Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/Latin1Supplement.js
Справочник от Автор24
Найди эксперта для помощи в учебе
Найти эксперта
+2

Законы теплотехники

Определение 1

Теплотехникой назовем науку, изучающую методы получения, преобразования, передачи и применения теплоты, принципы действия и особенности конструкции тепло- и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов.

Теорию теплотехники можно разделить на две части:

  • техническая термодинамика;
  • теория теплообмена.

В этих разделах рассматривают законы превращения и распространения теплоты, ее свойства.

Термодинамика

Термодинамику можно определить, как науку об энергии и ее свойствах. Основой технической термодинамики можно считать два эмпирических закона:

  • первое начало термодинамики,
  • второе начало термодинамики.

Первое начало термодинамики можно считать переложением закона сохранения и превращения энергии для тепловых процессов.

Второе начало термодинамики указывает направление процессов, которые осуществляются в природе.

Аналитическое выражение первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики служит основой теории в первой части теплотехники. Этот закон имеет большое прикладное значение в изучении процессов термодинамики, поскольку дает возможность установить их энергетические балансы.

Запишем математическую формулировку первого начала термодинамики в интегральной форме:

ΔQ=ΔU+A (1),где:

  • ΔQ - количество теплоты, подведенное к термодинамической системе;
  • ΔU - изменение внутренней энергии рассматриваемой системы;
  • A - работа, которую совершает система.

В дифференциальной форме этот же закон принимает вид:

δQ=dU+δA(2).

Каждая из величин в уравнениях (1) и (2) может быть большей нуля, меньшей нуля и равной нулю. Принято, что при сообщении рабочему телу теплоты ее изменение больше нуля (δQ>0 ), в противном случае δQ0. При сжимании газа, его объем уменьшается, на этот процесс тратится работа извне, тогда δA

«Законы теплотехники» 👇
Помощь эксперта по теме работы
Найти эксперта
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Решить задачу
Помощь с рефератом от нейросети
Написать ИИ

Для газов, которые можно считать идеальными, изменение внутренней энергии равно:

ΔU=i2νR(T2T1)(3).

T2T1 – изменение температуры. При ΔU>0 температура рабочего вещества термодинамической системы увеличивается. Внутренняя энергия является функцией состояния газа.

Изменение внутренней энергии реального газа, в том случае, если невозможно пренебречь изменением потенциальной энергии молекул, находят по специальным таблицам и диаграммам.

Количество теплоты и работа не являются функциями состояния и зависят от вида процесса, проводимого с рабочим телом.

A=21pdV(4),,

где в состоянии 1 газ имеет объем V1, в состоянии 2 объем его равен V2.

Второе начало термодинамики

В расчетах по теплотехнике часто используют такую функцию состояния как энтропия (S). Данная функция применяется для изучения процессов преобразования энергии. Энтропию определяют так:

δQT=S+const(5).

Физическим смыслом обладает изменение энтропии:

ΔS=21δQT=21dU+pdVT(6).

Первый закон термодинамики определяет связь между разными формами энергии, соотношение между нами, но не позволяет решить вопрос о возможности реализации того или иного процесса, направлении его хода. Для более полного анализа явлений и процессов к первому началу термодинамики следует добавить закон, который бы позволил определять возможность прохождения процесса и приоритетное направление его протекания, условия при которых система выполняет максимальную работу.

Относительно тепловых явлений второй закон термодинамики устанавливает особенность трансформации теплоты в работу в тепловых двигателях.

С. Карно установил условия, при которых в тепловых двигателях теплота превращается в работу и происходит это наиболее эффективно.

В тепловых двигателях процесс преобразования теплоты в работу (такой процесс называют основным) обязательно сопровождается процессом, при котором тепло передается холодильнику (этот процесс называют дополнительным).

В природе имеется большое число процессов, которые в одном направлении идут сами по себе, например, передача тепла от нагретого тела к холодному, но в обратном направлении не реализуются самостоятельно. Так процесс отбора теплоты от холодного тела к горячему в холодильнике возможен при совершении механической работы. В этой связи Р. Клаузиус в 1850 г. дал следующую формулировку закона термодинамики:

Теплота не способна переходить сама от тела с меньшей температурой к более нагретому телу. Исследование самопроизвольных процессов: диффузии; теплопроводности растворения и др. показывает, что они необратимы.

Это позволило дать следующую формулировку второго начала термодинамики:

Каждый реальный самопроизвольный процесс необратим.

Виды теплообмена

Теория теплообмена - это наука, изучающая законы распространения и передачи теплоты между телами.

Выделяют три вида теплообмена:

  • Теплопроводность – перенос теплоты, которая возникает при контакте тел.
  • Конвекция – вид распространения теплоты при перемешивании и перемещении частей жидкости разной температуры.
  • Лучеиспускание (тепловое излучение) – перенос энергии посредством электромагнитных волн между двумя взаимно излучающими поверхностями.

Явление теплопроводности

Рассмотрим теплопроводность однородной плоской стенки с толщиной δ. На поверхностях стенки поддерживают неизменные температуры t1 и t2. Температурное поле является стационарным и изменяется в направлении оси X. Источников тепла внутри стенки нет. В этих условиях плотность теплового потока равна:

q=λδ(t1t2)(7).

где λδ – тепловая проводимость стенки; t1t2=Δt– температурный напор.

Общее количество теплоты, которое предается через плоскую стенку за время τ равно:

Q=λδΔtSτ(8).

Для стенки из n слоев можно записать:

q=Δti=ni=1δiλi(9).

Уравнения конвективного теплообмена

Согласно уравнению Фурье тепловая мощность, которая сообщается через ламинарный пограничный слой жидкости, может быть выражена как:

dQ=λdtdndS(10).

где dS - площадь поверхности теплообмена.

Дифференциальное уравнение теплообмена имеет вид:

α=λΔtdtdn(11).

гдеα – коэффициент теплообмена, характеризующий условия теплообмена.

Уравнение:

Q=\alpha \Delta tS\, è\, q=\alpha \Delta t\, \left( 12 \right).

называют уравнением Ньютона. В формуле (12) температурный напор и коэффициент α характеризуют условия теплообмена жидкости и поверхности твердого тела.

Уравнение, связывающее временные и пространственные изменения температуры в любой точке жидкости называют уравнением Фурье – Кирхгофа:

\frac{Dt}{d\tau }=\frac{\lambda }{c\rho }\mathrm{\nabla }^{2}t\, \left( 13\right).

где \frac{Dt}{d\tau } – характеризуют полное изменение температуры элемента перемещающейся жидкости, которое вызвано изменением температуры во времени и изменением температуры в результате движения элемента в пространстве.

Дата последнего обновления статьи: 04.04.2024
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Все самое важное и интересное в Telegram

Все сервисы Справочника в твоем телефоне! Просто напиши Боту, что ты ищешь и он быстро найдет нужную статью, лекцию или пособие для тебя!

Перейти в Telegram Bot

Изучаешь тему "Законы теплотехники"? Могу объяснить сложные моменты или помочь составить план для домашнего задания!

AI Assistant