Дәріс 5. Идеал газдардың жылудинамикалық процестер

Дәріс 5. Идеал газдардың жылудинамикалық процестер

1. 
   Жылу динамикасының екінші заңы
   
2. 
   Идеал газ энтропиясы
   
3. 
   Карно циклы.
   
4. 
   Жылудинамикалық процестердің түрлері.
   
5. 
   Газ күйінің өзгерісініңполитропты процесі.
   

Жылудинамикалық процестерге изохоралық, изотермиялық, изобаралық, адиабаттық және политроптық процестер жатады. Жылу техникасында процестерге және олардың есептеуне үлкен көңіл бөлінген. Жылудинамикалық процестердің есептеліуне олардың басындағы және соңыедағы барлық параметрлерін табу, жылулық және жұмыс мөлшерін анықтау және осы процесті P-V жылудинамикалық диаграммада көрсету.Изохоралық процесс тұрақты көлемде жүреді.

Егер изохоралық процесс қыздыру арқылы жүретін болса, онда диаграммада ол 1-2 сызығымен кескінделеді. Ал егер суыту арқылы жүретін болса онда 2-1 сызығымен кескінделеді. Екі жағдайдағы газ үшін. Клапейрон-Менделеев теңдеуін жазып және оны бір-біріне бөліп.
(1)

теңдеуін аламыз.

Берілген жылу процесте жылу жүрмегендіктен ол тек ішкі энергияны жылыту үшін қолданылады. Егер ішкі энергия жоқ болса, онда жылу мөлшері

Егер процесте m кг газ қатысатын болса онда жылу мөлшері:

Изобаралық процесс тұрақты қысымда жүреді (Р=const). Еркін түрде алынған екі изобаралық процесс үшін Клапейрон-Менделеев теңдеуін жазып

Изобаралық процесте жылу беру тек қана газдың ішкі энергиясын өсіру үшін немесе оны салқындату үшін, сығу үшін қолданылады.

Жұмыс: немесе идеал наз үшін
. (7)
Жылу мөлшері:

, (8)
мұндағы - энтальпиялар шамасы.
n кг газ үшін (9)
Изотермиялық процесс кезінде температура өзгермейді (T=const). Идеал газдың изотермиялық процесс үшін параметрлер қатынасы мынадай болады: PV=const ;

P₁ V₁ =P₂ V₂; (10)

Идеал газдың ішкі энергиясы температураға тәуелді болғандықтан, ал изотермиялық процесте ішкі энергия өзгермейді, себебі температура тұрақты, ал берілген жылу жылудинамикасының бірінші заңы бойынша осыдан ;
; (11)

Өздік бақылау сұрақтары

1. 
   Жылудинамикалық процестерге қандай процестер жатады?
   
2. 
   Изохоралық процесс дегеніміз не?
   
3. 
   Изобаралық процестің негізгі есептеу формулаларын жазыңыз
   
4. 
   изотермиялық процестің графигі қандай?
   
5. 
   Адиабаттық процесс деп қандай процесті айтады
   
6. 
   Политроп процесінің маңызы
   

1. 
   Бахмачевский Б.И. и др. «Теплотехника». - М.: Металлургиздат, 1969, б.49-67
   
2. 
   Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача». – М.: Высшая школа, 1980. б. 80-96.
   

Дәріс 6. Жылу динамикасының екінші заңы

1. 
   Жылу динамикасының екінші заңы, негізгі жағдайы.
   
2. 
   Тұйық процесс циклдың тоңазыту коээфициенті.
   
3. 
   Идеал газ энтропиясы
   
4. 
   Карно циклы.
   

Жылу динамикасының 1-заңы энергияның сақталу және айналу заңының бір түрі ретінде болып, жылудың жұмысқа, ал жұмыстың жылуға айналуының осы айналыс мүмкіндіктерінің қандай жағдайда жүретінін сақтамай-ақ бере алады.

1-заң жылу процесінің бағыт-бағдары туралы сұрақты қарастырмайды. Сонымен қатар 1-заң жылу ыстық денеден суық денеге немесе керісінше өте ме, оны шеше алмайды. Жылудың жұмысқа айналуы жылу көзімен оны қабылдаған дене арасында температуралар айырмасы болған шақта жүреді. Бірақ жұмыстан жылу немесе жылудан жұмыс толық мөлшерде алынбайды. Бар жылу, жылу қабылдағыштан алынған түгелімен жұмысқа айналса, ондай қозғалтқышты Кельвинг 2 сатылы мәңгі двигательді құру мүмкін еместігін көрсетті. Жылулық циклді бағалау үшін пайдалы әсер коэффициенті ПӘК деп аталатын критерий алынады:

(1)

Кері циклдың жетлдіру циклын жетлдіру дәрежесін циклдың тоңазыту коэффициентмен анықтайды:

Энтропия грекше айналу деген сөзден шыққан. Энтропия термодинамикалық жүйенің функциясы. Ол жүйе мен сыртқы ортаның арасында жүретін жылу алмасу прцесінің жүру бағытын сипаттайды. Сонымен қатар тұйық жүйелердің ішінде өздігінен жүретін процестердің жүйелік энтропия айырма мәні:

мұндағы S₁, S₂-екі процестің энтропиялары;

Абсолюттік температура нөлге ұмтылғанда қатты және сұйық отындардың тепе-теңдігі кезінде limS 0, яғни энтропия да нөлге ұмтылады T 0.

3-термодинамикалық бастау бойынша энтропияның абсолюттік мәні былай табылады:

(4)

Термодинамиканың 3- бастауынан кейбір маңызды қорытындылар туады:

а) абсолюттік нөлге жетпеу мүмкіндігі (жете алмау мүмкіндігі);

б) абсолюттік температураның нөлге ұмтылысы кезінде жылусиымдылығы, ұлғаю коэффициентінің (жылулық) және қысымның термиялық коэффициентінің нөлге ұмтылысы.

Термодинамиканың 3-бастауының өте төмен суыте температурасын алуда маңызы зор, ал химияда химиялық тепе-теңдікті есептеуде және т.б. ролі үлкен. Меншікті энтропия процесс күйінің негізгі функциясы болып табылады:
S₁=f₁(P₁T); S₂=f₂(T₁V); S₃=f(P₁V) (5)
мұнда, S- энтропиясы;

f-функциясы.

Француз ғалымы Сади Карно 19 ғасырдың бірінші жартысында жылудың жұмысқа үлкен табыспен айналуын қарастыратын идеал циклді енгізеді.

Бұл қайтымды цикл. Екі изотерма және екі адиабаттан тұратын тұйық цикл болып саналады. Поршень астындағы газ өзінің бастапқы параметрлерімен V, T, P бірінші нүктеден екінші нүктеге ығысады. Бұл кезде ол жылу көзінен q₁ (ккал) тұрақты температурада жылу қабылдайды. Осы процесті PV диаграммада тұрғызсақ:

Мұндағы графикалық жұмыс изотермалық процесс кезіндегі 1, 2, 1^’, 2^’ ауданымен кескінделеді және бұл жұмыс

сондықтан жылу:

формуласымен анықталады.

Екінші нүктеде жылу беру тоқтатылып процесс адиабатты түрде ұлғайтылады, бұл процесс 2-3 кескінімен өрнектеліп және адиабаттық ұлғаю кезінде температура Т₁ –ден Т₂-ге аз болады, ары қарай процесс Т₂ температурасында изотермиялық процесінде изотермиялық сығылу процесі жүріп, ол 3-4 кескінімен көрсетіледі және осы процессте q₂ жылуы әкетіледі. Төртінші нүктеден бастап адиабаттық сығу процесі жүріп, бірінші нүктеде аяқталады, процесс тұйық процесс. Осы процестегі жұмыс:

(8)

Осы жұмысқа кететін жылу шамасы

Пайдалы жұмыс (Карно циклі кезіндегі) ұлғаю жұмыстарымен сығылу жұмыстарының айырмасына тең. Карно циклінің термиялық пайдалы әсер коэффициенті:

Адиабаттар үшін термиялық коэффициент:

Карно циклінің термиялық коэффициент жұмысшы дененің табиғатынан тәуелсіз және ол жұмысшы денелердің температуралар айырмасынан ғана тәуелді. Карно циклінің ең басты маңызы кез-келген жылулық процестерге немесе жылу қозғалтқыштарының термиялық коэффициентінің ең үлкен шамасын табуда практикалық маңызы бар Карно циклінан көретініміз жұмыстың пайдалы жұмысқа айналу кезінде оның біраз энергиясы суыту көзіне немесе суытылып шығын түрінде (жылу шығыны) әкетіледі. Карно циклі мысалынан пайдалы.

1. 
   Жылу динамикасының екінші заңы туралы түсінік.
   
2. 
   Жылудинамикасының екінші заңының бірінші заңға қарағандағы айырмашылығы.
   
3. 
   2-сатылы мәңге қозғалтқыш деп нені айтады.
   
4. 
   Энтропия дегеніміз не?
   
5. 
   Энтропияның абсолюттік мәні қалай табылды.
   
6. 
   Жылу динамикасының үшінші бастауы туралы не білесіз?
   
7. 
   Карно циклын түсіндірініз.
   
8. 
   Карно циклының ПӘК формуласын жазыңыз
   

1. 
   Бахмачевский Б.И. др. «Теплотехника». - М.: Металлургиздат, 1969. - б.20-28
   
2. 
   Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача». - М.: Высшая школа, 1980. – б.96-123