Материал: Белозеров В.И. Учебное пособие по курсу Техническая термодинамика (оригинал)

модинамический расчет позволяют определить лишь изменение энтальпии или внутренней энергии вещества. Эта разность и представляет интерес для теплотехнических расчетов.

Для различных веществ точка начала отсчета энтальпии (внутренней энергии) выбирается произвольно. Так, например, для воды и водяного пара в соответствии с решением VI Международной конференции по свойствам водяного пара (1963 г.) за ноль принимается значение внутренней энергии воды в тройной точке (T = 273,16 K;

P = 610,8 Ïà = 0,006228 êãñ/ñì2). Очевидно, что значение энтальпии воды в этой точке отлично от нуля. Из соотношения

h u Pv

следует, что при u = 0

h = Pv;

поскольку у воды в тройной точке v = 1,0002 см3/ã, òî

h 610,8 1,0002 10 3 0,611 Äæ/êã.

Для углекислоты, например, за ноль обычно принимается значе-

ние h при температуре 0°С и P = 98 кПа.

Уникальными свойствами обладает жидкий гелий: сжижается при самой низкой температуре, температура кипения 4,2 К при атмосферном давлении. При невысоких давлениях (примерно до 2500 кПа) гелий остается жидким вплоть до 0 К. Твердый гелий может существовать лишь при повышенных давлениях (см. фазовую диаграмму рис. 10.2.1). Охлажденный ниже 2,17 К при атмосферном давлении или близком к нему (с повышением давления эта температура несколько понижается) жидкий гелий переходит в новую модифика-

142

vP

Глава 11

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕHИЯ HИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУР

11.1. История получения низких температур

Писатель-сатирик Дж. Свифт в книге «Путешествия Гулливера» (вышедшей в 1726 г.) привел описание одной из лабораторий Академии в Логадо.

В распоряжении ученого, известного в Академии «под именем универсального искусника», находятся «две большие комнаты, наполненные диковинами, и 50 помощников. Одни сгущают воздух в вещество сухое и осязаемое…».

Мог ли сатирик предположить, что высмеиваемая разработка «бесплодной» идеи когда-либо станет актуальной проблемой, а превращение воздуха в вещество «сухое и осязаемое» станет реальностью (в те времена не был даже известен состав воздуха). Здесь решающая роль принадлежит низким температурам.

К 1877 г. ученые сконденсировали многие газы. Оставались шесть газов (O , NO, N , H , CH ,CO) из известных к тому времени – не

22 2 4

ожиженных. В декабре 1877 г. С. Кайете во Франции и Р. Пикте в Швейцарии почти одновременно удалось впервые ожижить кислород. Последним из этой группы был ожижен водород Дж. Дьюаром в 1898 г.

Стало известно о существовании гелия (трудно ожижаемый). Только в 1908 г. его ожижение произвел Камерлинг-Оннес в Голландии. Была достигнута температура, всего на 4 К отличающаяся от абсолютного нуля (использовалось ваккуумирование парового пространства). В 1909 г. он же путем снижения давления получил температуру гелия 1,38 К, а затем 1,04 К (вакуумные насосы больше не уменьшали давление).

Штурм низких температур продолжался в космонавтике (важно для промышленности – сверхпроводимость веществ в металлургии, электротехнике).

В 1895 г. Линде в Германии и Хэмпсон в Англии решили задачу получения ожиженных газов в количествах, достаточных для прак-

145

высокогодавления(выше50–40бар)придросселированиинасыщен- всухиеидажеперегретые,хвозрастает.(рис1,.2.11.а)Дляпаров ваютсяvиS.Влажныепарыподсушиваютсяимогутпревратиться сыщенныхпаровуменьшаютсядавления,температурыиувеличи-

21

Глава 12

ПРОЦЕССЫ ТЕЧЕHИЯ ГАЗОВ, ПАРОВ И ЖИДКОСТЕЙ

12.1. Основные уравнения процессов течения

Уравнение первого закона термодинамики для потока

Эти уравнения справедливы и при наличии и при отсутствии вяз-

кого трения на стенках канала.

Åñëè dz = 0, dl = 0, òî

òåõí

Это уравнение показывает, что тепло, подводимое к потоку или

отводимое от него (q ), расходуется на изменение энтальпии и ско-

âíåø

рости движения жидкости или газа (w).

В технике наибольший интерес представляет рассмотрение слу- чая адиабатного течения. Мы будем изучать закономерности обратимого адиабатного потока, т.е. течения без трения, а затем рассмотрим вопрос об учете необратимости потока, обусловленной трением.

Для случая адиабатного потока dq = 0, тогда (12.1.2) примет

внешн

âèä

Перегородка выдвигается, и газ расширяется в объем V . В

âàê

результате расширения давление газа уменьшается, а его объем становится равным всему объему сосуда: V =V +V (рис. 11.3.2).

Выясним, как изменяются температура газа и его энтропия. Уравнение первого закона термодинамики для неравновесного процесса расширения имеет вид

dQ dU PC dV ,

где P – давление окружающей среды, т.е. вакуумное.

C

Применительно к процессу адиабатного (dQ = 0) расширения реального газа в вакуум (P = 0 и dL = P dV = 0 – газ расширяется, не

CC

совершая работы) получаем

dU 0

и, следовательно,

U const ,

т.е. в процессе адиабатного расширения газа в вакуум внутренняя энергия газа остается неизменной.

В процессе расширения в вакуум газ вначале приобретает кинетическую энергию за счет убыли внутренней энергии, затем в результате полного торможения (по окончании перетекания) внутренняя энергия восстанавливается до начальной величины (рис. 11.3.3). Таким образом, существует некоторая условность равенства dU=0. Однако, если представить каскад подобных элементарных процессов, то в пределе процесс стремится к dU = 0 (рис. 11.3.4).

Изменение температуры газа при изменении объема в процессе при U = const находится из соотношения