Контрольная работа по дисциплине “Теплотехника”

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА  РФ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия

имени академика Д.Н. Прянишникова»

 

 

 

                                                                 Кафедра  Тракторы и автомобили

 

 

Контрольная  работа

по дисциплине “Теплотехника”

 

                                                         Вариант №  23

Задание № 1: вопросы 2, 6,11, 21, 24;  задача № 1.6 Задание № 2: вопросы 3, 8,13,18, 23;  задача № 2.23 Задание № 3: вопросы 2, 7,13,16, 23;  задача № 3.4 Задание № 4: вопросы 4, 9,13,19, 21;  задача № 4.23

          

 

Выполнила: студентка  3-го курса

факультета заочного обучения

специальности «Безопасность

жизнедеятельности в техносфере»

 

 

Проверил:

 

 

 

 

 

Пермь 2012

СОДЕРЖАНИЕ
Задание 1	Стр.
Вопрос  № 2…………………………………………………...	2
Вопрос  № 6……...…………………………………………....	3
Вопрос  № 11.............................................................................	4
Вопрос  № 21.............................................................................	5
Вопрос  № 24.............................................................................	7
Задача 1.6.................................................................................	7
Задание 2
Вопрос  № 3...............................................................................	11
Вопрос  № 8...............................................................................	12
Вопрос  № 13 ............................................................................	12
Вопрос  № 18.............................................................................	14
Вопрос  № 23 ............................................................................	15
Задача 2.23...............................................................................	17
Задание 3
Вопрос  № 2...............................................................................	18
Вопрос  № 7...............................................................................	18
Вопрос  № 13 ............................................................................	20
Вопрос  № 16.............................................................................	21
Вопрос  № 23 ...........................................................................	23
Задача 3.4..................................................................................	24
Задание 4
Вопрос  № 4...............................................................................	27
Вопрос  № 9...............................................................................	28
Вопрос  № 13 ............................................................................	29
Вопрос  № 19.............................................................................	30
Вопрос  № 21 ...........................................................................	32
Задача 4.23................................................................................	34
Список  использованной литературы......................................	37

 

 

 

 

Задание  № 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Раскройте сущность понятия энергии и ее составляющих  для термодинамической системы.

 

Понятие энергии неразрывно связано с материей. Все, что нас  окружает, что воспринимается человеком  и существует независимо от него – это материя. Необходимым условием существования материи является движение. И если масса служит количественной характеристикой материи, то энергия является физической мерой ее движения.

Э н е р г  и я – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Энергию классифицируют по формам движения. Механической форме движения соответствует кинетическая энергия; соединению и разложению молекул – химическая энергия; перемещению электронов в проводниках – электрическая энергия и т.д. Такое разделение энергии на виды удобно для исследования и анализа явлений природы.

Совокупность материальных тел, которые находятся в тепловом и механическом взаимодействии одно с другим и с окружающими систему внешними телами (последние составляют окружающую среду), называют термодинамической системой. Всякая термодинамическая система обладает определенной энергией, которая,  независимо  от  конкретных  форм  проявления,  обозначается  Е. За единицу энергии в СИ принят    джоуль  (Дж) – производная единица, определяемая через основные величины. Джоуль – это энергия, затраченная системой при перемещении точки приложения силы 1 Н на расстояние 1 м в направлении действия силы, т.е. 1 Дж = 1 Н ٠ 1 м .

Вычислить абсолютное значение энергии термодинамической системы  невозможно, нет нуля отсчета энергии. Такое положение не играет существенной роли для практики, потому что при  исследовании энергообмена важна не абсолютная величина энергии, а ее изменение. Для отдельных же форм энергии  с целью количественной оценки их изменений в процессах устанавливается  условное “начало отсчета”.

В общем случае энергия  термодинамической системы  Е  включает в себя кинетическую энергию механического движения тела   или   тел внутри  нее Е_к ,  потенциальную энергию системы во внешнем поле (гравитационном, электромагнитном, сил давления) Е_п и    в н у т р е н н ю ю энергию (связанную с энергией микрочастиц тел, входящих в систему) Е_в:

Е = Е_к + Е_п + Е_в

        В технической термодинамике, как правило, рассматривают неподвижную в окружающей среде термодинамическую систему, форма и размеры которой могут изменяться. Однако может иметь место и перемещение тел или тела внутри системы со скоростью с.  В большинстве случаев гравитационной и электромагнитной составляющими потенциальной энергии пренебрегают. Существенной в таких системах будет потенциальная энергия в поле сил давления, которая выражается через объем и давление:

                                                       Е_п = pV                                                (1.4)

Величина  pV   представляет собой энергию, которую нужно было затратить для того, чтобы ввести тело объемом   V во внешнюю среду, имеющую повсюду одинаковое давление p.

        Внутреннюю энергию Е_в в технической термодинамике обозначают U.

Таким образом, энергия системы, рассматриваемой технической термодинамикой, равна кинетической энергии, потенциальной  энергии в поле сил давления и  внутренней энергии:

                            Е = m

+ pV + U                                       (1.5)

 

6. Запишите аналитическое выражение второго закона термодинамики и поясните величины, входящие в него.

 

Второй закон термодинамики устанавливает полноту преобразования теплоты в работу. Кроме того, он указывает на   качественное различие между теплотой и работой. Если работа может вся без остатка преобразовываться в теплоту, то теплота никогда полностью не может быть преобразована в работу.

dQ = T×dS

Здесь:  dQ – изменение теплоты, подведенной к системе;

         T –температура, величина- необходимая, но еще не достаточная для того, что бы говорить о том, подводится тепло к системе или отводится от неё. Так, в адиабатном процессе система не обменивается теплотой с окружающей средой, а температура изменяется существенно. Остается один параметр, который должен обладать свойством достаточности, и этот параметр: dS – энтропия. Только по изменению энтропии можно судить о теплообмене системы с окружающей средой. Отсюда:

Энтропия есть  калорический параметр   состояния термодинамической системы, характеризующий  направление   протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой.

Можно сказать, что энтропия – это единственная физическая величина, изменение которой в процессе однозначно указывает на наличие  энергообмена в форме теплоты.

Данное аналитическое  выражение второго закона термодинамики устанавливает как качественную, так и количественную связь между теплотой и энтропией: если изменяется энтропия  тела или системы, то в том и другом случае подводится энергия в форме теплоты; если энтропия неизменна, то процесс протекает без энергообмена в форме теплоты, дает возможность установить единицу энтропии, которая равна Дж/К.

 

11. Дайте определение теплоемкости и поясните особенности теплоемкости газов.

Теплоемкость – термодинамическая величина, определяемая выражением:

С =

где ΔQ - количество теплоты, сообщенное системе и вызвавшее изменение ее температуры на ΔT. Отношение конечных разностей ΔQ/ΔТ называется средней теплоемкостью, отношение бесконечно малых величин dQ/dT - истинной теплоемкостью. Поскольку dQ не является полным дифференциалом функции состояния, то и теплоемкость зависит от пути перехода между двумя состояниями системы. Различают теплоемкость системы в целом (Дж/К), удельную теплоемкость [Дж/(г·К)], молярную теплоемкость [Дж/(моль·К)].

Кардинальным отличием понятия  теплоемкости газа от теплоемкости жидких и твердых тел является то, что  на величину теплоемкости газа специфическое  влияние оказывает характер процесса, в котором она вычисляется. Так, в адиабатном процессе, где  dQ = 0, теплоемкость равна нулю. В процессе с постоянной температурой  (T = const) теплоемкость равна бесконечности (c = ± ∞). Теплоемкость газа, присущую  тому или иному процессу, принято обозначать индексом, характеризующим конкретный процесс. Если теплоемкость определяется в процессе при постоянном давлении, то ее обозначают  c_p и т.д.

 

         21. Поясните особенности распределения энергии в характерных группах  термодинамических процессов.

 

      Термодинамические  процессы – это процессы расширения  или сжатия рабочего тела, процессы  подвода и отвода теплоты, процессы  истечения газов и паров, процессы  дросселирования, смешения и др.

Все реальные процессы изменения  состояния системы, происходящие в  различных теплотехнических устройствах, являются неравновесными и необратимыми процессами.    В технической  термодинамике реальные процессы заменяют равновесными обратимыми процессами. Реальные газы заменяют идеальным газом.     

К основным термодинамическим  процессам относятся: изохорный (V = const), изобарный (р = const), изотермический (Т = const) и адиабатный (dQ = 0).

Преобразование энергии  происходит в процессах взаимодействия системы и внешней среды при  непрерывном изменении состояния  системы.

Для всех процессов изменение  внутренней энергии определяется по формуле:

      или при постоянной теплоемкости .

Работа изменения объема газа  .

Количество теплоты, участвующее  в процессе  .                                                

Адиабатный  процесс.

Процесс, протекающий без  подвода и отвода теплоты, т.е. при  отсутствии теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным. Для получения адиабатноого процесса необходимым и обязательным условием является

dQ

и, следовательно, Q

Из первого начала термодинамики dQ = dU + dL для адиабатного процесса следует, что

dL = – dU

т. е. внешняя работа совершается  за счет изменения внутренней энергии  системы.                

 Изохорный  процесс.

Процесс, протекающий при  постоянном объеме, называют изохорным.

Если газ нагревается при  постоянном объеме, то работа внешних  сил равна нулю (dV = 0)) и сообщаемая газу извне теплота идет только на увеличение  его внутренней энергии:

dQ = dU.

Изобарный процесс.

Процесс, протекающий при  постоянном давлении, называют изобарным. Часть сообщенной теплоты dQ, равная р(V₂ – V₁), переходит в работу расширения, а другая часть идет на увеличение внутренней энергии тела.

Изотермический  процесс.

Процесс, протекающий при  постоянной температуре, называют изотермическим. В изотермическом процессе внутренняя энергия газа не меняется, т.е.

dU = 0.

 

 

 

         24. Поясните, от чего зависит расход газа через сечение канала.

 

Если перемещение газа по каналу происходит его расширение с уменьшением давления и увеличением скорости, то такой канал называется соплом. 
Если в канале происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и уменьшением скорости, то такой канал называют диффузором. 
В каналах при небольшой разности давлений газа и внешней среды скорость течения рабочего тела достаточно большая. В большинстве случаев длина канала небольшая и процесс теплообмена между стенкой и газом незначителен, поэтому процесс истечения газа можно считать адиабатным.

Скорость истечения (на выходе канала) определяется из уравнения:

w = w₂ = v 2(h₁ – h₂) ,

или

w = v 2Ö/(g - 1)·P₁·х ₁ [1 – (P₂/P₁)^(g-1)/g] ,

Массовый секундный расход газа, [кг/с]:

m = f·w/х ₂ ,

где: f – площадь сечения канала на выходе. 
 
Так как процесс истечения адиабатный, то:

m = f·Ö 2g/(g - 1)·P₁/х ₁·[(P₂/P₁)^2/g – (P₂/P₁)^(g+1)/g].

Таким образом, массовый секундный расход идеального газа зависит от площади выходного канала, начального состояния газа и степени его расширения.

 

 

 

З а д а ч а

      1.6  Воздух из начального состояния 1 (р₁ = 4 МПа и t₁ = 1600 ⁰C) изохорно охлаждается до температуры  t₂ = 200 ⁰C, а затем изотермически сжимается до состояния 3, в котором р₃ = р₁. Определить недостающие параметры состояния в точках 1, 2 и 3 и показать процесс 1-2-3 в pv и Ts – координатах.

Решение:

Процесс, протекающий при постоянном объеме, называется изохорным.

 

 

Дано:

р₁ = р₃ = 4 МПа

t₁ = 1600 ⁰C; Т₁= 1600+273,15= 1873,15 К

t₂ = 200 ⁰C ; Т₁= 200+273,15= 473,15 К

R_возд= 287,1 Дж/кг∙К [1] табл. 4 стр.172

При постоянном объеме: с_ν = 717 Дж/кг∙К [4]

_________________________________________________________________________

ν₁-?; ν ₂-?; р₂-?; Δs_изх-?; Δs_изт-?; q_изх-?; q_изт-?;