Идеальный газ

1 Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

Модель широко применяется для  решения задач термодинамики  газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью. В случае экстремальных температур или давлений требуется применение более точной модели, например модели газа Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается притяжение между молекулами.

Различают классический идеальный  газ (его свойства выводятся из законов  классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми — Дирака или Бозе — Эйнштейна).

2. Закон Авогадро означает, что давление газа при определенной температуре зависит только от числа молекул в единице объема газа, но не зависит от того, какие это молекулы — тяжелые или легкие. Уяснив это, легко понять суть закона Дальтона. Согласно закону Бойля — Мариотта, если мы увеличиваем плотность газа, т. е. добавляем в определенный объем некоторое число молекул этого газа, \'мы увеличиваем давление газа. Но, согласно закону Авогадро, такое же повышение давления должно быть получено, если мы вместо добавления молекул первого газа добавим такое же число молекул другого газа. Именно в этом и состоит закон Дальтона, который утверждает, что можно увеличить давление газа, добавляя в тот же объем молекулы другого газа, и если число добавленных молекул то же, что и в первом случае, то получится то же самое увеличение давления. Ясно, что закон Дальтона является прямым следствием закона Авогадро.

6 парциа́льное давление (partialis — частичный, от pars — часть) — давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений каждого газа в смеси.

12 ИЗОБА́РНЫЙ ПРОЦЕ́СС (изобарический процесс) (от изо... (см. ИЗО... (часть сложных слов)) и baros — тяжесть), термодинамический процесс, протекающий в системе при постоянном давлении. На термодинамической диаграмме (графическое изображение процесса) изображается изобарой (см. ИЗОБАРА).  
Простейшие примеры изобарных процессов — нагревание воды в открытом сосуде, расширение газа в цилиндре со свободно ходящим поршнем. В обоих случаях давление равно атмосферному. Если изобарный процесс происходит настолько медленно, что давление в системе можно считать постоянным и равным внешнему давлению, а температура меняется так медленно, что в каждый момент времени сохраняется термодинамическое равновесие, то изобарный процесс обратим. Для осуществления изобарного процесса к системе надо подводить или отводить теплоту, которая расходуется на работу расширения и изменение внутренней энергии.

11 Изотермический процесс — термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.

 

Несколько изотерм для  идеального газа нa p-V диаграмме

Для осуществления изотермического  процесса систему обычно помещают в термостат (массивное тело, находящееся в тепловом равновесии), теплопроводность которого велика, так что теплообмен с системой происходит достаточно быстро по сравнению со скоростью протекания процесса, и, температура системы в любой момент практически не отличается от температуры термостата. Можно осуществить изотермический процесс иначе — с применением источников или стоков тепла, контролируя постоянство температуры с помощью термометров. К изотермическим процессам относятся, например, кипение жидкости или плавление твёрдого тела при постоянном давлении. Графиком изотермического процесса является изотерма.

13 Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен (δQ=0) между системой и окружающей средой. Адиабатическим процессами можно считать все быстропротекающие процессы. Таковым, например, можно считать процесс распространения звука в среде, так как скорость распространения звуковой волны настолько большая по значению, что обмен энергией между средой и волной произойти не успевает. Адиабатические процессы происходят в двигателях внутреннего сгорания (сжатие и расширение горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т. д.

14 Политропный процесс — термодинамический процесс, во время которого удельная теплоёмкость c газа остаётся неизменной. Предельными частными явлениями политропного процесса являются изотермический процесс и адиабатный процесс. В случае идеального газа изобарный процесс и изохорный процесс также являются политропическими.

Для идеального газа уравнение политропы может быть записано в виде:

pVⁿ = const

где величина называется показателем политропы.

В зависимости от процесса можно  определить значение n:

15   ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС

   (изохорический процесс) (от изо (см. ИЗО... (часть сложных слов))... и греч. chora — пространство), термодинамический процесс, происходящий системе при постоянном объеме. На термодинамической диаграмме (графическое изображение процесса) изображается изохорой (см. ИЗОХОРА).  
Изохорный процесс осуществляется в газах и жидкостях, находящихся в замкнутом сосуде, объем которого не меняется. В этом случае при изменении температуры газа (жидкости) изменяется его давление.  
При изохорном процессе газ над внешними телами работы не совершает, не совершается и механической работы, связанной с изменением объема тела, поэтому изменение внутренней энергии тела происходит только за счет поглощения или выделения тепла. В случае изохорного процесса в идеальном газа вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии.  
В идеальном газе при изохорном процессе для данной массы газа при постоянном объеме давление газа, в соответствии с законом Шарля (см. ШАРЛЯ ЗАКОН), прямо пропорционально температуре. Изохорный процесс можно описать уравнением:  
р = р_oaT,  
где р — давление газа при абсолютной температуре Т;  
р₀ — давление газа при температуре 0^оС;  
a — температурный коэффициент объемного расширения газа, равный 1/273 К^-1.

16 Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии для  тепловых процессов) определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии системы дельта U, количеством  теплоты Q, подведенным к ней, и  суммарной работой внешних сил A, действующих на систему.

Первый закон термодинамики - Изменение внутренней энергии системы  при ее переходе из одного состояния  в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе  извне, и работы внешних сил, действующих  на нее:

Первый закон термодинамики - количество теплоты, подведенное к  системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

17 Степень совершенства преобразования  теплоты в механическую работу  в термодинамическом цикле двигателя  оценивается термическим (или  тепловым, или термодинамическим)  коэффициентом полезного действия  η_t.

 

Термический КПД

Отношение работы, совершенной  в прямом обратимом термодинамическом  цикле, к теплоте, сообщенной рабочему телу от внешних источников.

 

18 икл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Цикл Карно назван в честь  французского военного инженера Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно  является его обратимость: он может  быть проведён как в прямом, так  и в обратном направлении, при  этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

19 Для того, чтобы цикл был  обратимым, из него должна быть  исключена передача тепла при  наличии разности температур (так  как такие процессы необратимы  в силу постулата Томсона). Значит, передача тепла должна осуществляться либо в изотермическом процессе (как в цикле Карно), либо в эквидистантном процессе (обобщённый цикл Карно или, для примера, его частный случай Цикл Брайтона). Для того, чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать либо адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, не влияют на энтропию), либо циклы с регенерацией тепла при которых нет передачи тепла при разности температур. Мы приходим к выводу, что любой обратимый цикл может быть сведён к циклу Карно.

Примером обратимого цикла, не являющегося  циклом Карно, но интегрально совпадающим  с ним, является идеальный цикл Стирлинга: в двигателе Стирлинга добавлен регенератор, обеспечивающий полное приближение цикла к циклу Карно с достижением обратимости и тех же величин КПД.

Если же в цикле возникает  передача тепла при наличии разности температур, а таковыми являются все  технические реализации термодинамических  циклов, то цикл утрачивает свойство обратимости. Иначе говоря, посредством отведённой в цикле механической работы становится невозможным получить исходную теплоту. КПД такого цикла будет всегда меньше чем КПД цикла Карно.

20 Теплопередача- это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного 
тела к другому, обусловленный разностью температур.

Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то

тепловая энергия переходит  от более горячей его части  к более холодной. 

 
Конвекция. Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу

увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается

давление. Если жидкость или газ  не ограничены в объеме, то они расширяются;

локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря

выталкивающим (архимедовым) силам  нагретая часть среды движется вверх (именно

поэтому теплый воздух в комнате  поднимается от батарей к потолку).

Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен –

отличается от теплопроводности и  конвекции тем, что теплота в  этом случае может

передаваться через вакуум.

 

21Кожухотрубчатые теплообменникиОсновными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

    кожухотрубчатый теплообменник Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Элементные (секционные) теплообменники Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов—секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме — противоточной.

Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”  Теплообменники этого  типа состоят из ряда последовательно  соединенных звеньев. Каждое звено  представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами.

Витые теплообменники Поверхность  нагрева витых теплообменников  компонуется из ряда концентрических  змеевиков, заключенных в кожух  и закрепленных в соответствующих  головках.

Погружные теплообменники  Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой.

22 Все существующие виды топлива разделяются на твердые, жидкие и газообразные. Для нагрева используется также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; другая подгруппа — топливо, которое получается путем переработки естественного топлива; это топливо называется искусственным.

Твердое топливо: а) естественное —  дрова, каменный уголь, антрацит, торф; б) искусственное — древесный  уголь, кокс и пылевидное, которое  получается из измельченных углей.

Жидкое топливо: а) естественное —  нефть; б) искусственное — бензин, керосин, мазут, смола.

Газообразное топливо: а) естественное — природный газ; б) искусственное  — генераторный газ, получаемый при  газификации различных видов  твердого топлива (торфа, дров, каменного  угля и др.), коксовальный, доменный, светильный и другие газы.

25О сущности процесса горения и его аномалиях, о возможности диагностировать эти явления и делать необходимые выводы рассказывает кандидат технических наук В. БАСС.как протекает горение.Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующим образом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (пары бензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергия которого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зоне топлива.