Тақырып: Техникалық термодинамикадан жалпы мәліметтер.

Жылу - газбен қ амту жә не желдету инженерлік жү йелерді жобалау жә не пайдалану ү шін жылу техникасының теориялық негіздері жайындағ ы білім аса маң ызды болып табылады. Жылу техникасының теориялық негіздері техникалық термодинамика жә не жылу алмасудың кө птеген мә селелерінен тұ рады.

Кү й параметрлері.

Ә р тү рліжылу техникалық аппараттарда, қ ұ рылғ ыларда жә не жү йелерде жұ мыстың дене деп аталатын заттар қ олданылады. Жұ мыстық дене деп кө бінесе газдарды, сұ йық тарды жә не буларды айтады. Олардың физикалық кү йін кү й переметрлермен сипаттайды. Термодинамикада кү й параметрлерге температура қ ысым, меншікті кө лем немесе тығ ыздық жатады.

Температура Т (К) немесе t (C⁰) заттың қ ыздырылу дә режесін сипаттайтын параметр. Оның мә ні зат молекулаларының ілгерілемелі қ озғ алуының орташа кинетикалық энергиясымен анық талады. Температураны ө лшейтін Кельвин жә не Цельский шкалалар былай байланысады:

Т = t +273, 15. (1)

Қ ысым р (Па) - ыдыстағ ы заттың (газдың, сұ йық тың) молекулаларының ыдыс қ абырғ асына соқ қ ылау нә тижесімен анық талатын параметр. Жылу техникада абсолютті Р_а, артық Р_ар. жә не вакуумметрлік (р_вак) қ ысымдар ұ ғ ымдары қ олданылады.

Абсолютті қ ысым - заттың (жұ мыстық дененің) толық қ ысымы:

Р_а= Р _ар + Р _б (2)

мұ нда Р _б - барометрлік (атмосфералық) қ ысым, Па.

Артық қ ысым абсолюттік қ ысыммен барометрлік қ ысымның айырымы болып табылады:

Р_ар = Р _а - Р _б (3)

Вакуумметрлік қ ысым атмосфералық қ ысым мен абсолютті қ ысымның айырымы болып анық талады:

Р_вак = Р _б - Р _а (4)

Меншікті кө лем V (м³/ кг) - заттың бірлік массасының кө лемі болып анық талады:

=V /G, (5)

мұ нда V, м³- заттың толық кө лемі, G, кг- массасы.

Тығ ыздық (кг/м³) - заттың кө лем бірлігінің массасы:

= G / V (6)

кү й параметрлер Р, жә не Т арасындағ ы байланыс кү й тең деумен бейнеленеді. Идеалдық газ

(идеал деп молекулалары ө з ара ә рекеттеспейтін жә не олар кө лемсіз материалдық нү ктелер тү рде қ араластыратын газды айтады) ү шін кү й тең деу былай жазылады:

- газдың бірлік массасы ү шін =RT (7)

- еркін массасы ү шін PV=GRT (8)

Осы тең деулердегі R- газ тұ рақ тысы., Дж /(кг.К).

Ә р бө лек газ ү шін R-ң сан мә ні универсал газ тұ рақ тысы R_у = 8314 Дж /(Кмоль.К) арқ ылы табылуы мү мкін:

R= . (9)

мұ нда - газдың салыстырмалы молекулалық массасы..

Жылу сыйымдылық

Жылу сыймдылық деп заттың бірлік мө лшерінің (1 кг, 1м³, 1 кмольдің) температурасын бір градусқ а жоғ арлатуғ а қ ажетті жылу шамасын айтады.

Заттың алынғ ан бірлік мө лшеріне қ арай массалық с, кДж/(кг.К), кө лемдік с¹, кДж(м³.К) жә не мольдік c кДж/(кг.К) жылу сыйымдылық тарды айырады. Бұ лар былай байланысады:

с= , c¹= , c¹=c (10)

Жылу техникада сонымен қ атар орташа жә не шын жылу сыйымдылық ұ ғ ымдары қ олданылады. Егер 1 кг зат t₁ температурадан t₂ температурағ а дейін қ ыздырылу ү шін q, кДж/кг жылу шығ ындалатын болса, онда

с = (11)

ден дейін температура аралығ ындағ ы орташа жылу сыйымдылық болып табылады. Температура айырымы t₂-t₁, неғ ұ рлым аз болса, заттың жылу сыйымдылығ ы сол ғ ұ рлым ө зінің шын мә ніне жақ ын болады. Олай болса, шын жылу сыйымдылық ты былай табуғ а болады:

с= (12)

(11) ө рнек негізінде заттың 1 кг берілген жылу шамасы.q

q = c (t₂-t₁), кДж/кг (13)

ал заттың G, кг берілген жылу шамасы

Q = G c (t₂-t₁), кДЖ (14)

Газ тә різді заттың жылу сыйымдылығ ы газғ а жылу берілу (алыну) жағ дайларына тә уелді болады екен.

Арнайы тә жірибелер кө рсету бойынша, егер газ кө лемі тұ рақ ты (V=const) жағ дайда қ ыздырылғ ан болса, изохоралық деп аталатын с_v жылу сыйымдылық табылады. Егер газғ а қ ысымы тұ рақ ты (Р= const) жағ дайда жылу берілетін болса сондағ ы анық талғ ан с_р изобаралық жылу сыйымдылық с_v жылу сыйымдылық тан артық болып шығ ады. Араларындағ ы байланыс Майер тең деуімен бейнеленеді:

с_р- с_{v = R} (15)

Газ қ оспаларының жылу сыйымдылығ ы тө мендегі ө рнектермен анық талады:

с_{қ ос} = g_iс_i, с_{қ ос} = r_iс_i, (16)

мұ ндағ ы с_і жә не с_і і- ші газдың массалық жә не кө лемдік жылу сыйымдылық тары, g_i жә не r_i- і- ші газдың массалық жә не кө лемдік ү лестері.

Термодинамиканың бірінші заң ы

Энергияның сақ талу жә не тү рлену жалпы заң ының бір саласын жылу қ ұ былыстарына қ олдануды термодинамиканың бірінші заң ы деп атайды. Денеге жылу берілген (одан алынғ ан) болса, ішкі энергиясы ө згеруі мү мкін.

Барлық заттардың толық энергиясының бір бө лігі ішкі энергия деп аталады. Ішкі энергия u молекулалардың қ озғ алу жылдамдығ ына жә не араларындағ ы ә рекеттесуіне тә уелді болады.

Идеал газдың ішкі энергиясы тек қ ана бө ліктерінің қ озғ алуына, яғ ни температурағ а тә уелді болады, сондық тан ө згерісі температура ө згерісімен анық талады:

(17)

Газғ а жылу берілгенде (алынғ анда) газ кең ею (сығ ылу) мү мкін, яғ ни кө лем ө згеру жұ мыс атқ арылуы мү мкін.

Сонымен, жалпы жағ дайда газғ а берілген жылу шамасы q ішкі энергиясының ө згеруіне жә не L жұ мысқ а шығ ындалады. Термодинамика бірінші заң ының математикалық бейнелеуі мынағ ан келеді:

q= (18)

(18) ө рнек 1 кг газ ү шін жазылғ ан.

G кг газ ү шін:

Q = (19)

Кө лем ө згеру жұ мыс мынадай интегралдармен анық талады:

- 1 кг газ ү шін d (20)

- G кг газ ү шін L = G∙ dv (21)

Газдың кү й ө згеру процесін бейнелеп ө ту ү шін қ ысым, температура, меншікті кө лем деген кү й параметрлерден басқ а энтальпия жә не энтропия дейтін кү й функциялары қ олданылады.

Энтальпия і (кДж/кг, кДж/м³)- заттың бірлік шамасын (1 кг немесе 1 м³) нө л градустан (0⁰ C) t ⁰C -қ а дейін қ ысым тұ рақ тылығ ында қ ыздыруғ а қ ажетті жылу шамасы болып табылады:

і = c_р ∙ t (22)

Энтропия s (кДж /(кг. К)) шаманың термодинамикалық процесс барысындағ ы ө згерісі процесс жылулығ ының абсолютті температурағ а қ атынасы болып табылады:

(23)

Термодинамиканың екінші заң ы

Термодинамиканың бірінші заң ы бойынша газ кең ею жұ мыс орындап шығ ару ү шін оғ ан энергия (жылу) берілу керек. РV- диаграммадағ ы (2сур.) 1-А-2 кең ею процесінде газғ а " жылудың ыстық

кө зінен" q₁ жылу берілген болсын. Сыртқ ы кү штерге қ арсы газ кең ею ℓ _k жұ мысын орындайды:

ℓ _k= рd υ

Интеграл шамасы 1А234 фигураның ауданына тең.

Осы жұ мыс мерзімді алынып тұ ру ү шін газ бастапқ ы кү йіне қ айтарылу керек, яғ ни сығ ылу керек. 2 В 1 сығ ылу процесінде шығ ындалатын жұ мыс ℓ _с= рd υ.

2 сурет.

Сығ ылу жұ мысы ℓ _с 1В 2 3 4 фигураның ауданымен анық талады. 1А2В1 тұ йық талғ ан процесс цикл немесе айналма деп аталады. Цикл нә тижесінде алынатын пайдалы жұ мыс ℓ _ц кең ею жә не сығ ылу жұ мыстардың айырымымен анық талады: ℓ _ц =ℓ _k - ℓ _с=(1А234) - (1В234)= 1В2В1. Сығ ылу кезінде газдан жылу q₂ " жылу қ абылдағ ышқ а" бұ рылып ә кетіледі. q₂ -пайдасыз жылу. Цикл барысында пайдағ а айналғ ан жылу

q_ц = q₁- q₂. (24)

Цикл соң ында газ бастапқ ы кү йіне оралады, сондық тан кү й функциясы - ішкі энергиясы - u ө згеріссіз қ алады: Δ u_ц = 0.

Осыны ескергенде термодинамиканың бірінші заң ы цикл ү шін мына тү рге келеді:

q_ц = Δ u_{ц +}ℓ _ц = ℓ _ц.

(24) байланысты есепке алғ анда

ℓ _{ц =} q₁- q₂

Осындай тура айналмалар (айналма жү рісі сағ ат тілі жү рісімен бағ ыттас) жылу қ озғ алтқ ыштарда орындалады. Тиімділігі термиялық пайдалы ә сер коэффициентпен η _t сипатталады:

. (25)

q₂ ≠ 0 болғ андық тан η _t бірге тең болмайды. Осы жағ дайды С.Карно былай тұ жырымдағ ан: денеге ә келінген жылу толығ ымен пайдалы жұ мысқ а тү рленбейді, ө йткені жылудың бө лігі міндетті тү рде жылу қ абылдағ ышқ а бұ рып ә кетілу керек.

Осы тұ жырым термодинамика екінші заң ының мағ ынасы болып табылады.

Ұ сынылатын ә дебиеттер:

1 нег.[5-21; 23-29; 38-40]; 9 қ ос[6-17, 22-26]

Бақ ылау сұ рақ тар:

1. Кү й параметрлердің (температура, қ ысым, меншікті кө лем, тығ ыздық) сипаттамасы.

2. Жылу сыйымдылық тың анық тамасы, тү рлері.

3. Жылуды, ішкі энергияның ө згерісін, орындалғ ан жұ мысты анық тайтын формулалар.

4. Термодинамика бірінші заң ының мағ ынасы мен математикалық бейнесі.

5. Цикл (айналма) ұ ғ ымы.

6. Термодинамика екінші заң ының мағ ынасы.