Термодинамические процессы идеальных газов

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Техническая термодинамика и теплотехника" для студентов специальностей 170500 "Машины и аппараты химических производств", 250100 "Химическая технология органических веществ", 250200 "Химическая технология неорганических веществ", 250400 "Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов", 250600 "Технология переработки пластических масс и эластомеров", по дисциплине "Теоретические основы теплотехники" для студентов специальности 100700 "Промышленная теплоэнергетика" всех форм обучения

Составители И.В. Дворовенко

Рассмотрены и утверждены

на заседании кафедры

Протокол № 3 от 27.11.03

Рекомендованы к печати

Протокол № 3 от 27.11.03

находится в библиотеке

главного корпуса ГУ КузГТУ

1. Цель и содержание работы

Целью настоящей работы является исследование термодинамических процессов идеальных газов на модели лабораторной установки, выпол­ненной на компьютере. Практическое изучение различных термодинамических процессов проводится с использованием простейшего и наглядного устройства – поршневого компрессора.

Задачей исследования основных термодинамических процессов в виртуальном режиме является приобретение навыков использования теоретических основ теплотехники в практической деятельности будущего специалиста.

При исследовании термодинамических процес­сов студенты выбирают рабочее вещество, устанавливают значения па­раметров состояния, которые не изменяются в ходе процесса, измеряют значения давления и температуры в различных точках процесса, угол поворота кривошипа. На основании результатов работы студенты рас­считывают значения параметров состояния (абсолютной температуры, абсолютного давления, удельного объема, внутренней энергии, энталь­пии, энтропии) в различных точках процесса, определяют работу рас­ширения газа и количество теплоты, участвующее в процессе, анализи­руют характер изменения параметров состояния идеального газа.

2. Теоретические положения

Идеальным газом называется газ, объем молекул которого пренебрежимо мал по сравнению с объемом газа и между молекулами отсутствуют силы взаимного притяжения и от­талкивания.

Термодинамическим процессом называют любое изменение состояния термодинамической системы при переходе от одного равновесного состояния в другое в результате ее взаимодействия с окру­жающей средой. Переход термодинамической системы из началь­ного состояния в конечное может осуществляться различными спосо­бами. В соответствии с этим возможно бесконечное множество термодинамиче­ских процессов, среди которых выделяют четыре основных: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный. На практике в чистом виде эти процессы редко встречаются, однако во многих случаях при иссле­довании реальных теплотехнических устройств они представляют дос­таточно хорошее приближение.

В термодинамическом процессе происходит обмен энергией ме­жду системой и окружающей средой, что приводит к нарушению рав­новесия между системой и окружающей средой и внутри системы. Неравновесность реальных процессов определяется тем, что они протекают с конечными скоростями и в термодинамической системе не успевают устанавливаться равновесные состояния. Та­ким образом, все реальные термодинамические процессы являются не­равновесными. Описание неравновесных процессов методами термоди­намики невозможно из-за сложного характера из­менений, происходящих в системе. В данной лабораторной работе изу­чаются равновесные термодинамические процессы идеаль­ного газа, т.е. предполагается, что в каждой точке объема термоди­намиче­ской системы зна­чения параметров состояния одинаковы.

Каждое промежуточное состояние термодинамической системы в процессе описывается уравнением состояния и изображается точкой на диаграмме состояния. Совокупность таких точек образует линию про­цесса. Уравнение состояния термодинамической системы представ­ляет зависимость параметров (функций) состояния равновесной системы от независимых параметров состояния. Состояние идеального газа описывается уравнением, содержащим две независимые перемен­ные, и может быть представлено в виде уравнения Клапейрона–Менделеева, описывающего состояние идеального газа:

где p – абсолютное давление газа, Па;  – удельный объем газа, м 3 /кг; R – универсальная газовая постоянная, R = 8314 Дж/(кмоль×К); R – удельная газовая постоянная, Дж/(кгК); Т – абсолют­ная температура газа, К;  – мольная масса газа, кг/кмоль.

Задачей исследования термодинамических процессов является определение зависимости между термодинамическими параметрами состояния, расчет значений параметров в начале и конце процесса или изменения параметров в процессе, определение работы, совершаемой рабочим телом в процессе, и количества тепла, участвующего в процессе.

Изменение удельной внутренней энергии идеального газа в любом термодинамическом процессе определяется по формуле

где T1, T2 – температура системы в начале и конце процесса, К; cv – удельная теплоемкость в изохорном процессе, Дж/(кг×К).

Изменение энтальпии идеального газа в любом термодинамиче­ском процессе определяется по формуле

где cp – удельная теплоемкость в изобарном процессе, Дж/(кг×К).