Жылуэнергетикалық қондырғылар циклдарының термодинамикалық негіздері

Дәріс 3

2 Термодинамикалық жүйенің энергиясы

3 Ішкі энергияның өзгеруі

4 энтальпияның анықтамасы.

Сапа жағынан айырмашылығы бар, энергияның са-алуан түрлері бар (тұтас дененің қозғалысына байланысты, кинетикалық энергия; электр зарядтарының қозғалысына байланысты электрлік энергия; молекулалық және молекула ішіндегі қозғалысқа байланысты ішкі энергия және т.б.

Берілген түрдегі энергия деңелердің өзара әсерінің нәтижесінде, энергиясының өзге кез-келген түріне ауыса немесе айнала алады және де оқшауланған жүйеде барлық түрдегі энергиялардың қосындысы тұрақты шама болып табылады. Өзге сөзбен айтқанда, оқшауланған жүйенің энергиясы, жүйедегі кез-келген процестердің барысында өзгермейді; энергия жоғалмайды және жоқтан пайда болмайды (энергияның сақталу және айналу заңдары).

Энергия ұғымы материя қозғалысымен біте байланысты: энергия материя қозғалысының физикалық өлшемі. Энергияның жеке түрлерінің айырмашылығы материалдық денелердің қозғалу пішіндерінің сапалық айырмашылықтарының бар болуымен түсіндіріледі. Дене энергиясының бір-біріне айналуы, материя қозғалысының шексіз мүмкіндігін, бір пішіннен екінші пішінге ауыса алатындығын бейленеді. Сондықтан, энергия сақталу заңы материалдық дүниенің қозғалысының жойылмайтындығының дәлелі болып табылады.

Тұйықталған термодинамикалық жүйенің энергиясы сақталу заңына орай өзгермейді, яғни

E=const немесе E2 - E1=0

(1)

Енді қоршаған орта мен механикалық өзара әсерге түсе алатын адиабатылық оқшауланған жүйені қарастырайық. Бір күйден екінші күйге өткенді бұлжүйе сыртқы денелерге мынадай L жұмыс атқарады, ол энергия сақталу және айналу заңына орай жүйе энергиясының азаюна тең E₂ - E₁, яғни

L= E1 – E2

(2)

Жалпы жағдайда қоршаған денелермен жылулық және механикалық өзара әсерде болатын оқшауланбаған термодинамикалық жүйедегі энергияның өзнеруі, ол өндірген жұмыс пен жүйе қабылдаған жылу мөлшеріне байланысты мына қатынаспен беріледі:

E1 – E2 = Q - L

(3)

Бұл өрнек кез-келген процесс үшін орынды болатын термодинамиканың бірінші бастамасын жалпы өрнеге болып табылады.

Жұмыс денесінің ішкі энергиясы – барлық кинетикалық энергияның үдемелі және айналушы қозғалысындағы, оның молекуларының жұмысшы денедегі функциялық жағдайы.

СИ жүйесінде ішкі энергияның өзгеруінің өлшем бірлігі - Дж (Джоуль), меншікті ішкі энергияның өлшем бірлігі - Дж/кг.

Дененің ішкі энергиясын , Дж, мына формуламен анықтайды:

,

(4)

мұндағы - молекулардың ішкі кинетикалық энергиясы, Дж;

- молекулардың ішкі потенциалды энергиясы, Дж;

- интегрирдығының тұрақтысы, Дж.

Меншікті ішкі энергиясын мына формуламен анықтайды, Дж/кг:

,

(5)

Ішкі кинетикалық энергияны , Дж, келесі бөліктерге бөлуге болады:

,

(6)

Нақтылы газдард үшін ішкі энергиясы, Т температура, газ тығыздығы ретінде функция:

= f (T, ),

(7)

Тығыздықпен байланысты, белгілі Джоуль-Томсон экспериментімен дәлелденеді де, газдың жекеленген жүйесіндегі кеңеюінен, жұмыстың атқарылмауы өтеді. Бұл экспериментте dq, сонымен және pd нөлге тең. Сондықтан,

d= dq - pd (1/) = 0,

(8)

Термодинамикасында ішкі энергияның абсалютсыз шамасызымен істес болуға тура келеді, ал оның өзгеру нәтижесіндегі жүйе күйінің өзгеруін ғана қарастырады. Ішкі энергияның абсалютты шамасының жоқ екенің бағалайды. Одан басқа, ішкі энергия = mu аддитивті шамада болады. Соңдықтан, ішкі энергияның бастапқы есептеуі үшін шартты күйін қабылдайды. Практикалық түрінде ішкі энергияның нольді шартты мәнін деп қабылдайды да, р = 0,10133 мПа және Т = 273,16 К (нормалы физикалық жағдайда)

Термодинамикасының 1-заңы механикалық және жылу энергиясының өзара айналуының арақатынасын көрсетеді.

1 кг жұмысшы денесі үшін термодинамикалық бірінші заңының дифференциалды түрінде аналитикалық формуласы:

.

(9)

Жылулық және жұмыс мөлшері процесстің функциялары, ал ішкі энергия жағдайдың функциясы. Сондықтан (6) теңдеу мына түрінде болады:

.

(10)

жұмысшы дененің М кг үшін:

.

(11)

Жұмысшы дене М кг және , Дж/кг , жұмысшы дененің 1 кг үшін Термодинамикалық процесстерді есептеу үшін У. Гиббс функцияны енгізді , Дж. Бұл функциясы энтальпия деп аталады.

Энтальпия – термодинамикалық функция, толық мағыналы (ішкі және сыртқы) энергия жүйелерінің болуы. Ол ішкі энергия мен серпімді энергия PV қосындысынан тұрады, қоршаған ортаның сыртқы қысымының P бар болуымен анықталады, яғни PV – бұл жұмыс атқарушы, жұмысшы жененің энтальпиясындағы температуралық байланысты және температураның өзгеруінен, энтальпия өзгереді.

Энтальпияны , Дж, мына формуламен анықтайды:

,

(12)

Меншікті энтальпияға , Дж/кг, мына формула

,

(11)

1 Жылу динамикалық бірінші заңы

2 Жылу мен жұмыстың өлшем бірліктерінің қатнасы

3 ПӘК формуласын жазыныз

4 Жылу динамикасының бірінші заңының аналитикалық кескінің түсіндір

5 Ішкі энергияның формуласын жазыныз

2 Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача». - М.: Высшая школа, 1980. - б.3-15

3 Асамбаев А.Ж. «Техникалық термодинамиканың негіздері» - 2006. – б.4-16

4 Кабашев Р.А. «Жылу техникасы» - М.: Полиграфсервис., 2008. – б. 32-66

5 Баскаков Б.В., Берг О.К., Витт и др. «Теплотехника» - М.: Энергоатомиздат., 1991. – б. 4-11, б. 40-41

6 Энергетиканың электрондық энциклопедиясы.