулардың меншікті ішкі потенциалды, Дж/кг;

- интегрирдығының тұрақтысы, Дж/кг.

Ішкі кинетикалық энергияны , Дж, келесі бөліктерге бөлуге болады:



,

(16)

мұндағы - молекулардың үдемелі қозғалысының кинетикалық энергиясы, Дж;

- молекулардың айналушы қозғалысының кинетикалық энергиясы, Дж;

- бір-біріне қатынасты молекула атомдар ядроларының колеб қозғалысының энергиясы, Дж.

Нақтылы газдард үшін ішкі энергиясы, Т температура, газ тығыздығы ретінде функция:




= f (T, ),

(17)

Тығыздықпен байланысты, белгілі Джоуль-Томсон экспериментімен дәлелденеді де, газдың жекеленген жүйесіндегі кеңеюінен, жұмыстың атқарылмауы өтеді. Бұл экспериментте dq, сонымен және pd нөлге тең. Сондықтан,



d= dq - pd (1/) = 0,

(18)

Термодинамикасында ішкі энергияның абсалютсыз шамасызымен істес болуға тура келеді, ал оның өзгеру нәтижесіндегі жүйе күйінің өзгеруін ғана қарастырады. Ішкі энергияның абсалютты шамасының жоқ екенің бағалайды. Одан басқа, ішкі энергия = mu аддитивті шамада болады. Соңдықтан, ішкі энергияның бастапқы есептеуі үшін шартты күйін қабылдайды. Практикалық түрінде ішкі энергияның нольді шартты мәнін деп қабылдайды да, р = 0,10133 мПа және Т = 273,16 К (нормалы физикалық жағдайда)



Термодинамиканың бірінші заңы - энергияның сақталу эаңы және түрленуі, яғни энергия жоғалмайды және еш нәрседен пайда болмайды, ол тек қана, бір түрінен екіншісіне түрленіп ауысады.

Термодинамикасының 1-заңы механикалық және жылу энергиясының өзара айналуының арақатынасын көрсетеді.

1 кг жұмысшы денесі үшін термодинамикалық бірінші заңының дифференциалды түрінде аналитикалық формуласы:



.

(19)

Жылулық және жұмыс мөлшері процесстің функциялары, ал ішкі энергия жағдайдың функциясы. Сондықтан (6) теңдеу мына түрінде болады:




.

(20)

жұмысшы дененің М кг үшін:




.

(21)

Жұмысшы дене М кг және , Дж/кг , жұмысшы дененің 1 кг үшін Термодинамикалық процесстерді есептеу үшін У. Гиббс функцияны енгізді , Дж. Бұл функциясы энтальпия деп аталады.

Энтальпия – термодинамикалық функция, толық мағыналы (ішкі және сыртқы) энергия жүйелерінің болуы. Ол ішкі энергия мен серпімді энергия PV қосындысынан тұрады, қоршаған ортаның сыртқы қысымының P бар болуымен анықталады, яғни PV – бұл жұмыс атқарушы, жұмысшы жененің энтальпиясындағы температуралық байланысты және температураның өзгеруінен, энтальпия өзгереді.

Энтальпияны , Дж, мына формуламен анықтайды:



,

(22)

мұндағы - ішкі энергия, Дж;

- қысым, Па;

- көлем, м3.

Меншікті энтальпияға , Дж/кг, мына формула



,

(23)

мұндағы - меншікті ішкі энергия, Дж/кг;

- қысым, Па;

- меншікті көлем, м3/кг.
Осы дәрістің материалдарының негізгі түсініктерің білүі керек:

Жылусыйымдылық, меншікті жылусыйымдылық, орта және нақты жылусыйымдылық, Майер теңдеуі, газ қоспасының жылусыйымдылығы, жылудинамикалық бірінші заңы, ішкі энергия.


Өздік бақылау сұрақтары

1 Меншікті жылусыйымдылықтың анықтамасын беріңіз

2 Орта және нақты жылусыйымдылықтардың өзара айырмашылығы

3 Жылусыйымдылықтардың түрлерін айтыныз

4 Майер теңдеуінің физикалық мәнін түсіндір

5 Газ қоспасының жылусыйымдылығын қалай анықтайды

6 Жылусыйымдылықтың өлшем бірліктерін атаңыз

7 Жылу динамикалық бірінші заңы

8 Жылу мен жұмыстың өлшем бірліктерінің қатнасы

9 ПӘК формуласын жазыныз

10 Жылу динамикасының бірінші заңының аналитикалық кескінің түсіндір

11 Ішкі энергияның формуласын жазыныз



Ұсынылатын оқулықтар
1 Бахмачевский Б.И. и др. «Теплотехника». - М.: Металлургиздат., 1969. - б.3-20

2 Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача». - М.: Высшая школа, 1980. - б.3-15

3 Асамбаев А.Ж. «Техникалық термодинамиканың негіздері» - 2006. – б.4-16

4 Кабашев Р.А. «Жылу техникасы» - М.: Полиграфсервис., 2008. – б. 32-66

5 Баскаков Б.В., Берг О.К., Витт и др. «Теплотехника» - М.: Энергоатомиздат., 1991. – б. 4-11, б. 40-41

6 Энергетиканың электрондық энциклопедиясы.


Модуль 1. Техникалық жылудинамика


Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет