الوقود ومخاليط الغاز والقدرة الحرارية
في المحركات الحرارية (الآلات)، يكون سائل العمل عبارة عن خليط من الغازات المختلفة. إذا لم تدخل مكونات الخليط التفاعلات الكيميائيةفيما بينها، وكل مكون يخضع لمعادلة كلايبيرون للحالة، فإن هذا الخليط يعتبر غازا مثاليا.
لحساب الخليط، من الضروري تحديد μ cm - متوسط الكتلة المولية و R c m - ثابت الغاز المحدد للخليط. لتحديدها، من الضروري معرفة تكوين الخليط، أي المكونات وبأي كميات تشكل هذا الخليط، ما هي المعلمات التي يحتوي عليها كل مكون مدرج في الخليط.
يتصرف كل مكون من مكونات الخليط كما لو لم تكن هناك غازات أخرى في الخليط، ويشغل كامل الحجم المتاح الذي يوجد فيه الخليط، ويتبع معادلة الحالة الخاصة به ويمارس ما يسمى بالضغط الجزئي على الجدران، بينما درجة الحرارة جميع مكونات الخليط متساوية ومتساوية في درجة حرارة الخليط.
وفقا لقانون دالتون، فإن ضغط الخليط P يساوي مجموع الضغوط الجزئية للمكونات الفردية المدرجة في الخليط:
حيث n هو عدد مكونات الخليط.
وفقًا لقانون Amag، فإن حجم الخليط V يساوي مجموع الأحجام الجزئية للمكونات الفردية الموجودة في الخليط عند درجة حرارة وضغط الخليط:
, (1.21)
أين هو الحجم الجزئي، م3؛ V - حجم الخليط م 3
يتم تحديد تكوين الخليط بالحجم (المولي) أو الكسور الكتلية.
جزء الحجم من المكون iهي نسبة الحجم الجزئي للمكون إلى حجم الخليط، أي أن مجموع الكسور الحجمية لمكونات الخليط يساوي 1، أي إذا تم تحديد القيمة في٪، فإن مجموعها = 100٪.
الكسر المولي للمركب i-th n iهي نسبة عدد الكيلومترات من المكون N i إلى عدد الكيلومترات من الخليط N، أي حيث 
، أي أن عدد الكيلومترات لكل مكون والخليط ككل يساوي النسبة المقابلة للحجم الذي يشغله كيلومول واحد من المكون والخليط ككل.
باعتبار أن الغاز المثالي تحت نفس الظروف له نفس الحجم بالكيلومول، فإننا بعد الاستبدال نحصل على: الغازات المثاليةالكسور المولية والحجمية متساوية عدديًا.
جزء كبير من المكون i- هذه هي نسبة كتلة المكون إلى كتلة الخليط: ، ويترتب على ذلك أن كتلة الخليط تساوي مجموع كتل المكونات، وكذلك مجموع كسور كتلة المكونات يساوي 1 (أو 100%).
يتم تحويل الكسور الحجمية إلى الكسور الكتلية والعكس بناءً على النسب التالية:
,
حيث ρ = μ/22.4، كجم/م3.
ويترتب على ذلك أنه سيتم تحديد الجزء الكتلي للمكون i من العلاقة:
,
أين هي كثافة الخليط، كجم/م3، وهي الكسر الحجمي للمكون رقم i.
في المستقبل، يمكن تحديده من خلال كسور الحجم.
.
كثافةيتم تحديد الخليط لكسور الحجم من العلاقة
، أين 
, (1.22)
.
يتم تحديد الضغط الجزئي بواسطة الصيغ:
أو 
(1.23)
معادلات حالة المكونات والخليط ككل لها الشكل:
;
,
من أين بعد التحولات نحصل عليه جَسِيمتشارك
, 
. (1.24)
الكثافة والحجم النوعي للخليط جَسِيمتشارك:
; 
. (1.25)
لحساب الضغوط الجزئية، يتم استخدام الصيغة:
. (1.26)
يتم تحويل الكسور الكتلية إلى كسور حجمية باستخدام الصيغة:
.
عند تحديد السعة الحرارية لخليط من الغازات، ننطلق من الوضع الذي ينص على أنه من أجل تسخين (تبريد) خليط الغاز من الضروري تسخين (تبريد) كل مكون من مكونات الخليط
حيث Q i =M i c i ∆t هي الحرارة المنفقة لتغيير درجة حرارة المكون i من الخليط، c i هي السعة الحرارية الجماعية للمكون i من الخليط.
يتم تحديد السعة الحرارية للخليط من العلاقة (إذا كان الخليط محددًا بكسور الكتلة)
، مشابه 
. (1.28)
يتم تحديد السعات الحرارية المولية والحجمية للخليط المعطاة بكسور الحجم
; 
;
; 
مثال 1.5يتكون الهواء الجاف بالكتلة من g O2 = 23.3% أكسجين وg N 2 = 76.6% نيتروجين. تحديد تكوين الهواء من حيث الحجم (r O2 و r N 2) وثابت الغاز للخليط.
حل.
1. من الجدول 1 نجد كجم/كمول و كجم/كمول
2. تحديد الكسور الحجمية للأكسجين والنيتروجين:
1. يتم تحديد ثابت غاز الهواء (الخليط) بالصيغة:
، ي/كجم ك
مثال 1.6. حدد كمية الحرارة اللازمة لتسخين خليط غاز وزنه M=2 كجم عند P=const يتكون من % بالوزن: ، ، ، ، عندما تتغير درجة الحرارة من t 1 = 900 o C إلى t 2 = 1200 o C.
حل:
1. تحديد متوسط السعة الحرارية الجماعية للمكونات التي يتكون منها خليط الغاز عند P = const و t 1 = 900 o C (من P2):
1.0258 كيلوجول/كجم ك؛ =1.1045 كيلو جول/كجم ك؛
1.1078 كيلوجول/كجم ك؛ =2.1097 كيلوجول/كجم ك؛
2. تحديد متوسط السعة الحرارية الجماعية للمكونات التي يتكون منها خليط الغاز عند P = const و t 1 = 1200 o C (من P2):
1.0509 كيلوجول/كجم ك؛ =1.153 كيلوجول/كجم ك؛
1.1359 كيلوجول/كجم ك؛ =2.2106 كيلوجول/كجم ك؛
3. تحديد متوسط السعة الحرارية الجماعية للخليط لمدى درجة الحرارة: t 2 = 1200 o C و t 1 = 900 o C:
4. كمية الحرارة اللازمة لتسخين 2 كجم من الخليط عند P=const:
القانون الأول للديناميكا الحراريةينشئ علاقة كمية بين التغير في الطاقة الداخلية للنظام والعمل الميكانيكي المنجز ضد قوى الضغط البيئي الخارجي نتيجة لتزويد الحرارة بسائل العمل.
بالنسبة للنظام الديناميكي الحراري المغلق، فإن معادلة القانون الأول لها الشكل
تُستخدم الحرارة المنقولة إلى مائع العمل (أو النظام) لزيادة طاقته الداخلية (dU)، بسبب زيادة درجة حرارة الجسم، ولأداء عمل خارجي (dL)، بسبب تمدد مائع العمل وزيادة في حجمه.
يمكن كتابة القانون الأول بالشكل dH=dq+VdP=dq-dL 0،
حيث dL 0 =VdP - يسمى العمل الأولي لتغيير الضغط بالعمل الخارجي (الفني) المفيد.
dU هو التغير في الطاقة الداخلية لسائل العمل (النظام)، والذي يتضمن طاقة الحركة الحرارية للجزيئات (الانتقالية والدورانية والاهتزازية) والطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات.
نظرًا لأن انتقال النظام من حالة إلى أخرى يحدث نتيجة لإمداد الحرارة ، فإن سائل العمل يسخن وترتفع درجة حرارته بمقدار dT ويزداد حجمه بمقدار dV.
فارتفاع درجة حرارة الجسم يؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية لجزيئاته، كما أن زيادة حجم الجسم تؤدي إلى تغير في الطاقة الكامنة للجزيئات. ونتيجة لذلك، تزداد الطاقة الداخلية للجسم بمقدار dU، وبالتالي فإن الطاقة الداخلية U هي دالة لحالة الجسم ويمكن تمثيلها كدالة لمعلمتين مستقلتين U=f 1 (P,V)؛ U=f 2 (P,T)، U=f 3 (υ,T). يتم تحديد التغير في الطاقة الداخلية في العملية الديناميكية الحرارية فقط من خلال الحالات الأولية (U 1) والنهائية (U 2)، أي.
وبالصورة التفاضلية، سيتم كتابة التغير في الطاقة الداخلية
أ) كدالة لحجم ودرجة حرارة محددة
ب) كدالة لدرجة الحرارة، لأن ، الذي - التي
بالنسبة للحسابات العملية التي من الضروري أن تأخذ في الاعتبار التغير في C v من درجة الحرارة، هناك صيغ تجريبية وجداول للطاقة الداخلية المحددة (غالبًا مولارية). بالنسبة للغازات المثالية، يتم تحديد الطاقة الداخلية المولية للخليط U m بواسطة الصيغة
، J / كمول
لخليط يعطى بواسطة الكسور الجماعية . هكذا الطاقة الداخليةهنالك خاصية النظام ويميز حالة النظام.
الطاقة الداخلية الكامنة- وظيفة الحالة الحرارية التي قدمها Kamerlingh Onnes (الفائز جائزة نوبل، 1913)، وهو مجموع الطاقة الداخلية للنظام U ومنتج ضغط النظام P وحجمه V.
وبما أن الكميات المتضمنة فيها هي دوال للحالة، فإن H هي أيضًا دالة للحالة، أي H = f 1 (P,V)؛ ح = و 2 (الخامس، ر)؛ ح = و 3 (ف، تي).
يتم تحديد التغير في المحتوى الحراري dH في أي عملية ديناميكية حرارية بواسطة الحالة الأولية H 1 والحالة النهائية H 2 ولا يعتمد على طبيعة العملية. إذا كان النظام يحتوي على 1 كجم من المادة، فسيتم استخدام المحتوى الحراري النوعي، J/kg.
بالنسبة للغاز المثالي، المعادلة التفاضلية لها الشكل
وفقا لذلك، يتم تحديد المحتوى الحراري المحدد من خلال الصيغة
معادلة القانون الأول للديناميكا الحرارية هي dq=dU+Pdυ، عندما يكون نوع الشغل الوحيد هو شغل التمدد Pdυ=d(Pυ)-υdP، ثم dq=d(U+Pυ)-υdP، ومن هنا
في الممارسة الهندسية، يتعين علينا في كثير من الأحيان عدم التعامل مع الغازات المتجانسة، ولكن مع مخاليط الغازات غير المرتبطة كيميائيًا. تشمل أمثلة مخاليط الغاز: الهواء الجوي، والغاز الطبيعي، والمنتجات الغازية لاحتراق الوقود، وما إلى ذلك.
تنطبق الأحكام التالية على مخاليط الغاز.
1. كل غاز موجود في الخليط له درجة حرارة يساوي درجة الحرارةمخاليط.
2. أي غاز من الغازات الموجودة في الخليط ينتشر في كامل حجم الخليط وبالتالي فإن حجم كل غاز يساوي حجم الخليط بأكمله.
3. يخضع كل من الغازات الموجودة في الخليط لمعادلة الحالة الخاصة به.
4. الخليط ككل يشبه الغاز الجديد ويخضع لمعادلة حالته.
تعتمد دراسة مخاليط الغازات على قانون دالتون الذي ينص على أن ضغط الخليط عند درجة حرارة ثابتة يساوي مجموع الضغوط الجزئية للغازات الموجودة في الخليط:
حيث p cm هو ضغط الخليط؛
p i - الضغط الجزئي للغاز i الموجود في الخليط؛
n هو عدد الغازات الموجودة في الخليط.
الجزئي هو الضغط الذي يمارسه الغاز الداخل إلى الخليط إذا كان يشغل وحده الحجم الكامل للخليط عند نفس درجة الحرارة.
طرق تحديد مخاليط الغازات
يمكن تحديد تركيبة خليط الغاز من خلال الكتلة والحجم والكسور المولية.
الكسور الجماعية. الجزء الكتلي لأي غاز موجود في الخليط هو نسبة كتلة هذا الغاز إلى كتلة الخليط.
م 1 = م 1 / م سم؛ م 2 = م 2 / م سم؛ ..........; م ن = م ن / م سم،
حيث م 1، م 2، ...، م ن - الكسور الجماعيةغازات؛
م 1، م 2، ...، م ن - كتل الغازات الفردية؛
M سم هي كتلة الخليط.
ليس من الصعب رؤية ذلك 
و 
(100%).
كسور الحجم.الكسر الحجمي لأي غاز موجود في الخليط هو نسبة الحجم المخفض (الجزئي) لهذا الغاز إلى حجم الخليط.
ص 1 = الخامس 1 / الخامس سم؛ ص 2 = الخامس 2 / الخامس سم؛ ........., r n = V n / V cm;
حيث V 1، V 2، ...، V n - انخفاض أحجام الغازات؛
V سم - حجم الخليط؛
ص 1، ص 2، ...، ص ن - كسور حجم الغازات.
الحجم المعطى هو حجم الغاز عند ظروف الخليط (عند درجة حرارة وضغط الخليط).
يمكن تمثيل الحجم المخفض على النحو التالي: إذا تمت إزالة جميع الغازات باستثناء غاز واحد من الوعاء الذي يحتوي على الخليط، وتم ضغط الغاز المتبقي إلى ضغط الخليط، مع الحفاظ على درجة الحرارة، فسيتم تقليل حجمه أو جزئيًا.
يمكن إثبات أن حجم الخليط سيكون مساوياً لمجموع أحجام الغازات المعطاة.
(100%).
كسور الخلد.الكسر المولي لأي غاز موجود في الخليط هو نسبة عدد الكيلومترات من هذا الغاز إلى عدد الكيلومترات من الخليط.
ص 1 = ن 1 / ن سم؛ ص 2 = ن 2 / ن سم؛ .........، ص ن = ن ن / ن سم،
حيث r 1, r 2, ..., r n هي الكسور المولية للغازات؛
n cm هو عدد الكيلومترات من الخليط؛
ن 1، ن 2، ...، ن ن - عدد الكيلومترات من الغازات.
إن تحديد المخلوط في الكسور المولية يماثل تحديد المخلوط في الكسور الحجمية، أي. الكسور المولية والحجمية لها نفس القيم العددية لكل غاز موجود في الخليط.
ثابت الغاز والوزن الجزيئي الظاهري (المتوسط) للخليط.لحساب خليط ثابت الغاز المحدد بكسور الكتلة نكتب معادلات الحالة:
للخليط
ص سم × V سم = M سم R سم T؛ (1.9)
للغازات
.
(1.10)
دعونا نجمع الجانبين الأيسر والأيمن من المعادلات (1.10)
(ع1 + ع2 + .... + ع ن) V سم = (م 1 ر 1 + م 2 ر 2 + ..... + م ن ر ن) ت.
لأن 
,
ثم ف سم V سم = (م 1 ر 1 + م 2 ر 2 + ..... + م ن ر ن) ت. (1.11)
ومن المعادلتين (1.9) و (1.11) يتبع ذلك
م سم ر سم ت = ( م 1 ر 1 + م 2 ر 2 + ..... + م ن ر ن ) ت .
ر سم = م 1 / م سم ر 1 + م 2 / م سم ر 2 + ...... + م ن / م سم ر ن =
م 1 ر 1 + م 2 ر 2 + ...... + م ن ر ن
أو 
,
(1.12)
حيث R cm هو ثابت الغاز للخليط.
منذ ثابت الغاز للغاز i
ص أنا = 8314 / م أنا ,
فتعاد كتابة المعادلة (1.12) على النحو التالي:
.
(1.13)
عند تحديد معاملات خليط الغاز، من المناسب استخدام قيمة تقليدية معينة تسمى الوزن الجزيئي الظاهر (المتوسط) لخليط الغاز. يسمح لنا مفهوم الوزن الجزيئي الظاهر للخليط بالنظر المشروط إلى الخليط كغاز متجانس، مما يبسط الحسابات بشكل كبير.
بالنسبة للغاز الفردي، يكون التعبير التالي صالحًا:
قياسا على الخليط يمكننا أن نكتب
م سم ص ر سم = 8314، (1.14)
حيث m cm هو الوزن الجزيئي الظاهري للخليط.
ومن المعادلة (1.14) وباستخدام التعبيرين (1.12) و (1.13) نحصل على ذلك
,
(1.15)
.
(1.16)
بالتفكير بهذه الطريقة، يمكن الحصول على صيغ لحساب R سم و م سم من خلال كسور الحجم، وصيغ لتحويل كسور الكتلة إلى كسور حجمية، وعلى العكس من ذلك، كسور الحجم إلى كسور كتلة، وصيغ لحساب الحجم المحدد للخليط ش سم و كثافة الخليط ص سم من خلال كسور الكتلة والحجم، وأخيرا، صيغ لحساب الضغوط الجزئية للغازات المدرجة في الخليط من خلال كسور الحجم والكتلة. نقدم هذه الصيغ دون اشتقاق في الجدول.
صيغ لحساب مخاليط الغاز
|
ضبط تركيبة الخليط |
الانتقال من تكوين إلى آخر |
الكثافة والحجم النوعي للخليط |
الوزن الجزيئي الظاهر للخليط |
ثابت الغاز للخليط |
ضغط جزئي |
|
الكسور الجماعية |
|
|
|
|
|
|
كسور الحجم |
|
|
|
|
|
السعة الحرارية للغازات
السعة الحرارية لجسم ما هي كمية الحرارة اللازمة لتسخين أو تبريد الجسم بمقدار 1 كلفن. وتسمى السعة الحرارية لوحدة كمية من المادة بالسعة الحرارية النوعية.
إذن، السعة الحرارية النوعية للمادة هي كمية الحرارة التي يجب إضافتها أو طرحها من وحدة المادة من أجل تغيير درجة حرارتها بمقدار 1 كلفن في عملية معينة.
وبما أنه في المستقبل لن يتم النظر إلا في السعات الحرارية المحددة، فسنسمي ببساطة السعة الحرارية النوعية.
يمكن تحديد كمية الغاز بالكتلة والحجم وعدد الكيلومترات. وتجدر الإشارة إلى أنه عند تحديد حجم الغاز، يتم إحضار هذا الحجم إلى الظروف الطبيعية ويتم قياسه بالمتر المكعب العادي (نانومتر 3).
اعتمادًا على طريقة تحديد كمية الغاز، يتم تمييز السعات الحرارية التالية:
с - السعة الحرارية الجماعية، J/ (كجم×ك)؛
с¢ - السعة الحرارية الحجمية، J/ (نانومتر 3 × ك)؛
c m هي السعة الحرارية المولية، J/(kmol ×K).
توجد التبعيات التالية بين السعات الحرارية المذكورة:
ج = ج م / م؛ ج م = ج × م؛
ج ™ = ج م / 22.4؛ مع م = с ¢ × 22.4،
من هنا 
; ج ™ = ج × ص ن،
حيث u n و r n هما الحجم والكثافة المحددان في الظروف العادية.
القدرات الحرارية المتساوية والإيزوبارية
تعتمد كمية الحرارة المنقولة إلى سائل العمل على خصائص العملية الديناميكية الحرارية. هناك نوعان من السعة الحرارية لهما أهمية عملية اعتمادًا على العملية الديناميكية الحرارية: متساوي الضغط ومتساوي الضغط.
السعة الحرارية عند u = const متساوية.
ج ش - السعة الحرارية المتساوية الكتلة،
ج ™ ش- السعة الحرارية المتساوية الحجمية،
سم ش- السعة الحرارية المتساوية المولية.
السعة الحرارية عند p = const متساوية الضغط.
ج ص - السعة الحرارية متساوي الضغط الشامل،
ج ™ Р - السعة الحرارية متساوي الضغط الحجمي،
ج م ص - السعة الحرارية المتساوية الضغط.
مع نفس التغير في درجة الحرارة في العملية التي يتم تنفيذها عند p = const، يتم استهلاك حرارة أكثر مما يتم استهلاكه في العملية عند u = const. ويفسر ذلك حقيقة أنه عند u = const يتم إنفاق الحرارة المنقولة إلى الجسم فقط على تغيير طاقته الداخلية، بينما عند p = const يتم إنفاق الحرارة على زيادة الطاقة الداخلية وعلى أداء عملية التمدد. الفرق بين السعات الحرارية متساوية الضغط والكتلة وفقًا لمعادلة ماير
ج ص - ج ش= ر. (1.17)
إذا ضرب الطرفان الأيسر والأيمن للمعادلة (1.17) في الكتلة الكيلومولية m، نحصل على
ج م ص - ج م ش= 8314 جول/(كمول×ك) (1.18)
في الديناميكا الحرارية وتطبيقاتها، تعتبر نسبة السعات الحرارية متساوية الضغط ومتساوية القوام ذات أهمية كبيرة:
,
(1.19)
حيث k هو الأس الأديابي.
تظهر الحسابات أنه يمكن التقريب للغازات أحادية الذرة إلى » 1.67، للغازات ثنائية الذرة إلى » 1.4، للغازات ثلاثية الذرة إلى » 1.29.
فمن السهل أن نرى أن المعنى ليعتمد على درجة الحرارة. وبالفعل من المعادلتين (1.17) و (1.19) يتبع ذلك
,
(1.20)
ومن المعادلتين (1.18) و (1.19)
.
(1.21)
وبما أن السعة الحرارية تزداد مع زيادة درجة حرارة الغاز، فإن قيمة k تتناقص، وتقترب من الوحدة، ولكنها تظل دائمًا أكبر منها.
بمعرفة قيمة k، يمكننا تحديد قيمة السعة الحرارية المقابلة. إذن، على سبيل المثال، من المعادلة (1.20) لدينا
,
(1.22)
ولأن ج ع = ك × ج ش، ثم نحصل
.
(1.23)
وبالمثل بالنسبة للسعات الحرارية المولية من المعادلة (1.21) نحصل عليها
.
(1.24)
.
(1.25)
القدرة الحرارية المتوسطة والحقيقية
تعتمد السعة الحرارية للغازات على درجة الحرارة وإلى حد ما على الضغط. إن اعتماد السعة الحرارية على الضغط صغير ويتم إهماله في معظم الحسابات. إن اعتماد السعة الحرارية على درجة الحرارة أمر كبير ويجب أخذه بعين الاعتبار. يتم التعبير عن هذا الاعتماد بدقة تامة من خلال المعادلة
ج = أ + الخامسر + وآخرون 2، (1.26)
اين ا، الخامسو e هي قيم ثابتة لغاز معين.
في كثير من الأحيان في حسابات الهندسة الحرارية، يتم استبدال الاعتماد غير الخطي (1.26) باعتماد خطي:
ج = أ + الخامسر. (1.27)
|
وإذا رسمنا اعتماد السعة الحرارية على درجة الحرارة بيانياً وفق المعادلة (1.26)، فسيكون اعتماداً منحنياً (الشكل 1.4). كما هو موضح في الشكل، كل قيمة لدرجة الحرارة لها قيمة السعة الحرارية الخاصة بها، والتي تسمى عادة السعة الحرارية الحقيقية. رياضياً، يمكن كتابة التعبير عن السعة الحرارية الحقيقية على النحو التالي:
|
|
|
|
ولذلك، فإن السعة الحرارية الحقيقية هي نسبة كمية متناهية الصغر من الحرارة dq إلى تغير متناهي الصغر في درجة الحرارة dt. بمعنى آخر، السعة الحرارية الحقيقية هي السعة الحرارية للغاز عند درجة حرارة معينة. على الشكل. في الشكل 1.4، يُشار إلى السعة الحرارية الحقيقية عند درجة الحرارة t 1 بالرمز t1 ويتم تصويرها بالقطعة 1-4، عند درجة الحرارة t 2 - بالإشارة إلى t2 ويتم تصويرها بالقطعة 2-3. من المعادلة (1.28) نحصل عليها dq = cdt. (1.29) في الحسابات العملية هم يحددون دائمًا كمية الحرارة بسبب التغيير النهائي |
.
(1.28)
درجة حرارة. من الواضح أن كمية الحرارة q، التي تنتقل إلى وحدة كمية المادة عند تسخينها من t 1 إلى t 2، يمكن إيجادها عن طريق التكامل (1.29) من t 1 إلى t 2.
.
(1.30)
بيانياً، يتم التعبير عن التكامل (1.30) بالمساحة 4-1-2-3. إذا استبدلنا قيمة السعة الحرارية الحقيقية في التعبير (1.30) وفقًا للاعتماد الخطي (1.27)، نحصل على
(1.31)
أين 
- متوسط السعة الحرارية في المدى الحراري من t1 إلى t2.
,
(1.32)
ولذلك، فإن متوسط السعة الحرارية هي نسبة الكمية النهائية للحرارة q إلى التغير النهائي في درجة الحرارة t 2 - t 1:
.
(1.33)
إذا قمنا، بناءً على 4-3 (الشكل 1.4)، ببناء مستطيل 4-1¢-2¢-3، مساوٍ في الحجم للشكل 4-1-2-3، فإن ارتفاع هذا المستطيل سيكون متساويًا إلى متوسط السعة الحرارية، حيث 
يقع في نطاق درجة الحرارة t 1 - t 2.
عادة، يتم إعطاء قيم متوسط السعات الحرارية في جداول الخواص الديناميكية الحرارية للمواد. ولكن للتقليل من حجم هذه الجداول فإنها توفر قيم متوسط السعات الحرارية المحددة في المدى الحراري من 0 درجة مئوية إلى درجة مئوية.
إذا كان من الضروري حساب قيمة متوسط \u200b\u200bالسعة الحرارية في نطاق درجة حرارة معين t 1 - t 2، فيمكن القيام بذلك على النحو التالي.
المنطقة 0a14 تحت المنحنى c = f(t) (الشكل 1.4) تتوافق مع كمية الحرارة q 1 المطلوبة لزيادة درجة حرارة الغاز من 0 o C إلى t 1 o C.
وبالمثل، فإن المساحة 0a23 تقابل q 2 حيث ترتفع درجة الحرارة من 0 درجة مئوية إلى t 2 درجة مئوية:
وبالتالي، q = q 2 - q 1 (المساحة 4123) يمكن تمثيلها على النحو التالي
(1.34)
باستبدال قيمة q وفقًا لـ (1.34) في التعبير (1.33)، نحصل على صيغة متوسط السعة الحرارية في أي نطاق درجة حرارة:
.
(1.35)
وبالتالي يمكن حساب متوسط السعة الحرارية من متوسط السعة الحرارية المجدولة باستخدام المعادلة (1.35). علاوة على ذلك، نحصل على اعتماد غير خطي c = f(t). كما يمكنك إيجاد متوسط السعة الحرارية باستخدام المعادلة (1.32) باستخدام العلاقة الخطية. القيم أ و الخامسفي المعادلة (1.32) للغازات المختلفة الواردة في الأدبيات.
يمكن حساب كمية الحرارة الموردة أو المستخرجة من مائع العمل باستخدام أي من المعادلات:
(1.36)
(1.37)
,
(1.38)
أين 
- متوسط السعات الحرارية الكتلية والحجمية والمولية، على التوالي؛ M هي كتلة الغاز. n هو عدد الكيلومترات من الغاز؛ V n - حجم الغاز في الظروف العادية.
يمكن العثور على حجم الغاز Vn على النحو التالي. بعد كتابة معادلة الحالة للشروط المعطاة: pV = MRT وللظروف الطبيعية: p n V n = MRT n، نربط المعادلة الثانية بالأولى:
,
من هنا 
.
(1.39)
السعة الحرارية لمخاليط الغاز
يمكن حساب السعة الحرارية لخليط الغاز إذا تم ذكر تركيبة الخليط ومعرفة السعات الحرارية للمكونات الداخلة في الخليط.
لتسخين خليط كتلته M cm بمقدار 1K، يجب أيضًا زيادة درجة حرارة كل مكون بمقدار 1K. في هذه الحالة، تسخين المكون i للخليط بكتلة M i يتطلب كمية من الحرارة تساوي c i M i . لكامل الخليط كمية الحرارة 
,
حيث c i و c cm هي السعات الحرارية الجماعية للمكون i والخليط.
بقسمة التعبير الأخير على M cm، نحصل على صيغة حسابية للسعة الحرارية الجماعية للخليط:
,
(1.40)
حيث m i هو الكسر الكتلي للمكون i.
بالاستدلال بالمثل، نجد الحجم c cm والسعة الحرارية المولية c m cm للخليط:
(1.41)
حيث c¢ i هي السعة الحرارية الحجمية للمكون i، وr i هو الكسر الحجمي للمكون i،
,
(1.42)
حيث c mi i هي السعة الحرارية المولية للمكون i،
r i هو الكسر المولي (الحجم) للمكون i.
العمل التطبيقي№ 2
الموضوع: السعة الحرارية، الإنثالبي، مخاليط الغازات المثالية، الطاقة الداخلية، الشغل، العمليات الديناميكية الحرارية.
الغرض من العمل: توحيد المعرفة المكتسبة أثناء التدريب النظري، واكتساب المهارات في إجراء حسابات الهندسة الحرارية.
أنا.التعاريف الأساسية والصيغ والمعادلات
1. مخاليط الغازات المثالية
خليط الغاز هو خليط ميكانيكي من عدة غازات لا تتفاعل كيميائيا مع بعضها البعض. ويسمى كل غاز من الغازات الموجودة في الخليط مكونًا غازيًا؛ يتصرف كما لو لم يكن هناك غازات أخرى في الخليط، أي. موزعة بالتساوي في كامل حجم الخليط. يسمى الضغط الذي يمارسه كل غاز من الخليط على جدران الوعاء ضغطًا جزئيًا. القانون الأساسي لمخاليط الغازات المثالية هو قانون دالتون، والذي بموجبه يساوي ضغط الخليط مجموع الضغوط الجزئية للغازات المكونة للخليط:
2. الطاقة الداخلية
الطاقة الداخلية للجسم هي مجمل الطاقة الحركية لحركة الجزيئات الدقيقة التي يتكون منها الجسم وطاقتها الكامنة. التفاعل محدد قوى الجذب أو التنافر المتبادلة. ليس من الممكن تحديد القيمة المطلقة للطاقة الداخلية، وبالتالي في الحسابات الديناميكية الحرارية، لا يتم حساب القيمة المطلقة للطاقة الداخلية، ولكن تغييرها، أي.
أو 
حيث U 1 و U 2 - الطاقة الداخلية للحالة الأولية والنهائية لسائل العمل (الغاز)؛
ش 1 و 2 - يدق. الطاقة الداخلية للحالة الأولية والنهائية لسائل العمل.
ويترتب على ذلك أن التغير في الطاقة الداخلية لا يعتمد على طبيعة العملية ومسارها، بل يتحدد بحالة مائع العمل في بداية عملية التغيير ونهايتها.
ومن سمات الغاز المثالي عدم وجود قوى التفاعل الجزيئي فيه، وبالتالي عدم وجود طاقة الوضع الداخلية، أي. U n =0 و u″ = 0. وبالتالي فإن الطاقة الداخلية للغاز المثالي:
U=U k =f(T) unu u=u k =f(T).
ح. أعمال الغاز.
في الديناميكا الحرارية، أي تغير في حالة السائل العامل نتيجة لتبادل الطاقة مع بيئةتسمى عملية. في هذه الحالة، تتغير المعلمات الرئيسية لسائل العمل:
يرتبط تحويل الحرارة إلى عمل ميكانيكي بعملية تغيير حالة سائل العمل. يمكن أن تكون عمليات تغيير حالة الغاز عبارة عن عمليات تمدد وضغط. بالنسبة لكتلة تعسفية من الغاز M (كجم) فإن الشغل يساوي:
L = М l = Мро (v 2 - v 1) = , J
حيث l = p (v 2 - v 1) J/kg - عمل 1 كجم من الغاز أو شغل محدد.
4. المحتوى الحراري للغاز،
المحتوى الحراري هو معلمة تميز الطاقة المحتملة لاتصال سائل العمل (الغاز) بالبيئة. المحتوى الحراري والمحتوى الحراري المحدد:
أنا = U + الكهروضوئية، J وأنا = u + الكهروضوئية، J / كجم.
5. القدرة الحرارية.
السعة الحرارية النوعية هي كمية الحرارة التي يجب توفيرها لـ 1 كجم من الغاز لتسخينه بمقدار 1 درجة مئوية في نطاق درجة حرارة معين.
يمكن أن تكون السعة الحرارية المحددة هي الكتلة والحجم والكيلومولار. توجد علاقة بين السعات الحرارية للكتلة C والحجم C والكيلومولار C:
; 
حيث Vo 22.4 م3 /كمول - ينبض. حجم الغاز في الظروف العادية.
فوز جماعي السعة الحرارية لخليط الغاز:
السعة الحرارية النوعية الحجمية لخليط الغاز:
السعة الحرارية النوعية للكيلومول لخليط الغاز:
6. معادلة تحديد كمية الحرارة
يمكن تحديد كمية الحرارة المنبعثة أو المستلمة بواسطة سائل العمل (الغاز) بالمعادلة:
Q = M C m (t 2 -t 1)، J أو Q = VC (t-t)، J، حيث M و V هما وزن أو حجم الغاز، كجم أو م 3؛
t u t - درجة حرارة الغاز في نهاية وبداية العملية درجة مئوية؛
C و C - معدل ضربات الكتلة والحجم. السعة الحرارية للغاز
عند t cp = J/kgK أو J/m 3 K
7. القانون الأول للديناميكا الحرارية
يأخذ هذا القانون في الاعتبار التحويل البيني بين العمل الحراري والميكانيكي. وفقًا لهذا القانون، تتحول الحرارة إلى عمل ميكانيكي، والعكس صحيح، يتحول العمل الميكانيكي إلى حرارة بكميات متكافئة تمامًا. معادلة تكافؤ الحرارة والشغل لها الشكل:
مع مراعاة مبدأ تكافؤ الحرارة والشغل، فإن معادلة التوازن الحراري لكتلة اعتباطية من الغاز:
س = U + L و q =u+l= u –u +l
حل المشاكلثانيا
المهمة رقم 1 (رقم 1)
يحتوي الهواء الجاف في الغلاف الجوي على التركيبة الكتلية التقريبية التالية: g 02 = 23.2%، g N 2 = 76.8%.
تحديد التركيب الحجمي للهواء، وثابت غازه، ووزنه الجزيئي الظاهري، والضغط الجزئي للأكسجين والنيتروجين، إذا كان الهواء حسب البارومتر P = 101325 Pa.
أحدد التركيب الحجمي للهواء:
;
;
حيث r هو الكسر الشامل؛
م - الوزن الجزيئي النسبي.
ز – جزء الحجم.
م الهواء = م O2 ص O2 + م N2 ص N2 = 32·0.209 + 28·0.7908=6.688+22.14=28.83;
;
حيث R 0 هو ثابت الغاز.
أحدد الضغوط الجزئية للغازات المختلفة:
P O 2 =P cm · r O2 =101325·0.209=21176.9 (Pa);
P N 2 = P cm · r N 2 =101325·0.7908 = 80127.81 (Pa);
حيث P O 2, P N 2 – الضغط الجزئي;
P سم - ضغط الخليط.
المهمة رقم 2 (رقم 2)
يتم تقسيم السفينة بواسطة حاجز إلى جزأين، حجمهما V 1 = 1.5 م 3 و V 2 = 1.0 م 3. يحتوي الجزء الأول من المجلد V 1 على ثاني أكسيد الكربون عند P 1 = 0.5 ميجاباسكال وt 1 = 30 درجة مئوية؛ الجزء الثاني بحجم V 2 يحتوي على O 2 عند P 2 = 0.2 MPa و t 2 = 57 درجة مئوية. تحديد كسور الكتلة والحجم لثاني أكسيد الكربون والأكسجين 2 والوزن الجزيئي الظاهر للخليط وثابت الغاز الخاص به بعد إزالة القسم وإتمام عملية الخلط.
أحدد ثوابت الغاز الفردية:
للقيام بذلك، أحدد الوزن الجزيئي النسبي: m(CO 2) =32+12=44; م(يا 2)=32;
;
;
وفقا لمعادلة كلايبيرون المميزة، أحدد كتل الغازات:
(كلغ)؛
(كلغ)؛
أحدد الكسور الجماعية:
أحدد كسور الحجم:
تحديد الكتلة الجزيئية الظاهرية للهواء:
م الهواء =m O2 r O 2 +m CO2 r CO2 = 32·0.21 + 44·0.79=6.72+34.74=41.48;
أحدد ثابت الغاز الفردي للهواء (R):
;
المشكلة رقم 3 (رقم 6)
يوجد في وعاء بحجم 300 لتر أكسجين عند ضغط P 1 = 0.2 MPa و t 1 = 20 0 C. ما مقدار الحرارة التي يجب توفيرها حتى ترتفع درجة حرارة الأكسجين إلى t 2 = 300 0 ج؟ ما الضغط الذي سيتم إنشاؤه في السفينة؟ لإجراء الحساب، خذ متوسط الحرارة النوعية الحجمية للأكسجين في الظروف العادية. ج02=0.935 
باستخدام قانون تشارلز، أحدد الضغط النهائي للعملية:
; 
(السلطة الفلسطينية)؛
حيث P، T هي معلمات الغاز.
أحدد ثابت الغاز الفردي للأكسجين (R):
;
نظرًا لأن العملية متساوية، أحدد كمية الحرارة التي يجب توفيرها باستخدام الصيغة المناسبة: Q v = M C cv (T 2 -T 1) لهذا، وفقًا لمعادلة Clayperon المميزة، أحدد كتلة المادة. غاز
(كلغ)؛ Q v =M·С cv ·(T 2 -T 1)=1.27·935·280=332486 (J).
المشكلة رقم 4 (رقم 7)
ما مقدار الحرارة التي يجب إنفاقها لتسخين 2 م 3 من الهواء عند ضغط زائد ثابت ص. = 0.2 MPa من درجة حرارة 100°C إلى درجة حرارة 500°C. ما الشغل الذي سيبذله الهواء؟ للحسابات، خذ: الضغط الجوي R عند. =0.1 ميجاباسكال، متوسط السعة الحرارية المتساوية الكتلة للهواء Cpm =1.022 
; احسب ثابت الغاز، مع الأخذ في الاعتبار أن الكتلة الجزيئية الظاهرية للهواء هي M الهواء. =29.
أحدد ثابت الغاز الفردي للهواء:
;
الضغط المطلق يساوي مجموع الضغط الزائد والضغط الجوي P = P g. + ر عند. =0.1+0.2=0.3 ميجا باسكال
(كلغ)؛
وبما أن العملية متساوية الضغط، فإنني أحدد Q وL باستخدام الصيغ المناسبة:
وفقًا لقانون جاي-لوساك، أحدد المجلد النهائي:
م 3؛
Q=M·C مساءً ·(T 2 -T 1)= 5.56·1022·400=2272928 (J);
L=P·(V 2 - V 1)=300000·2.15=645000 (J).
المشكلة رقم 5 (رقم 8)
تحتوي الاسطوانة على هواء عند ضغط P = 0.5 ميجا باسكال ودرجة حرارة t 1 = 400 0 C. تتم إزالة الحرارة من الهواء عند P = const بحيث يتم تحديد درجة الحرارة t 2 = 0 0 C في نهاية العملية. حجم الاسطوانة التي تحتوي على الهواء V1=400l.
تحديد كمية الحرارة المزالة والحجم النهائي والتغير في الطاقة الداخلية والعمل المثالي للضغط Cpm =1.028 .
وبما أن العملية متساوية الضغط، فإنني أحدد الحجم النهائي باستخدام قانون جاي-لوساك:
م 3؛
وفقا لمعادلة كلايبيرون المميزة، أحدد كتلة الغاز:
من المشكلة السابقة R = 286.7 
(كلغ)؛
أحدد كمية الحرارة المنطلقة:
Q=M·C مساء ·(ت 2 -ت 1)=1.03·1028·(273-673)=-423536 (ي);
أحدد مقدار العمل المنفق:
L=P·(V 2 -V 1)= 500000 ·(0.16-0.4)=-120000 (J);
ومن المعادلة التي يتم بها تحديد الكمية الإجمالية أحدد التغير في كمية الطاقة الداخلية:
; (ي)
المشكلة رقم 6 (رقم 9)
الهواء الذي يبلغ حجمه V 1 = 0.02 m3 عند ضغط P 1 = 1.1 MPa و t 1 = 25 s يتوسع في أسطوانة بمكبس متحرك إلى ضغط P 2 = 0.11 MPa. أوجد الحجم النهائي V 2 ودرجة الحرارة النهائية t 2 والشغل المبذول بواسطة الهواء ومدخل الحرارة في حالة حدوث تمدد في الأسطوانة:
أ) متساوي الحرارة
ب) ثابت الحرارة مع مؤشر ثابت الحرارة ك = 1.4
ج) متعدد التوجهات مع مؤشر متعدد التوجهات n = 1.3
عملية متساوية الحرارة:
ف 1 / ف 2 = ف 2 / ف 1
V 2 =0.02·1.1/0.11=0.2M 3
Q=L=RMT 1 Ln(V 2 /V 1)=P 1 V 1 Ln(V 2 /V 1)=1.1 10 6 0.02 Ln(0.2/0.02)=22000 J
عملية ثابت الحرارة:
ف1 /ف2 =(ف2 /ف1) 1/ك
V 2 = V 1 /(P 2 /P 1) 1/ك =0.02/(0.11/1.1) 1/1.4 =0.1036M 3
ت2 /ت1 =(ف2 /ف1) ك-1/ك
تي 2 =(ف 2 /ف 1) ك-1/ك تي 1 =(0.11/1.1) 1.4-1/1.4 298=20.32ك
С v = 727.4 جول/كجم ك
L=1/k-1(P 1 V 1 -P 2 V 2) =(1/1.4-1) (1.1 10 6 0.02 -0.11 10 6 0, 1)=2.0275·10 6 J
عملية متعددة التوجهات:
V 1 /V 2 =(P 2 /P 1) 1/ن
V 2 = V 1 /(P 2 /P 1) 1/n =0.02/(0.11/1.1) 1/1.3 =0.118M 3
T 2 /T 1 =(P 2 /P 1) n-1/n
T 2 =(P 2 /P 1) n-1/n T 1 =(0.11/1.1) 1.3-1/1.3 298=175k
L= 1/n-1(P 1 V 1 -P 2 V 2)= (1/(1.3-1)) (1.1 10 6 0.02 -0.11 10 6 0.118)=30000J
س=(ك-ن/ك-1) ل م=((1.4-1.3)/(1.4-1)) 30000=7500J
الأدب:
1. "الطاقة"، موسكو، 1975.
2. ليتفين أ.م. "الأسس النظرية للهندسة الحرارية"، دار نشر "إنيرجيا"، موسكو، 1969.
3. توغونوف بي آي، سامسونوف أ، "أساسيات الهندسة الحرارية والمحركات الحرارية وإدارة الطاقة البخارية"، دار نيدرا للنشر، موسكو، 1970.
4. كروتوف في آي، "الهندسة الحرارية"، دار النشر "بناء الآلات"، موسكو، 1986.
العمل العملي رقم 1
موضوع: الغازات المثاليةو مخاليط الغاز. السعة الحرارية للغازات
هدف: إكساب الطلاب مفهوم الغاز المثالي ومخاليط الغازات، وكذلك السعة الحرارية للغازات.
معلومات نظرية مختصرة
عند حساب الغازات المثالية ومخاليط الغازات وكذلك السعة الحرارية للغازات، من الضروري معرفة واستخدام الصيغ التالية:
معادلات الحالة للغازات المثالية:
- لـ 1 كجم من الغاز
, (1.1)
- ل مكيلو غاز
, (1.2)
- مقابل 1 مول من الغاز
, (1.3)
أين هو الحجم المولي، م 3 /مول; - ثابت الغاز العالمي (المولي)، J/(mol K).
ثابت الغاز العالمي = 8.314 J/(mol. ل).
ثابت الغاز النوعي، J/(kg K)،
, (1.4)
أين هي الكتلة المولية، كجم / مول
، (1.4 أ)
أين هي الكتلة الجزيئية النسبية للمادة.
درجة الحرارة الديناميكية الحرارية، K،
, (1.5)
أين درجة الحرارة بالدرجة المئوية 0 ج.
من المعتاد تقليل حجم الغاز إلى ما يسمى بالظروف العادية، حيث يكون ضغط الغاز = 101.3 كيلو باسكال ودرجة الحرارة = 0 0 ج.
ضغط خليط الغاز
, (1.6)
أين هو الضغط الجزئي للمكون.
لخليط الغاز
, (1.7)
أين هي كتلة المكون؟
، (1.7 أ)
أين هو الحجم الجزئي (المخفض) للمكون، م 3 .
كثافة خليط الغاز
, (1.8)
أين هو الجزء الحجمي للمكون؛ - كثافة هذا المكون، كجم/م 3 ;
، (1.8 أ)
أين هو الكسر الشامل للمكون.
الكتلة المولية الظاهرة لخليط من الغازات المثالية
, (1.9)
أين هي الكتلة المولية للمكون؛
. (1.9 أ)
العلاقة بين كسور الكتلة والحجم
. (1.10)
الضغط الجزئي للمكون
. (1.11)
تحدد السعة الحرارية كمية الحرارة التي يجب إمداد الجسم (للنظام) بها من أجل زيادة درجة الحرارة بمقدار 1 0 ج (عند 1 ك).
هناك اتصال وظيفي بين السعات الحرارية المشار إليها
. (1.12)
من الأمور ذات الأهمية الخاصة في الحسابات الحرارية السعات الحرارية للغاز في العمليات عند ضغط ثابت وحجم ثابت - السعات الحرارية المتساوية الضغط والمتساوية، على التوالي. وهي مرتبطة بمعادلة ماير:
- لـ 1 كجم من الغاز
, (1.13)
أين و هي السعات الحرارية النوعية متساوية الضغط ومتساوية القوام؛
– لمدة 1 مول من الغاز
، (1.13 أ)
أين و هي السعات الحرارية المولية متساوية الضغط ومتساوية القوام.
وتسمى نسبة هذه السعات الحرارية بالأس الأديابي
. (1.14)
عادةً ما يتم حساب متوسط السعة الحرارية في نطاق درجة الحرارة من إلى
, (1.15)
أين و هي متوسط السعات الحرارية في درجات الحرارة تتراوح من 0 إلى 0 درجة مئوية ومن 0 إلى 0 درجة مئوية.
السعات الحرارية لمخاليط الغازات:
- محدد
, (1.16)
أين - السعة الحرارية محددةعنصر؛
- الحجمي
، (1.16 أ)
أين - السعة الحرارية الحجمية للمكون؛
- المولي
، (1.16 ب)
أين هي السعة الحرارية المولية للمكون.
القواعد الارشاديةلحل المشكلة
المهمة رقم 1.
يقوم الضاغط بضخ الهواء بكمية 4م 3 / دقيقة عند درجة حرارة 17 0 C وضغط 100 كيلو باسكال في خزان بحجم 10 م 3 . ما المدة التي يستغرقها زيادة الضغط في الخزان من 0.1 إلى 0.9 ميجا باسكال؟ عند الحساب، افترض أن درجة حرارة الهواء في الخزان لا تتغير وتساوي 17 0 ج.
حل
كتلة الهواء في الخزان عند بداية تشغيل الضاغط حسب الصيغة (1.2)
كلغ،
حيث تم قبول:
287 كيلوجول/(كجم. ك) – ثابت الغاز النوعي للهواء (الملحق ب)؛
17+273.15= 290.15 كلفن – حسب المعادلة (1.5).
كتلة الهواء في الخزان عند الوصول إلى الضغط النهائي = 0.9 ميجاباسكال حسب الصيغة (1.2)
كلغ.
كثافة الهواء عند معالمها الأولية حسب الاعتماد (1.1)
كجم/م3.
وفقا لظروف المشكلة، يتم ضبط التدفق الحجمي للضاغط = 4 م 3 /دقيقة، تحتاج إلى تحديد تدفق الكتلة
كجم/دقيقة.
وقت تشغيل الضاغط عند ضخ الهواء إلى الخزان
دقيقة.
إجابة: خلال 20 دقيقة، سيزداد الضغط في الخزان من 0.1 إلى 0.9 ميجا باسكال.
المهمة رقم 2.
تحديد السعة الحرارية النوعية والحجمية للهواء في العمليات عند ضغط وحجم ثابتين، على افتراض أن السعة الحرارية ثابتة. كثافة الهواء في الظروف العادية = 1.29 كجم/م 3 .
حل
نكتب الكتلة الجزيئية النسبية للهواء = 28.96 (الملحق ب) وقيمة السعات الحرارية المولية بالنسبة للغاز ثنائي الذرة = 29.1 J/(mol). ك) و = 20.8 جول/(مول. ك) (الملحق ب).
باستخدام الصيغة (1.4 أ) نحدد:
– الكتلة المولية للهواء
كجم / مول
نحسب باستخدام الصيغة (1.12):
– السعة الحرارية النوعية متساوية الضغط
J/(kg.K)= 1.005 كيلوجول/(kg.K)،
– السعة الحرارية الحجمية متساوية الضغط
كيلوجول/(م3.ك)،
– السعة الحرارية النوعية المتساوية
J/(كجم ك)= 0.718 كيلوجول/(كجم. ل)،
– السعة الحرارية الحجمية المتساوية
كيلوجول / (م 3. ك).
إجابة: السعة الحرارية النوعية هي 0.718 كيلوجول/(كجم . K)، والسعة الحرارية الحجمية هي 0.926 كيلوجول/(م 3. ك).
المهام ل قرار مستقل
المهمة رقم 1.
أوجد كثافة ثاني أكسيد الكربون في الظروف العادية.
المهمة رقم 2.
ما الحجم الذي يشغله 100 كجم من النيتروجين عند درجة حرارة 70؟ 0 C وضغط 0.2 ميجا باسكال؟
المهمة رقم 3.
تحديد كتلة الهواء في فصل دراسي مساحته 120م 2 وارتفاعه 3.5 م ودرجة حرارة الهواء في الفصل 18 0 ج، والضغط الجوي 100 كيلو باسكال.
المهمة رقم 4.
حدد عدد الذرات الموجودة في جزيء الأكسجين إذا كان حجمه 10 لترات عند درجة حرارة 30 0 C وضغط 0.5 ميجا باسكال يوجد 63.5 جم من الأكسجين.
المهمة رقم 5.
في خزان بسعة 8 م 3 يوجد هواء عند ضغط 10 ميجا باسكال وعند درجة حرارة 27 0 ج. بعد استهلاك بعض الهواء انخفض الضغط إلى 5 ميجا باسكال ودرجة الحرارة إلى 20 0 ج. تحديد كتلة الهواء المستهلك.
المشكلة رقم 6
يضخ الضاغط الغاز إلى خزان حجمه 10 m 3 . في هذه الحالة يزداد الضغط في الخزان من 0.2 إلى 0.7 ميجا باسكال عند درجة حرارة غاز ثابتة تبلغ 20 درجة. 0 ج. تحديد زمن تشغيل الضاغط إذا كان إمداده 180 م 3 /ح. يتم تحديد معدل التغذية في ظل الظروف العادية.
المهمة رقم 7.
يضخ الضاغط الهواء إلى خزان سعة 7 أمتار 3 بينما يزداد الضغط في الخزان من 0.1 إلى 0.6 ميجا باسكال. كما ترتفع درجة الحرارة من 15 إلى 50 0 ج. تحديد زمن تشغيل الضاغط إذا كان إمداده 30 م 3 /h، ويشار إلى الظروف العادية: 0.1 ميجا باسكال و 0 0 ج.
المهمة رقم 8.
لتحديد حرارة احتراق الوقود، يتم استخدام قنبلة حرارية سعة 0.4 لتر مملوءة بالأكسجين. أثناء عملية الشحن، يتم الوصول إلى ضغط الأكسجين في القنبلة يساوي 2.2 ميجا باسكال. يأتي الأكسجين من أسطوانة سعة 6 لتر. ما عدد شحنات الأكسجين التي ستكون كافية في الأسطوانة إذا كان ضغطها الأولي 12 ميجا باسكال؟ عند الحساب، قم بقياس درجة حرارة الأكسجين سواء في الاسطوانة أو عند شحن القنبلة لتكون 20 0 ج.
المهمة رقم 9.
يتم تشغيل المحرك الثابت باستخدام الهواء المضغوط من أسطوانة سعة 40 لترًا. إطلاق واحد يستهلك 0.1 م3 من الهواء 3 ، يتم تحديدها في ظل الظروف العادية. حدد عدد مرات بدء تشغيل المحرك إذا انخفض الضغط في الأسطوانة من 2.5 إلى 1 ميجا باسكال. خذ درجة حرارة الهواء لتكون 10 0 ج.
المهمة رقم 10.
يتم تبريد المنتجات الغازية الناتجة عن احتراق الوقود في عملية متساوية الضغط من درجة حرارة إلى درجة حرارة. يتم تحديد تكوين الغازات في كسور الحجم: و. أوجد كمية الحرارة المنبعثة بمقدار 1 م 3 منتجات الاحتراق. يتم تحديد الحجم في ظل الظروف العادية.
خذ البيانات الأولية وفقا للجدول. 1.1 حسب الكود (الرقم المتغير). قم بإجراء الحساب باستخدام متوسط السعات الحرارية.
الجدول 1.1. البيانات الأولية
أسئلة التحكم
1. عرف الغاز المثالي ووضح اختلافاته عن الغاز الحقيقي.
2. كيف يختلف ثابت الغاز عن ثابت الغاز العام؟
3. ما يسمى الضغط الجزئي للغاز في الخليط، هل يوجد فيزيائيا وكيف يتم تحديده؟
4. ما يسمى الحجم الجزئي للغاز في الخليط، هل يوجد فيزيائيا وكيف يتم تحديده؟
5. كيف يمكن تحديد الكسر الحجمي للغاز في الخليط إذا كان الكسر الكتلي معروفًا؟
6. على ما هي خصائص الغازات المثالية التي تعتمد عليها القيم العددية لقدراتها الحرارية المتساوية والإيزوكورية المولية المحددة؟
إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه
سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.
تم النشر على http://www.allbest.ru/
وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي
المؤسسة التعليمية لميزانية الدولة الفيدرالية
تعليم عالى
جامعة فولغوغراد التقنية الحكومية
كلية كيروف المسائية
العمل الفصلي على الانضباط:
الهندسة الحرارية
حول موضوع:
الوقود ومخاليط الغاز والقدرة الحرارية
أكمله: الطالب، TVB-385
شيلودشينكو ب.د.
تم التحقق من قبل: مساعد. جوريونوف ف.
فولغوغراد 2015
حالة
مؤكسد درجة حرارة احتراق الوقود
في الفرن الصناعي، يتم حرق الوقود (الإيثانول) تحت ضغط ثابت. يستخدم الهواء عند درجة الحرارة كعامل مؤكسد ت 1 =660 ألف. يتم إعطاء معاملات الهواء الزائدة: a = 1.0 ومعامل كفاءة احتراق الوقود w = 0.9. تحديد القيمة النظرية لدرجة حرارة الاحتراق القصوى Tg. إهمال الحرارة الناتجة عن الوقود.
فاتورة غير مدفوعة. رقم 1. تكوين الوقود والقيمة الحرارية
فاتورة غير مدفوعة. رقم 2. صيغ متوسط السعات الحرارية للكتلة المتساوية (c v)
|
السعة الحرارية كيلوجول/كجم*ك |
|||
|
0.691 + 7.1*10 - 5 ت |
|||
|
0.775 + 11.7*10 -5 طن |
|||
|
1.328 + 28.07*10 -5 ت |
|||
|
0.716 + 7.54*10 -5 طن |
|||
|
0.628 + 6.75*10 -5 طن |
فاتورة غير مدفوعة. رقم 3. نتائج الحساب
تم العثور على درجة حرارة الاحتراق القصوى النظرية باستخدام معادلة توازن الحرارة :
xQ H +Q o =Q p.sg.
حيث: Q o - الحرارة الناتجة عن المادة المؤكسدة؛
Qh - انخفاض قيمة تسخين الوقود؛
ز - معامل اكتمال احتراق الوقود.
Qn. Сг - الحرارة الناتجة عن منتجات الاحتراق؛
نجد الحرارة المنبعثة أثناء احتراق الوقود (hQ h).
من الجدول 2 يتم أخذ قيمة Q h:
س ح = 27100 كيلوجول/كجم
القيمة w مأخوذة من الجدول 1 (في نسختي، w = 0.9)
و*Q H =0.9*27100=24390 كيلوجول/كجم
نجد الحرارة التي يساهم بها المؤكسد:
س س = ج ص. هواء *م هواء* ت1
نحدد متوسط السعة الحرارية الجماعية المتساوية للهواء باستخدام الصيغة الواردة في الجدول رقم 2
ج v الهواء = 0.691 + 7.1*10 -5 *660=0.73786 كيلوجول/كجم*ك
نحسب متوسط السعة الحرارية للكتلة متساوية الضغط باستخدام صيغة ماير:
الأربعاء الهواء= c v الهواء +R=0.73786+0.287=1.02486 كيلوجول/كجم*ك
نحدد الكتلة الهوائية المطلوبة نظريا:
m o الهواء=2.67* C p +8H p - O p /0.23= (2.67*0.52+8*0.13-0.35)/0.23= (1.3884+1 .04-0.35)/0.23=2.0784/0.23=9.0365 كجم/كجم
نحدد الكتلة الفعلية للهواء:
م الهواء = أ * م س الهواء = 1.0*9.0365 = 9.0365 كجم / كجم
تحديد السؤال:
س س = ج ص. هواء *م الهواء* T 1 =1.02486*9.0365*660=6112.36 كيلوجول/كجم
نحسب الحرارة التي يساهم بها المؤكسد والوقود المحترق:
wQ H +Q o =24390+6112.36=30502.36 كيلوجول/كجم
أوجد حرارة منتجات الاحتراق (Qn.Сг):
Qn. Cr = C R, p.cg*m p, cg * T 2.
أ) تحديد كتلة منتجات الاحتراق:
م ص، سان جرمان =1+م هواء =1+9.0365=10.0365
ب) نحسب الأجزاء الكتلية للمكونات في منتجات الاحتراق:
g co 2 =m co 2 /m p, sg =3.67*C R / m p, sg =3.67*0.52/10.0365=0.1901
g H 2 o =m H 2 o / m p, sg =9*H p / m p, sg =9*0.13/10.0365=0.1166
g o2 =m o2 /m p, sg =0.23*(a-1) *m o هواء /m p, sg =0.23*(1.0-1) *9.0365/ 10.0365=0
g N2 =m N2 /m p, sg =0.77*a*m o هواء /m p, sg =0.77*1.0*9.0365/10.0365 = =0.693
ج) أوجد متوسط السعة الحرارية للكتلة المتساوية الضغط لمنتجات الاحتراق باستخدام الصيغة:
C P, p. g = g (co 2) * C p (co 2) + g (H 2 o) * C p (H 2 O) + g (o 2) * C p (O 2) + g ( N 2) *ج ع(ن2)=
نجد السعات الحرارية متساوية الضغط لمكونات منتجات الاحتراق:
أ)ج v(co 2) = 0.775 + 11.7*10 -5 *T 2
ب)ج v(H2 o) =1.328+28.07*10 -5 *T 2
ج)ج v(O 2) =0.628+6.75*10 -5 *T 2
د)ج v(ن 2) =0.716+7.54*10 -5 *ت 2
باستخدام صيغة ماير نجد ج ص. :
1. C p (co 2) =c v(co 2) +R=0.775+11.7*10 -5 *T 2 +0.189=0.964+11.7*10 -5 *T 2
2. C p (H2O) = c v(H2 o) +R=1.328+28.07*10 -5 *T 2 +0.462=1.79+28.07*10 -5 *T 2
3. ج ع (O 2) = ج v(O 2) +R=0.628+6.75*10 -5 *T 2 +0.260=0.888+6.75*10 -5 *T 2
4. ج ع (ن 2) = ج v(ن 2) +R=0.716+7.54*10 -5 *T 2 +0.297=1.013+7.54*10 -5 *T 2
وبالتالي، نجد متوسط السعة الحرارية للكتلة المتساوية الضغط لمنتجات الاحتراق باستخدام الصيغة:
C P, p. g = g (co 2) * C p (co 2) + g (H 2 o) * C p (H 2 O) + g (o 2) * C p (O 2) + g ( N 2) * C ع(N 2) =0.1901*(0.964+11.7*10 -5 *T 2) +0.1166*(1.79+28.07*10 -5 *T 2) +0*(0.888+6.75*10 - 5) *ت 2) +0.693*(1.013+7.54*10 -5 *ت 2) =0.1832+2.2242*10 -5 *ت 2 +0.2087+3.2729*10 -5 *ت 2 +0+0.702+5.2252*10 - 5 *ت 2 =1.0939+10.7223*10 -5 *ت 2 =1.0939+10.7223*10 -5 *3934.89= =1.516
أوجد حرارة منتجات الاحتراق Q n. سان جرمان:
Qn. Сг = С Р, p.сг*m p, сг * T 2 =(1.0939+10.7223*10 -5 *T 2) *10.0365*T 2
وباستخدام معادلة التوازن الحراري نحدد درجة حرارة الاحتراق القصوى النظرية (T 2):
وس ح= س ن . سان جرمان
24390=(1.0939+10.7223*10 -5 *T 2) *10.0365*T 2 تقليل الطرفين بمقدار 10.0365:
10.7223*10 -5 *(ت 2) 2 +1.09369*ت 2 - 2430.13=0
1.09369 + 1.495/0.000214=1875 كلفن
تم النشر على موقع Allbest.ru
وثائق مماثلة
تحديد الكتلة والسعة الحرارية الحجمية والمولية لخليط الغاز. حساب معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري والحمل الحراري تدفق الحرارةمن الأنابيب إلى الهواء في المرآب. الحساب باستخدام الصيغة D.I. حرارة احتراق الوقود المنخفضة والعالية عند مندلييف.
تمت إضافة الاختبار في 11/01/2015
مخاليط الغاز، السعة الحرارية. حساب متوسط السعة الحرارية المولية والمحددة. دورات المحرك الأساسية الاحتراق الداخلي. معامل حراري عمل مفيددورة الديزل. بخار الماء، محطات توليد الطاقة البخارية. المفهوم العام لدورة رانكين.
تمت إضافة الدورة التدريبية في 11/01/2012
حرارة نوعية- نسبة الحرارة الواردة لكل وحدة كمية من المادة إلى التغير في درجة الحرارة. اعتماد كمية الحرارة على طبيعة العملية، والقدرة الحرارية على ظروف حدوثها. العمليات الديناميكية الحرارية مع الغاز المثالي.
الملخص، تمت إضافته في 25/01/2009
تحديد القيمة الحرارية للوقود الغازي كمجموع منتجات التأثيرات الحرارية للغازات القابلة للاحتراق المكونة لها وكميتها. معدل تدفق الهواء المطلوب نظريا لاحتراق الغاز الطبيعي. تحديد حجم منتجات الاحتراق.
تمت إضافة الاختبار في 17/11/2010
الكتلة المولية والقدرات الحرارية الجماعية لخليط الغاز. عملية الدولة الأديباتية. معلمات سائل العمل عند نقاط الدورة. تأثير نسبة الانضغاط وزيادة الضغط والتمدد متساوي الضغط على الكفاءة الحرارية للدورة. عملية إزالة الحرارة على طول isochore.
تمت إضافة الدورة التدريبية في 03/07/2010
تحديد تدفق الهواء وكمية منتجات الاحتراق. حساب تركيبة غبار الفحم ومعامل الهواء الزائد عند تلبيد البوكسيت في الأفران الدوارة. استخدام صيغة مندليف شبه التجريبية لحساب حرارة احتراق الوقود.
تمت إضافة الاختبار في 20/02/2014
منهجية حساب احتراق الوقود في الهواء: تحديد كمية الأكسجين في الهواء، ومنتجات الاحتراق، القيمة الحراريةالوقود، السعرات الحرارية ودرجة حرارة الاحتراق الفعلية. احتراق الوقود في الهواء المدعم بالأكسجين.
تمت إضافة الدورة التدريبية في 12/08/2011
الديناميكا الحرارية هي مجال من مجالات الفيزياء يدرس عمليات تحويل الحرارة إلى عمل وأنواع أخرى من الطاقة. خصائص السمات الرئيسية لدائرة ميزان الحرارة الغازي. النظر في الخصائص الأساسية للغاز المثالي. جوهر مفهوم "السعة الحرارية".
تمت إضافة العرض بتاريخ 15/04/2014
وصف وحدة الغلاية قبل التحول إلى نوع آخر من الوقود. خصائص الشعلات المقبولة للتركيب. مبرر درجة حرارة غاز المداخن. حساب أحجام الهواء ومنتجات الاحتراق عند حرق نوعين من الوقود. التوازن الحراري واستهلاك الوقود.
أطروحة، أضيفت في 13/06/2015
الغرض من مجففات الأنفاق. تكوين الوقود وحساب هواء الاحتراق. تحديد الحجم الكلي لمنتجات الاحتراق أثناء احتراق الوقود ودرجة الحرارة النظرية. الحساب التكنولوجي لنفق التجفيف. الحساب الهندسي الحراري لعملية التجفيف.