Жылуэнергетикалық қондырғылар циклдарының термодинамикалық негіздері

Дәріс 2

2 Идеал газ қоспасы

3 Дальтон заңы

4 Идеал газ параметрлері және оларды анықтау

Газ (франц. gaz, грек chaos ) деген сөз молекулалары арасында өзара әсер (әрекеттестік) әрекет ету күш жоқ, ал молекулалардың өзі көлемсіз және олар өздерін материалдық нүкьелер ретінде көрсететін газдарды идеал газдар деп атайды.

Жоғарыдағы анықтамалардан, идеал газ бұл модель екенін көреміз және ол жуықтап және оңайлатып (жеңілдетіліп) алынған түрі.

Нақты газдарда молекулалар арасында ілініс күші бар және оның шамасы молекулалар арасы бір-бірінен қашықтаған сайын азая береді, онда заттардың молекулалары бірімен-бірі берік ұстаспайды, мүмкін болған көлемді толтыра бет-бетімен қозғала береді. Кәдімгі қысым мен температурада газ молекулаларының арасындағы орташа қашықтық, сұйықтар және қатты заттардағымен салыстырғанда шамамен 10 есе артық болады, сондықтан газдың тығыздығы әлде қайда кем.

Идеал газдың тығыздығы аз болған сайын, оның дәлдігі соғұрлым жоғары.

Табиғатта идеал газдың жоқтығына қарамай көптеген газдар (ауа, азот, оттегі, көміртегі тотығы, отынның жану продуктері және т.б.) бөлмелік температурада және бірнеше бар болатын қысымда идеал газ заңына бағынады. Тығыздалған (қоюланған) будың (сұйыққа немесе кристалға айналуын) жағдайындағы газдар мен сұйықтар. Мысалы, кәдімгі температурадағы және қысымдағы суды және су буын идеалдыгазға жатқызуға болмайды.

Идеал газдардың заңдары тәжірибе жүзінде алынған: Бойль-Мариотт 1662 жылы, тұрақты температурада өтетін изотермалын, жылудинамикалық процесте газдың қысымының оның көлеміне көбейтіндісі тұрақты шама PV=const. Еркін жылдамдығы екі идеал газдың тұрақты температурадағы өтетін жылудинамикалық процесіндегі параметрлердің қатынасын мына кескінмен көрсетеді:

немесе Бойль-Мариотт. (1)

Идеал газдың қоспасы

Техникада өздері жеке газдардың қоспасы болып келетін газ тәрізді заттар қолданылады. Жердегі ең кең таралған газ ауа (бұл негізінен азот пен оттегінің қоспасы). Отынның жануы кезінде жүретін химиялық реакция ауадағы оттегімен тотығады да, пайда болған түтін газдары да қоспа түрінде болады. Бұндай мысалдарды көптеп келтіруге болады.

Домнадағы газ, қазандықтан іштен жану двигателінен, реактивті двигателінен және басқа жылу қондырғыларынан шығар газдар да жоғарыда айтылған мысалға жатады.

Газ қоспасы деп бір-бірімен химиялық реакцияға кірмейтін жеке газдар қоспасын айтады. Қоспадағы әр газ басқа газдардан тәуелсіз өзінің бар қасиеттерін сақтайды және ол өзі ғана толтырылған көлемдегі сияқты әсер етеді.

Ыдыстың қабырғасына газдың молекулалары парциалды (құрамдас бөліктері) деп аталатын қысым туғызады. Қоспаға кіретін әр жеке газ, Клапейронның теңдеуіне бағынады, сонымен ол идеал газға жатады. Идеал газдар қоспасы Дальтон заңына бағынады, ол былай дейді:

Газдар қоспасының жалпы қысымы, жеке газдардың құрамдас бөліктерінің қысымдарының қосындысына тең:

мұндағы P₁, P₂, P₃…P_n-құрамдас бөліктердің қысымы.

Дененің температурасын 1⁰С өзгерту үшін, берілетін немесе одан алынатын жылу мөлшерін жылусыйымдылық деп атайды.

Жылусыйымдылықтың зат мөлшеріне қатынасын меншікті жылусыйымдылық деп атайды. Меншікті жылусыйымдылықтың мынадай түрлері бар:

массалық , Дж/(кгК);

көлемдік , Дж/(м³К);

молдік , Дж/(кмольК).

Идеал газдың жылусыйымдылығы температурадан тәуелді. Бұл белгілері бойынша нақтылы және орташа жылусыйымдылықтар болып ажыратылады.

Температураның шексіз аз өзгеруіне сәйкес келетін жылусыйымдылықты нақты жылусыйымдылық деп атайды.

.

(3)

,

(4)

Нақты газдардың жылусыйымдылығы олардың табиғи қасиеттерінен, температурасы мен қысымынан да тәуелді.

Газдар үшін жылыту және суыту кезіндегі тұрақты көлемдегі және тұрақты қысымдағы газ күйінің өзгерістері ерекше ескеріледі:

Жылусыйымдылық жылудың берілу және әкетілу түрінен тәуелді. Тұрақты қысымдағы жылусыйымдылық- изобаралық с_р-деп аталады.

- , Дж/(кгК);

- , Дж/(м³К);

- , Дж/(кмольК).

Тұрақты көлемдегі жылусыйымдылық- изохоралық с_v деп ажыратылады.

- , Дж/(кгК);

- , Дж/(м³К);

- , Дж/(кмольК).

Бұл жылусыйымдылықтардың өзара байланысын Майер теңдеуі көрсетеді:

,

(5)

немесе:

,

(6)

мұндағы - универсалды газ тұрақтысы, = 8314 Дж/(кмольК).

Изохоралық процесте берілетін жылу тек газды ішкі энергиясын өзгертуге жұмсалады, ал изобаралық процесте ол жылу жұмыс жасау үшін де жұмсалады. Сондықтан с_р>с_v .

Техникалық термодинамикада жылусыйымдылықтардың қатынасы адиабат көрсеткіші деп аталады (Пуассон коэффициенті).

.

(7)

Газдың температурасымен бірге жылусыймдылығы үлкейеді.

1 кг газдың жылыту кезіндегі бастапқы температурасынан соңғы температурасына дейін жылу мөлшері мына формуламен аңықталады:

.

(8)

Егер және температурадан тәуелді емес деп есептесек, молдік жылусыйымдылықтар шамалы тең болып, газдың атомдықтан тәуелді болады.

Жылусыйымдылықты кесте бойынша аңықтауға болады. Жылусыймдылық аддитивті болады, соңдықтан газ қоспасындағы массалық және көлемдік жылусыймдылықтарға мына аңықтамалар қажет:

,	(9)
.	(10)

Өздік бақылау сұрақтары
1 Меншікті жылусыйымдылықтың анықтамасын беріңіз

2 Орта және нақты жылусыйымдылықтардың өзара айырмашылығы

3 Жылусыйымдылықтардың түрлерін айтыныз

4 Майер теңдеуінің физикалық мәнін түсіндір

5 Газ қоспасының жылусыйымдылығын қалай анықтайды

6 Жылусыйымдылықтың өлшем бірліктерін атаңыз

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.