Термодинамика в автомобилестроении

Термодинамика в автомобилестроении

Термодинамика исследует явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся частиц. Несмотря на то, что каждая из этих частиц движется по законам механики, их совокупное движение представляет собой качественно новый вид движения – тепловое движение. Если сказать проще, то термодинамика исследует превращение движения в теплоту и наоборот. Также термодинамика рассматривает физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом и наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений. Вот о том, что представляет собой термодинамика, мы и поговорим в этой статье.

 

Энтальпия (теплосодержание)

 

Энтальпия (теплосодержание) Q1 — это ко­личество теплоты, в которое преобразуется твердое, жидкое или газообразное тело массой т и удельной теплоемкостью ср при определенной температуре Т.

Q1 = ср m Т = ср V ρ Т.

Пересчет не допускаемых к употреблению единиц измерения:

1 ккал (килокалория) = 4186,8 Дж ≈ 4,2 кДж;

1 ккал/(м*ч*град) = 1,163 Вт/(м*К).

Теплопередача

Существуют три формы теплопередачи:

  • Теплопроводность — способность твердого, жидкого или газообразного тела переносить тепло;
  • Конвекция — теплота, переносимая движущимися частицами жидкого или газообразного тела. При свободной конвекции характер движения частиц вызван неоднородностью среды; при вынужденной конвекции движение частиц поддерживается искусственно;
  • Тепловое излучение — передача тепла от одного тела к другому благодаря испусканию и поглощению электромагнитных волн.



Теплопроводность

Тепловой поток, распространяющийся в теле с постоянной площадью поперечного сечения А между двумя параллельными плоскостями поперечного сечения, расположенными на расстоянии s, при разности температур ΔТ = T1Т2 равен:

Q.=λ/s ΔТ.

Тепловое излучение

Безвоздушное пространство и воздух проницаемы для теплового излучения. Твердые тела и большая часть жидкостей для теплового излучения непроницаемы, также, как и различные газы в определенных диапазонах длин волн.

Тепловое излучение, исходящее от поверхности площадью A при температуре T, равно:

Q. = ԑσA Т4,

Где:

σ= 5,67-10-8 Вт/(м2К4) — постоянная излучения абсолютно черного тела;

ԑ— коэф­фициент излучения поверхности (см. табл. «Коэффициент излучения ԑ«).

 

Коэффициент излучения ԑ

Теплопередача через стену

 

Коэффициент теплоотдачи aТепловой поток, проходящий через стену пло­щадью A и толщиной v при разности температур ΔТ равен:

Q. = k A ΔT.

Коэффициент теплопередачи k вычисляется из формулы (a и аa см. табл. Коэффициент теплоотдачи a):

1/k = 1/a1 + s/λ + 1/aa

 

 

Сопротивление теплопроницаемости

Сопротивление теплопроницаемости сумми­руется из сопротивлений теплопроницаемо­сти отдельных слоев стены (см. табл. «Сопротивление теплопроницаемости воздушных слоев s/λ»):

s/λ = s11 + s22+ …..

 

 

Сопротивление теплопроницаемости воздушных слоев s/λ

Абсолютно черное тело

«Абсолютно черное тело» поглощает все падающее на него тепловое излучение, поэтому, когда оно нагревается, то излучает мак­симальное количество света, которое может выделить тело.



Законы термодинамики

 

Первый закон термодинамики

Энергия не возникает из ничего и не ис­чезает бесследно. Энергия может лишь пре­образовываться в другие виды энергии, на­пример, тепловая энергия — в механическую. В замкнутой системе энергия является постоянной. Система считается замкнутой, если не происходит перехода вещества в нее и за ее пределы, т.е. если масса системы остается постоянной. Исходя из этого, можно принять следующую формулировку: в замкнутой си­стеме сумма всех изменений ее внутренней энергии равна нулю.

Второй закон термодинамики

Все естественные и искусственные процессы преобразования энергии необратимы, т.е. они не полностью обратимы. Так, теплота не может полностью превращаться в другой вид энергии, например, в механическую энергию, именно поэтому энергия, которая может быть преобразована в механическую энергию, всегда меньше теоретического оптимума. Следовательно, все процессы, связанные с трением, необратимы. Теплота, согласно второму закону термодинамики, в естественных условиях не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Энтропия

Энтропия — мера теплообмена между двумя телами. Она не является непосредственно измеряемой величиной, как давление или температура. Оценивать можно только изменение энтропии. Энтропия, по словам Людвига Больцмана (1877), может также интерпре­тироваться как вероятность распределения молекул двух газов. В замкнутой системе изменение энтропии идеального, обратимого процесса равно нулю. Обратимым на­зывается процесс, который может без потерь возвращаться к своему первоначальному со­стоянию.

Противоположны такому процессу необратимые процессы, которые встреча­ются в технологии (например, процессы, связанные с трением, теплопроводимостью или смесеобразованием). Существующие в реальном мире необратимые процессы об­наруживают увеличение энтропии. Поэтому энтропия подходит для описания явлений, сопровождаемых потерями на трение. Еще одним примером процессов, связанных с тре­нием, являются попытки Джеймса Прескопа Джоуля увеличить температуру в сосуде за счет использования мешалки, однако это необратимый процесс. Передача тепла воз­можна только от горячего предмета к холод­ному, а не наоборот. Феномен потерь (напри­мер, потерь течения, связанных с вязкостью) при дросселировании или при смешивании двух жидкостей, движущихся без расслоения и диффузии, объясняется энтропией.

Энергия

Наиболее важной формой энергии в тер­модинамике является тепловая энергия. Существуют также другие формы энергии, например, кинетическая, электрическая и химическая.

Эксергия

Эксергия — это энергия, равная максимально полезной работе, которая может быть совер­шена при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Фактическая доля эксергии понижается из-за потерь (на передачу тепла, трение, химиче­ские реакции, процессы перемешивания).

Анергия

Соответственно, анергия обозначает часть энергии, которая не может быть превращена в работу. Энергия, таким образом, состоит из эксергии и анергии.



Изменения состояния идеального газа

Действительные изменения объема, дав­ления или температуры газов заменяются упрощенной моделью изменений состояния идеального газа или аппроксимируются последовательностью изменений состояния идеального газа. Прикладной интерес представляют изохорный (при постоянном объеме), изобарный (при постоянном давле­нии), изотермический (при постоянной тем­пературе) и адиабатический обратимый (без обмена теплоты) процессы. Адиабатический обратимый процесс часто используется при быстрых изменениях состояния.

В Таблице «Изменение состояния идеального газа» приведены данные для иде­ального газа и замкнутой системы, масса которой остается постоянной. Расчет вы­полненных работ производится с использо­ванием интеграл ∫pdV. Подведение и убыва­ние теплоты являются следствием первого закона термодинамики, энтропия — второго закона.

Изменение состояния идеального газа

В следующей статье я расскажу о подаче топлива в бензиновый двигатель.

Список литературы «Термодинамика в автомобилестроении»:

  1. Stephan, Р.; Schaber, К.; Stephan, К.; Mayinger, F.: Thermodynamik. 17th Edition Volume 1, Springer

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *