Термодинамика теплофизических свойств воды и водяного пара
Условие и содержание задания
Идеальный газ (μ – 18,0 г/моль, к = 1,33) при V1; P1; T1 изохорно нагревается до T2, а затем изотермически до Р3. После изобарного и изоэнтропного сжатия рабочее тело возвращается в начальное состояние.
1. Определить термические и удельные калорические характеристики рабочего тела в переходных точках цикла (P; V; T; h; s; u).
2. Вычислить изменения калорических характеристик в каждом из составляющих циклов изопараметрических процессов (ΔH; ΔS; ΔU).
3. Вычислить количество теплоты, деформационной работы, работы перемещения для каждого из изопараметрических процессов (Q; L; Lп).
4. Выяснить энергетические особенности этих процессов и цикла в целом, составить для них схемы энергобаланса и кратко прокомментировать их особенности
5. Оценить эффективность тепломеханического цикла и эквивалентного ему цикла Карно.
Таблица 1
|
№ варианта |
Начальный объем рабочего тела, V1, м3 |
Начальное давление, P1, кПа |
Начальная температура, T1, К |
Конечная температура в изохорном процессе, T2, К |
Конечное давление в изотермическом процессе, P3, кПа |
|
9 |
2,6 |
4000 |
573 |
723 |
100 |
1 Рабочее тело - идеальный газ
1.1 Предварительные вычисления
Удельная газовая постоянна
Удельная изобарная теплоемкость газа при к = 1,33
Удельная изохорная теплоемкость
Масса идеального газа
1.2 Определение характеристик термодинамического состояния идеального газа в переходных точках
На рис. 1 и 2 показан тепломеханический цикл в диаграммах Pv и Ts.
Расчет характеристик термодинамического состояния выполняется в соответствии с исходными данными табл.1 по следующему плану:
Состояние (точка) 1.
Известны: V1; P1; T1.
Определяется удельный объем
Удельные калорические характеристики для каждого из состояний вычисляются по расчетным соотношениям при Тб = 273,15 К и Рб = 100 кПа.
Удельная энтальпия
Удельная внутренняя энергия
Удельная энтропия
Состояние (точка) 2.
Известны: T2;
V2 = V1 (процесс 1-2 изохорный);
v2 = v1
Определяются:
Давление
Удельная энтропия
Удельная внутренняя энергия
Удельная энтропия
Состояние (точка) 3.
Известны: Р3;
Т3 = Т2 (процесс 2-3 изотермический).
Определяются:
Удельный объем
Объем
Удельная энтальпия
Удельная внутренняя энергия
Удельная энтропия
Состояние (точка) 4.
Известны: Р4 =Р3 (процесс 3-4 изобарный);
s4 = s1 (процесс 4-1 изоэнтропный).
Определяются:
Термодинамическая температура
Удельный объем
Объем
Удельная энтальпия
Удельная внутренняя энергия
Результаты расчета сведены в табл.2
Таблица 2
|
Номер точки |
Р, кПа |
Т, К |
t°, °С |
V, м3 |
v, |
h, |
u, |
s, |
|
1 |
4000 |
573 |
300 |
2,6 |
0,066 |
560 |
295 |
-0,325 |
|
2 |
5061 |
723 |
450 |
2,6 |
0,066 |
837 |
502 |
-0,0002 |
|
3 |
100 |
723 |
450 |
131,2 |
3,34 |
837 |
502 |
1,812 |
|
4 |
100 |
230 |
-43 |
41,73 |
1,062 |
-80 |
-186 |
-0,325 |
Характеристики термодинамического состояния идеального газа в переходных точках цикла
1.3 Вычисление изменения калорических характеристик в процессах с идеальным газом
Изменение калорических характеристик при переходе рабочего тела из начального состояния Н в конечное К определяется на основе следующих соотношений:
Изменение энтальпии
Изменение внутренней энергии
Изменение энтропии
По данным табл.2 получаем
Процесс 1-2 (V = const)
Процесс 2-3 (Т = const)
Процесс 3-4 (Р = const)
Процесс 4-1 (S = const)
1.4 Определение количества теплоты, деформационной работы и работы перемещения в процессах с идеальным газом
Характеристики термодинамических процессов (Q; L; Lп) определяются на основании Первого и Второго законов термодинамики. Деформационную работу и работу перемещения при равновесном изменении состояния от начального (Н) до конечного (К) можно вычислить также путем интегрирования выражений.
По данным 1.3 получим
Процесс 1-2 (V = const)
Процесс 2-3 (Т = const)
;
Процесс 3-4 (Р = const)
;
Процесс 4-1 (S = const)
;
Результаты расчетов, выполненных в 1.3 и 1.4, сведены в табл.3
Таблица 3
|
Некруговые процессы |
ΔН, кДж |
ΔU, кДж |
ΔS, кДж |
Q, кДж |
L, кДж |
Lп, кДж |
|
1-2 |
10960 |
8238 |
12,77 |
8238 |
0 |
-2722 |
|
2-3 |
0 |
0 |
71,17 |
51458 |
51458 |
51458 |
|
3-4 |
-36066 |
-27108 |
-83,94 |
-36066 |
-8958 |
0 |
|
4-1 |
25105 |
18869 |
0 |
0 |
-18869 |
-25105 |
|
цикл |
0 |
0 |
0 |
23630 |
23630 |
23630 |
Характеристики термодинамических процессов и изменения калорических свойств идеального газа
1.5 Оценка эффективности тепломеханического цикла с идеальным газом
Тепломеханический коэффициент цикла
Среднетермодинамическая температура идеального газа в процессе подвода теплоты
Среднетермодинамическая температура идеального газа в процессе отвода теплоты
Тепломеханический коэффициент эквивалентного цикла Карно
1.6 Схемы энергобалансов процессов с идеальным газом
Схемы энергобаланса можно представить в виде графических совокупностей элементов, соответствующих следующим частным формам Первого закона технической термодинамики:
Здесь приведены схемы энергобаланса для каждого из четырех изопараметрических процессов и цикла в целом по второй форме:
Каждая схема термодинамически комментируется в соответствии с энергетическими особенностями процесса (табл.4).
Таблица 4
|
Процессы |
Схемы энергобалансов |
Пояснение к схеме |
||
|
1-2 |
ΔH Q Lп |
В данном т/д процессе 1-2 энтальпия идеального газа увеличивается за счет подвода теплоты и затрачивания работы перемещения |
||
|
2-3 |
ΔH Q |
В данном изоэнтальпийном процессе 2-3 работа перемещения совершается за счет подвода теплоты к идеальному газу |
||
|
3-4 |
ΔН Q Lп |
В данном изобарном процессе 3-4 теплота идеального газа отводиться за счет уменьшения энтальпии |
||
|
4-1 |
ΔН Q Lп |
В данном адиабатном процессе 4-1 энтальпия идеального газа увеличивается за счет затрачивания работы перемещения |
||
|
Цикл |
ΣΔН ΣQ
Страницы: 1, 2 |
