Николай Иович Белоконь
ТЕРМОДИНАМИКА
*** 1954 ***
|
ФPAГMEHTЫ КНИГИ (...) Таблица частных производных термодинамических потенциалов (табл. 15) показывает, что задача отыскания уравнений состояния простых тел в принципе сводится к установлению выражений зависимости термодинамических потенциалов от их определяющих независимых переменных.
Например, если установлено выражение изобарного потенциала (свободной энтальпии) температуры и давления ф=ф(Т,Р), то тем самым в наиболее общем виде решена задача определения функций однофазового состояния простых тел (независимые переменные P и T) Задачи отыскания выражений термодинамических потенциалов в настоящее время рассматриваются, главным образом, статистической термодинамикой на основе молекулярнокинетических воззрений. Термодинамическое равновесие элементов тела или системы тел есть такое состояние теплового, химического, механического и подобных равновесий элементов системы, которое без внешнего воздействия может сохраняться как угодно долго (§2, термин XVI). В основу учения об определяющих признаках и особенностях термодинамического равновесия элементов тел и систем тел положены математические выражения (неравенства) второго начала термодинамики, характеризующие наблюдаемое направление необратимых явлений в природе. Основным выражением второго начала термодинамики является утверждение, что переход всякой системы тел из одного состояния (Л ) в другое (5 ) необратим (§ 30): Отсюда следует, что всякое изменение состояния изолированной системы неизбежно приводит к возрастанию энтропии системы и, следовательно, изолированная система может сохранять состояние равновесия лишь в том случае, если энтропия этой системы достигла наибольшей возможной в рассматриваемых условиях величины: Отсюда условия прохождения энтропии через максимум: первая вариация энтропии равна нулю, а вторая меньше нуля Глава десятая ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАВНОВЕСИЯ 44. ОБЩИЕ УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ Равенство нулю первой вариации не дает (и не может дать) ничего нового сравнительно с выводами второго начала термостатики, так как равенства не свойственны второму началу термодинамики (принципу необратимости) и в рассматриваемом случае являются лишь результатом неявного использования принципа существования энтропии (8Q = SQ + SQ = TdS). Из последнего условия равновесия ( 82S 0 ) могут быть в некоторых случаях получены важные неравенства (§ 45). Энтропия системы при заданных внешних условиях может иметь относительные максимумы, в которых возможны нестабильные состояния равновесия, (например, переохлажденная жидкость или пересыщенный пар), однако в этих случаях достаточно небольшого толчка для того, чтобы система перешла от рассматриваемого максимума энтропии к следующему, более высокому относительному или абсолютному максимуму, характерному для устойчивых состояний термодинамического равновесия. Условия равновесия могут быть формулированы, в зависимости от обстоятельств, в виде утверждений о наименьших значениях термодинамических потенциалов — свободной энергии и свободной энтальпии, однако подобные формулировки всегда эквивалентны основному условию о максимуме энтропии системы (302), так как единственным источником утверждений об условиях равновесия является второе начало термодинамики. Например, для изотермических процессов основное уравнение втоpoго начала термодинамики может быть преобразовано: 51. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Паровые двигатели осуществляются в виде поршневых паровых машин и паровых турбин; в принципе возможны, но не получили распространения, коловратные паровые машины (вращающийся поршень). Установки паровых двигателей, называемые обычно паросиловыми установками (до середины ХХ столетия понятия энергии и силы отождествлялись), используют в качестве рабочего вещества пары различных жидкостей ( Н20,Нд и т. п.), чаще всего водяной пар, а в качестве топлива для котельных установок — практически все виды топлива. Преимущественное использование водяного пара в паросиловых установках объясняется, с одной стороны, широким распространением воды в природе, что дает возможность осуществлять работу простейших паровых двигателей нa выхлоп в атмосферу, не считаясь с потерями рабочего вещества — воды; с другой стороны, исключительно широкое применение водяного пара в паросиловых установках оправдывается удовлетворительными термодинамическими свойствами водяного пара как рабочего вещества паровых двигателей. Значительные затраты тепла при испарении воды сопровождаются значительным же изменением удельного объема пара при испарении; в результате, соотношение работ расширения пара и сжатия воды (конденсата) оказывается весьма высоким, что обеспечивает стабильность к. п. д. в широком интервале нагрузок паровых двигателей водяного пара. В термодинамической теории паросиловых установок рассматриваются лишь особенности термодинамических пpoцeccов превращения тепла в работу, в связи с чем исключаются из рассмотрения потери котельной установки (процессы превращения химической энергии топлива в тепло и передачи тепла рабочему телу паросилового цикла), а также потери в процессе транспорта рабочего тела (пар, конденсат), необратимые потери трения в рабочем процессе парового двигателя и т. п. Таким образом, понятия цикла паросиловой установки и цикла парового двигателя в термодинамической теории паровых двигателей отождествляются: цикл парового двигателя есть совокупность процессов превращения тепла в работу. Простейший цикл паросиловых установок (паровых двигателей) осуществляется по следующей схеме (фиг. 50): пар образуется в нагревателе (котел-испаритель и пароперегреватель, 1 — 2), затем поступает в паровой двигатель (3), где осуществляется полное или ограниченное расширение пара в рамках граничных давлений цикла ( Рг и Р2); отработавший пар поступает в холодильник — конденсатор (4), в котором осуществляется полная или частичная конденсация отработавшего пара (или подогрев жидкости перед поступлением в котел при работе парового двигателя на выхлоп); конденсат или смесь пар жидкость поступает из холодильника в питательный насос компрессор (5) и, наконец, подается в нагреватель (1 — 2). Основные особенности простейших циклов паровых двигателей: во-первых, подвод и отвод тепла осуществляются; лишь в нагревателе и холодильнике, в связи с чем возможность внешнего теплобмена в отдельных стадиях изменения состояния рабочего тела (пар) в паровом двигатетеле исключается; во-вторых, подвод тепла в нагревателе (котел и пароперегреватель, осуществляется при постоянном давлении рабочего тела ( Р = Рг = idет) и, в-третьих, диаграмма Р — д рабочего процесса паровых двигателей предполагается состоящей из таких элементов, при которых в принципе обеспечивается возможность определения удельной работы пара в паровом двигателе по данным о внешних характеристиках рабочего процесса парового двигателя (граничные давления цикла Pi и Р2); характеристики начального состояния — Рг и i расход пара за один ход поршня в условиях исследования поршневых паровых машин и т. п.) Фиг. 50. Схема паросиловой установки. а) Термодинамические циклы паровых двигателей Термодинамическими циклами паросиловых установок ( термодинамическими циклами паровых двигателей) в дальнейшем называются такие простейшие циклы, в которых осуществляются подвод и отвод тепла при постоянных давлениях (процесс нагревателя Рг = idет; процесс холодильника Р2 = idет), а в рабочем процессе парового двигателя — полное адиабатическое расширение пара от начального давления до заданного конечного противодавления цикла ( Р2) , характеризующего последнюю ступень отъема тепла (в частности, выхлоп); сжатие конденсата или смеси пар — жидкость в термодинамическом процессе насоса-компрессора также предполагается полным адиабатическим сжатием в том же интервале давлений цикла ( Р2 — Рг). Диаграммы термодинамического цикла паросиловых установок (паровых двигателей) с однократным подводом и однократным отводом тепла получаются путем совмещения процессов нагревателя (котел и пароперегреватель), парового двигателя, холодильника и питательного насоса-компрессора (фиг. 51, 52): 0 — 1 — сообщение тепла в котле и пароперегревателе; 1 — 2 — адиабатическое расширение пара в паровом двигателе; 2 — 3 — отъем тепла в холодильнике; 3 — 0 — адиабатическое сжатие конденсата или смеси пар — жидкость. Фиг. 51. Термодинамический цикл паровых двигателей (координаты i — s). Фиг. 52. Термодинамический цикл паровых двигателей (координаты Р — V). Диаграмма термодинамического процесса поршневых паровых двигателей имеет тот же вид, что и диаграмма совмещенного термодинамического цикла паросиловой установки (фиг. 52), но точки 3 и 0 диаграммы термодинамического процесса парового двигателя характеризуют состояния пара в начальный и конечный моменты адиабатического сжатия его во вредном пространстве двигателя (табл. 20). В условиях заданного начального состояния пара ( Р1, i 1) и соотношения граничных давлений ( Р2/Р1) характеристики термодинамического процесса парового двигателя термодинамическая отсечка среднее давление пара удельная работа пара (ht) и к. п. д. (гt) есть величины постоянные. Снижение величин удельной работы пара и к. п. д. теоретического цикла ( hu, ги) сравнительно с соответствующими характеристиками термодинамического цикла ( ht,qt), обусловленное неполным расширением пара ( Рг Р2), находится в полном соответствии с задачами увеличения среднего давления пара в теоретическом процессе паровой машины . Взаимоисключающие требования достижение уровня к. п. д. термодинамического цикла Клаузиуса — Ренкина ( hu = ht) и увеличение среднего давления пара в теоретическом процессе выше среднего давления пара в термодинамическом процессе не могут быть предъявлены паровым двигателям, поэтому возможность использования термодинамического цикла Клаузиуса Ренкина в качестве эталонного цикла паровых двигателей с ограниченным расширением пара (в частности, в качестве эталонного цикла поршневых паровых машин) в принципе исключается. Основные термодинамические величины, характеризующие теоретический процесс поршневой паровой машины, — среднее давление пара ( Рт ), удельная работа ( hu,) и к.п.д. теоретического цикла (ги ) — аналитически определяются средствами термодинамического анализа, причем независимыми переменными являются внешние характеристики рабочего процесса паровой машины: начальное состояние пара ( Р1 ,д1 ,i 1), конечное противодавление относительная величина вредного пространства, степень сжатия и расход пара, отнесенный к единице объема, описываемого за ход поршня ( G/VH = ?и/в1); характеристики термодинамического цикла Клаузиуса — Ренкина определяются как предельные (частные) значения характеристик теоретического цикла поршневых паровых машин. На этом основании теоретический цикл поршневых паровых машин предлагается в качестве эталонного цикла паровых двигателей — теоретического цикла паровых двигателей — поршневых паровых машин, коловратных паровых машин и паровых турбин. Показатель общего элемента термодинамической и потенциальной работ (п — постоянный показатель политропы) 52. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Современные двигатели внутреннего сгорания выполняются в виде поршневых двигателей, газовых турбин (турбин внутреннего сгорания) и реактивных двигателей. Реактивные двигатели применяются лишь в аппаратах высоких скоростей (авиация, артиллерия и т. п.), так как в связи с особенностью рабочего процесса двигателей этого рода к.п.д. их достигает удовлетворительных значений лишь при очень высоких скоростях движения реактивных аппаратов, сравнимых со скоростями истечения рабочего вещества, выбрасываемого реактивным двигателем. Термодинамические схемы установок реактивных двигателей осуществляются с использованием поршневых двигателей и газовых турбин, но вычисления термодинамических характеристик реактивных двигателей (мощность, к. п. д. и т. п.) носят несколько условный характер, так как, в отличие от термодинамических схем тепловых двигателей, в реактивных двигателях рабочие процессы осуществляются не с неизменным количеством рабочего вещества, а с непрерывным расходованием запасов массы (горючее, окислитель, балластная масса и т. п.) . Основные стадии рабочего процесса поршневых двигателей внутреннего сгорания: первый такт — сжатие воздуха (дизель-моторы) или рабочего заряда — смеси топлива и воздуха (карбюраторные и газовые двигатели), второй такт (рабочий ход) — зажигание заряда от внешнего источника (электрический запал), горение заряда и расширение продуктов сгорания (карбюраторные и газовые двигатели) или подача топлива в цилиндр помощью форсунок, самовоспламенение и горение топлива, расширение продуктов сгорания (дизель-моторы); последующие процессы выхлопа отработавших газов и зарядки цилиндров воздухом или рабочей смесью осуществляются в конце рабочего хода (двухтактные двигатели) или помощью вспомогательных ходов — выталкивающего и всасывающего (четырехтактные двигатели). В рабочем процессе газовых турбин процессы сжатия и расширения осуществляются в различных машинах — компрессоре и газовой турбине, объединяемых в некоторых случаях в одном противоточном агрегате; процесс сгорания (подвод тепла) осуществляется в специальных камерах. а) Теоретический цикл двигателей внутреннего сгорания (n — VP ) В основу построения теоретического цикла двигателей внутреннего сгорания положим следующие исходные соображения: 1. Теоретический цикл двигателей внутреннего сгорания является обобщенным теоретическим циклом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. 2. Процесс сжатия в теоретическом цикле двигателей внутреннего сгорания осуществляется как процесс политропический (постоянный показатель ) или как ступенчатый адиабатический с промежуточным охлаждением (показатель число ступеней v ). Политропический и ступенчатый адиабатический процессы сжатия в части их конечных характеристик вполне эквивалентны (одно и то же соотношение конечного и начального давлений сжатия одно и то же соотношение конечной и начальной абсолютных температур рабочего тела цикла в процессе сжатия одно и то же количество тепла отведенного на линии сжатия). Основными характеристиками процесса сжатия в теоретическом цикле двигателей внутреннего сгорания в дальнейшем считаются две величины соотношение давлений и соотношение абсолютных температур , причем величина показателя политропы сжатия или эквивалентное число ступеней адиабатического сжатия считаются заданными или определяются из условия достижения наибольшего к. п. д. теоретического цикла в заданных условиях осуществления этого цикла (заданы: соотношение наибольшего и наименьшего давлений цикла соотношение наибольшей и наименьшей абсолютных температур цикла и т. п.). 3. Процесс расширения осуществляется в теоретическом цикле двигателей внутреннего сгорания как процесс адиабатический. В рабочем процессе поршневых двигателей внутреннего сгорания с интенсивным охлаждением стенок поршней и цилиндров практически могут быть исключены ограничения по наивысшим допустимым значениям температуры рабочего вещества в конечный момент сообщения тепла , поэтому в условиях поршневых двигателей принцип адиабатического расширения следует признать правильным и вполне соответствующим общим принципам теории тепловых двигателей: сообщение тепла должно осуществляться при высших температурах цикла, а отъем — при низших (§ 28). В рабочем процессе газовых турбин существенную роль играют ограничения по наивысшим допустимым значениям температуры рабочего вещества в конечный момент сообщения тепла , главным образом в связи с затруднениями в осуществлении охлаждения лопаток турбин. Эти ограничения на практике приводят к необходимости применения ступенчатого адиабатического расширения с промежуточным сообщением тепла, однако и в этом наиболее общем случае нет необходимости в разработке теоретического цикла с многоступенчатым адиабатическим или эквивалентным политропическим расширением, так как цикл с многоступенчатым адиабатическим расширением и политропическим сжатием допускает разложение на ряд последовательных теоретических циклов с политропическим сжатием и адиабатическим расширением. 4. Теоретический цикл двигателей внутреннего сгорания в наиболее общем случае осуществляется с регенерацией тепла ( 0 р 1) ; простейший теоретический цикл двигателей внутреннего сгорания осуществляется без регенерации тепла ( р = 0 ) . Теоретический цикл двигателей внутреннего сгорания без регенерации тепла осуществляется следующим образом (фиг. 55): политропическое или ступенчатое адиабатическое сжатие ( а — с) , последовательное сообщение тепла при постоянном объеме ( с — /) и при постоянном давлении (/ — z) , адиабатическое расширение (z — г) и, наконец, последовательный отъем тепла при постоянном объеме (г — s) и при постоянном давлении (s — а) ; рабочее тело цикла идеальный газ. |
