Аналитическое выражение первого закона термодинамики для неподвижного тела

В данном термодинамическом процессе теплота расходуется в двух направлениях:

· На изменение внутренней энергии

· На совершение внешней работы

Энтальпия. Второй закон термодинамики

Энтальпия (i(h)) – термодинамическая функция, выражающая полную (внутреннюю и внешнюю) энергию системы и складывается из внутренней энергии () и работы (pV), которую надо затратить, чтобы ввести тела объемом V в среду, имеющую давление р.

i(h) – удельная величина

[ i(h) ] = 1 Дж/кг

Второй закон термодинамики:

1) Самопроизвольное протекание естественных процессов возникает и развивается, если нет равновесия между термодинамической системой и окружающей средой.

2) Самопроизвольно протекающие в природе естественные процессы всегда протекают в одном направлении (от более высокого потенциала к более низкому).

3) Самопроизвольно протекающие естественные процессы направлены на достижение равновесия между термодинамической системой и окружающей средой и по достижении этого равновесия прекращаются.

4) Процесс может протекать в направлении, обратном самопроизвольному, если энергия для этого заимствуется из окружающей среды.

Энтропия. Физический смысл энтропии

Энтропия – параметр состояния рабочего тела, который устанавливает связь между количеством теплоты и температурой.

[S] = 1 Дж/кг

Энтропию можно определить, если известны два любых основных параметра состояния.

Физический смысл энтропии:

S – мера беспорядка

Возрастание беспорядка означает возрастание энтропии и рассеивание энергии. Например:

1) При подводе теплоты увеличивается хаотичность теплового движения частиц и увеличивается энтропия.

2) Охлаждение системы ведет к упорядочиванию и уменьшению энтропии.

3)При конденсации газа в жидкость молекулы занимают более определенные положения. Упорядоченность в системе растет, значение энтропии скачкообразно падает.

4)Когда жидкость превращается в твердое вещество, молекулы образуют правильные кристаллические решетки, т.е. упорядоченность растет, а энтропия уменьшается.

Энтропия. Третий закон термодинамики

Энтропия – параметр состояния рабочего тела, который устанавливает связь между количеством теплоты и температурой.

[S] = 1 Дж/кг

Энтропию можно определить, если известны два любых основных параметра состояния.

Физический смысл энтропии:

S – мера беспорядка

Возрастание беспорядка означает возрастание энтропии и рассеивание энергии. Например:

1) При подводе теплоты увеличивается хаотичность теплового движения частиц и увеличивается энтропия.

2) Охлаждение системы ведет к упорядочиванию и уменьшению энтропии.

3)При конденсации газа в жидкость молекулы занимают более определенные положения. Упорядоченность в системе растет, значение энтропии скачкообразно падает.

4)Когда жидкость превращается в твердое вещество, молекулы образуют правильные кристаллические решетки, т.е. упорядоченность растет, а энтропия уменьшается.

Третий закон термодинамики:

Такая закономерность позволяет предположить, что при нуле абсолютной температуры тепловое движение полностью прекратится, в системе установится максимальный порядок, т.е. энтропия станет равной нулю.

Такое предположение согласуется c опытом, но не поддается опытной проверке, т.к. абсолютный нуль не достижим, и называется третьим законом термодинамики.

Основные термодинамические процессы идеальных газов – изохорный, изобарный

1) Изохорный процесс (V=const)

– закон Шарля

В T-S координатах кривая изохорного процесса носит логарифмический характер.

2) Изобарный процесс (p=const)

- закон Гей-Люссака

В T-S координатах кривая также носит логарифмический характер, но изобара идет более полого чем изохора.

Основные термодинамические процессы идеальных газов – изотермический, адиабатный

1) Изотермический процесс (T=const)

– закон Бойля-Мариотта

В p-V координатах кривая процесса – равнобокая гипербола.

2) Адиабатный процесс(dQ=const, S=const)

– без теплообмена с окружающей средой

В p-V координатах процесс описывается уравнением , где k – показатель адиабаты ().

Процессы получения перегретого пара из влажного – изохорный, изобарный

Водяной пар – основное рабочее тело в паротурбинных установках электростанций, а также один из теплоносителей в теплообменных аппаратах ТЭС.

- реальный газ, в нем необходимо учитывать силы взаимодействия и объемы молекул, поэтому законы идеальных газов не распространяются на водяной пар.

Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Его состояние определяется всего 1 параметром (р или Т)

Влажный насыщенный пар получается при неполном испарении жидкости и является смесью сухого насыщенного пара и мельчайших капелек жидкости, равномерно распределенных на всем объеме и находящихся во взвешенном состоянии.

Степень сухости пара (х) – массовая доля сухого насыщенного пара во влажном.

, где m2 – масса сухого насыщенного пара, m1 – масса воды.

Состояние влажного насыщенного пара определяется двумя параметрами: р и х.

Перегретый пар получается при сообщении теплоты сухому насыщенному пару при p=const.

Перегретый пар по своим свойствам приближается к газам и тем ближе, чем выше степень его перегрева. Состояние перегретого пара определяется двумя параметрами: р и Т.

Расчет термодинамических процессов для водяного пара производится с помощью:

1)Термодинамических таблиц состояния воды и пара

2)Графического способа с помощью I-S диаграммы

Кипящая вода Влажный насыщенный пар (p=const, t=const) Сухой насыщенный пар Перегретый пар (p=const)

Критическая точка К имеет параметры, при которых кипящая вода сразу переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область.

Основные термодинамические процессы получения перегретого пара из влажного в I-S диаграмме:

1)Изохорный

Дано: p1, x1 (т.1) Определить: I1, I2, S1, S2

2) изобарный

Дано: p1, x1 (т.1)

Определить: i1, V1, t1, i2, V2

Процессы получения перегретого пара из влажного – изохорный, изобарный

Водяной пар – основное рабочее тело в паротурбинных установках электростанций, а также один из теплоносителей в теплообменных аппаратах ТЭС.

- реальный газ, в нем необходимо учитывать силы взаимодействия и объемы молекул, поэтому законы идеальных газов не распространяются на водяной пар.

Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Его состояние определяется всего 1 параметром (р или Т)

Влажный насыщенный пар получается при неполном испарении жидкости и является смесью сухого насыщенного пара и мельчайших капелек жидкости, равномерно распределенных на всем объеме и находящихся во взвешенном состоянии.

Степень сухости пара (х) – массовая доля сухого насыщенного пара во влажном.

, где m2 – масса сухого насыщенного пара, m1 – масса воды.

Состояние влажного насыщенного пара определяется двумя параметрами: р и х.

Перегретый пар получается при сообщении теплоты сухому насыщенному пару при p=const.

Перегретый пар по своим свойствам приближается к газам и тем ближе, чем выше степень его перегрева. Состояние перегретого пара определяется двумя параметрами: р и Т.

Расчет термодинамических процессов для водяного пара производится с помощью:

1)Термодинамических таблиц состояния воды и пара

2)Графического способа с помощью I-S диаграммы

Кипящая вода Влажный насыщенный пар (p=const, t=const) Сухой насыщенный пар Перегретый пар (p=const)

Критическая точка К имеет параметры, при которых кипящая вода сразу переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область.

Основные термодинамические процессы получения перегретого пара из влажного в I-S диаграмме:

изотермический

Дано: p1, x1 (т.1), p2

Определить: i1, V1, S1, i2, V2, S2

адиабатный

Дано: p1, x1 (т.1), p2

Определить: i1, V1, t1, i2, V2

Цикл Ренкина. Термический КПД цикла

р1 12-14 МПа t1=545-565 tпв = 230-260 рк 3-5 кПа

ПК – паровой котел (парогенератор) ПП – пароперегреватель

Т – паровая турбина ЭГ – электрогенератор

К – конденсатор ПН – питательный насос

Пар из ПК поступает в ПП, откуда направляется в Т, где совершает работу, а Т в свою очередь вращает ЭГ. Пар после Т поступает в К, где от него отводится теплота охлаждающей (циркуляционной) водой. Образовавшийся конденсат ПН подается в паровой котел и цикл повторяется.

Подвод теплоты к воде в ПК для превращения ее в перегретый пар осуществляется за счет сжигания топлива.

Теоретический цикл работы паротурбинной установки – цикл Ренкина – состоит из отдельный термодинамический процессов (с учетом работы, затрачиваемой на увеличение давления воды в ПН).

1 – перегретый пар поступает в Т с р1 и t1

1-2 – процесс адиабатного расширения от давления р1 до рк при S=const

2-3 – процесс конденсации пара в К при рк и tk=const

3-4 – процесс увеличения давления в ПН от рк до р1

Процесс 3-4 учитывается только в цикле Ренкина, поскольку i3 и i4 близки, модификация цикла сводит его в 1 точку.

4-5 – процесс нагревания воды в ПК до температуры насыщения (т.е. кипения)

5-6 – процесс парообразования в паровом котле (вода превращается в сухой насыщенный пар) при р1 и t=const

6-1 – процесс перегрева сухого насыщенного пара в ПП, происходящий при р=const

1)Количество теплоты, подведенной к 1 кг пара в цикле:

2)Количество теплоты, отведенной от 1 кг пара охлаждающей водой в К (потери теплоты):

3)В полезную работу в Т превращается лишь часть теплоты:

Термический КПД цикла – отношение теплоты пара, превращенной в полезную работу, ко всей теплоте, подведенной к воде и пару в цикле.

Цикл Ренкина имеет низкий КПД ( 36-37%), поэтому в «чистом» виде на электростанциях не используется. Для повышения КПД цикла используются модификации цикла Ренкина.

Цикл с промежуточным перегревом пара. Термический КПД цикла

Схема паротурбинной установки:

ЦВД – цилиндр высокого давления

ЦНД – цилиндр низкого давления

КН – конденсационный насос

ВПП – вторичный (промежуточный) пароперегреватель

Принцип работы:

Т состоит из двух цилиндров: ЦВД и ЦНД, а в ПК к основному ПП добавляется дополнительный теплообменник (ВПП). Перегретый пар (р1, t1) поступает в ЦВД Т, где, расширяясь, совершает работу. Приближаясь к состоянию сухого насыщенного пара (х ), пар отводится из ЦВД во ВПП, в котором перегревается до более высокой температуры. ВПП расположен в ПК. Перегрев пара в нем осуществляется за счет теплоты продуктов сгорания топлива. Перегретый вторично пар возвращается в ЦНД Т и совершает в нем работу.

1-3 – процесс адиабатного расширения пара от р1 до в ЦВД

3-4 – процесс изобарного перегрева пара во ВПП

4-2 – процесс адиабатного расширения пара от до рк в ЦНД

2-5 – процесс конденсации пар в конденсаторе при tk=const, pk=const

5-6 – нагрев воды до кипения в ПК

6-7 – процесс парообразования в ПК при p1=const, t1=const

7-1 – изобарный перегрев пара в основном пароперегревателе при р1=const

Термический КПД цикла:

, где qЦВД=

qЦНД= , qПК= , qВПП=

Регенеративный цикл паротурбинной установки

Схема паротурбинной установки:

РП –регенеративный подогреватель

- доля отбора

Для повышения термического КПД цикла применяется регенеративный водогрев основного конденсата перед его поступлением в ПК. Не весь пар, поступивший в Т, расширяется до конечного давления рк (в К). Часть пара, совершив работу, отбирается из Т при некотором промежуточном давлении ротб (рк ротб р1) и направляется в РП. В этот же РП поступает основной конденсат после конденсатора Т. Пар из отбора нагревает основной конденсат, при этом превращается в дренаж (воду при tнасыщ, соответствующей давлению в отборе).

Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности

Теплообмен – обмен тепловой энергией между физическими телами или системами, вызванный разностью температур этих тел или систем. Такой перенос теплоты в соответствии с вторым законом термодинамики всегда направлен от более нагретых тел или систем к менее нагретым.

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в сплошной среде. В этом случае теплота передается за счет непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную температуру, что приводит к обмену энергией между молекулами, атомами и свободными электронами.

В «чистом» виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах и неподвижных жидкостях или газах.