Раздел 1. «Термодинамика»
Тема 1.2 «Основные законы термодинамики. Теплопередача»
Занятие №6. «Энтальпия и энтропия. Способы переноса тепла»
С целью упрощения расчетов термодинамических процессов была ведена функция энтальпия.
Удельная энтальпия, т. е. отношение энтальпии к массе тела,обозначается i и выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг). Она представляет собой функцию вида
Поскольку входящие в удельную энтальпию величины и (внутренняя энергия), р (давление) и v (объем) являются параметрами (функцией) состояния, то и сама удельная энтальпия будет также параметром (функцией) состояния.
Изменение удельной энтальпии определяется следующим выражением:
Удельная энтальпия идеального газа, так же, как и внутренняя энергия, является функцией только температуры (Т) и не зависит от других параметров. Действительно, для идеального газа
Для удобства термодинамических расчетов Клаузиус ввел новую функцию состояния рабочего тела — энтропию (от греч. tropos — превращение, преобразование). Для 1 кг газа энтропия обозначается s и измеряетсяДж/кг∙К, а для произвольной массыобозначается S и измеряетсяДж/К.
Энтропия для 1 кг газа может быть определена из выражения
Удельной энтропией s называют функцию состояния термодинамической системы, приращение которой Δ s равно отношению бесконечно малого количества теплоты Δ q,сообщаемого системе, к ее абсолютной Т, т. е.
Для термодинамических расчетов используют не саму энтропию, а её изменение Δ s, которое для любого процесса равно
Энтропию не измеряют (нет приборов), се рассчитывают. Простота и удобство применения энтропии в качестве параметров состояния привели к широкому использованию ее в теплотехнических расчетах.
Понятие энтропии позволяет ввести очень удобную для исследования термодинамических процессов циклограмму состояний, в которой по оси ординат откладывают абсолютную температуру T а по оси абсцисс — значения энтропии s. Такую циклограмму называют T, s -диаграммой.
При этом условно принимают энтропию, равную нулю при нормальном состоянии газа.
Способы переноса теплоты
В учении о теплообмене рассматриваются процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Эти процессы по своей физико-механической природе весьма многообразны, отличаются большой сложностью и обычно развиваются в виде целого комплекса разнородных явлений.
Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением или радиацией. Эти формы теплообмена существенно отличаются по своей природе и характеризуются различными законами.
Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами или частицами тел с различной температурой.
Теплопроводность представляет собой, согласно взглядам современной физики, молекулярный процесс передачи теплоты. В металлах при такой передаче теплоты большую роль играют свободные электроны.
Известно, что при нагреве тела кинетическая энергия его молекул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами, сообщают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс постепенно распространяется по всему телу. Например, если нагревать один конец металлического стержня, то через некоторое время температура другого его конца также повысится. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, от его геометрических размеров, а также от разности температур между различными частями тела.
Конвекция происходит только в газах и жидкостях. Этот вид переноса осуществляется при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. Конвективный перенос теплоты происходит тем интенсивнее, чем больше скорости движения жидкости или газа, так как в этом случае за единицу времени перемещается большее количество частиц тела. В жидкостях и газах перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом осуществляется и непосредственный контакт частиц с различной температурой.
Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом. Различают вынужденный и свободный конвективный теплообмен. Если движение рабочего тела вызвано искусственно (вентилятором, компрессором, мешалкой и др.), то такой конвективный теплообмен называют вынужденным. Если движение рабочею тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости от нагревания, то такой теплообмен называют свободным или естественным конвективным теплообменом.
Изучение — процесс передачи теплоты излучением между двумя телами, разделенными полностью или частично пропускающей излучение средой. Этот процесс происходит в три этапа: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом и преобразование ее во внутреннюю энергию. При сравнительно невысоких температурах перенос энергии осуществляется в основном инфракрасными лучами.
Совокупность всех трех видов переноса теплоты называют сложным теплообменом. Однако изучение закономерностей сложного теплообмена представляет собой довольно трудную задачу. Поэтому отдельно рассматривают каждый их трех видов теплообмена, а затем проводят расчеты сложного теплообмена.
В основе теории теплообмена лежат первый и второй законы термодинамики, а также другие законы общей физики (закон Фурье, второй закон Ньютона, закон Планка и др.).
Вопросы и задания
1. Для чего была введена удельная энтальпия?
2. От каких параметров зависит удельная энтальпия?
3. Что называют энтропией и как она используется в термодинамических расчетах?
4. Что называют удельной энтропией?
5. В чем удобство и что позволяет ввести понятие энтропии?
6. Какими способами может осуществляться перенос теплоты?
7. Что представляет собой теплопроводность?
8. Что называют конвекцией и в каких веществах она происходит?
9. Какие бывают виды конвективного теплообмена и в чем их особенность?
10*. В каких машинах, используемых при проведении аварийно-спасательных работ происходит конвективный теплообмен? (конкретные его виды).
11. Что собой представляет излучение?
12. Что называют сложным теплообменом?
13. Какие виды переноса теплоты происходят во время пожара? Приведите примеры!