Нақты газдарды дросселдеу
Оқу-әдістемелік материалдар: құрылымы және негізгі мазмұны
Мәтіннің бастапқы нұсқасы ресми құжат форматына жақын болғандықтан, төменде ол оқуға жеңіл, логикалық бөлімдерге бөлінген блог-пост түрінде берілді. Терминдер түзетіліп, сөйлемдер ықшамдалды, қайталанулар біріздендірілді.
Глоссарий: негізгі ұғымдар
Жұмыстық дене
Суытудың немесе қыздырудың әсерінен күйі өзгеріп, жылу энергиясын механикалық энергияға түрлендіруге қатысатын газ тәрізді, сұйық немесе плазмалық орта.
Жүйе күйі
Жүйенің қасиеттері мен бақыланатын параметрлерінің (қысым, температура, көлем және т.б.) белгілі бір үйлесімі.
Термодинамикалық процесс
Жүйе күйінің жылулық құбылыстарға байланысты өзгеруі.
Ішкі энергия
Дененің толық энергиясынан толық механикалық энергияны (макроскопиялық қозғалыс пен орын ауыстыруға қатысты) алып тастағанда қалатын энергия.
Жылу алмасу және жылу берілу
Жылу алмасу — микробөлшектердің ретсіз қозғалысы нәтижесінде жүзеге асатын энергия алмасуы; осы кезде берілетін энергия мөлшері жылу деп аталады.
Жылу берілу — бір денеден екінші денеге энергияның берілуіне әкелетін микроскопиялық процестердің жиынтығы.
Меншікті жылу сыйымдылығы
1 кг заттың температурасын 1 К-ге арттыру үшін қажет жылу мөлшері.
Адиабаталық процесс
Жүйе мен қоршаған орта арасында жылу алмасу болмайтын процесс.
Қайтымды және қайтымсыз процестер
Қайтымды процесс — кері бағытта өткенде де жүйе дәл сол күйлер тізбегінен өтетін идеалданған процесс.
Қайтымсыз процесс — нақты жүйелерде орын алатын, кері бағытта дәл солай қайталанбайтын процесс; тепе-тең емес процестер әрқашан қайтымсыз болады.
Тұйық процесс (цикл)
Жүйе бірнеше өзгерістерден кейін бастапқы күйіне қайта келетін процестер тізбегі.
Жылу тасымалдану түрлері
- Жылуөткізгіштік — температурасы әртүрлі аймақтар арасында микробөлшектердің өзара әсері арқылы энергияның берілуі.
- Конвекция — сұйық немесе газ көлемі орын ауыстырған кезде жылудың тасымалдануы.
- Конвективті жылу алмасу — жылуөткізгіштік пен конвекцияның бір уақытта жүруі (қатты бет пен сұйық/газ арасында).
- Қабырға арқылы жылу берілу — бөлетін қатты қабырға арқылы бір ортадан екінші ортаға жылудың өтуі.
Жылу ағыны және коэффициенттер
- Жылу ағыны — еркін бет арқылы уақыт бірлігінде берілетін жылу мөлшері.
- Жылуөткізгіштік коэффициенті — температура градиенті 1 К/м болғанда 1 м² беттен өтетін жылу ағынының қуатын сипаттайды.
- Жылу беру коэффициенті — сұйық (газ) пен қабырға арасындағы температура айырмасы 1° болғанда 1 м² арқылы өтетін жылу ағынының қуатын сипаттайды.
Дросселдеу және Джоуль–Томсон эффектісі
Дросселдеу — пайдалы жұмыс жасалмайтын және қоршаған ортамен жылу алмасусыз газдың жоғары қысымнан төмен қысымға қайтымсыз өтуі.
Дифференциалдық температуралық эффект — i = const процесінде қысымның шексіз аз өзгерісіне сәйкес температураның шексіз аз өзгерісінің қатынасы.
Интегралдық эффект — қысым белгілі интервалда өзгергенде газ температурасының өзгеруі.
Инверсия нүктесі — дифференциалдық эффект нөлге тең болатын нүкте (αᵢ = 0). Инверсия нүктелерінің геометриялық орны инверсия қисығы деп аталады.
Жылулық сәулелену
Электромагниттік толқындар арқылы энергияны тасымалдау процесі.
Фонон
Кристалдық тордағы жылулық тербелістермен байланысты квазибөлшек; жылу энергиясын тасымалдаушы ретінде қарастырылады.
Дәрістер: тақырыптар мен оқу сұрақтары
Дәріс 1. Қолданбалы жылуфизиканың маңызы. Термодинамиканың бірінші заңы
- Пәннің маңызы мен қолданылу салалары
- Термодинамиканың 1-заңы
- Үйкелістің әсері және энергия балансы
Өзін-өзі бақылау сұрақтары
- Қолданбалы жылуфизика пәні нені оқытады?
- Термодинамиканың бірінші заңының теңдеуін жазыңыз.
- Газ ағынындағы толық техникалық жұмыс теңдеуін жазыңыз.
- Ауырлық ортасы қозғалыссыз болғанда, 1-заң теңдеуі қандай түрге келеді?
- Ағында 1-заң теңдеуі қалай анықталады?
Дәріс 2. Қайтымды және қайтымсыз үрдістер. Энтропия
- Қайтымдылық ұғымы
- Энтропия және оның мағынасы
- Термодинамиканың біріктірілген теңдеуі
Өзін-өзі бақылау сұрақтары
- Қайтымды үрдістер дегеніміз не?
- Қайтымсыз үрдістер дегеніміз не?
- Техникалық термодинамикада қандай үрдістер қарастырылады?
- Энтропия теңдеуін жазыңыз.
- Идеал газ үшін энтропия теңдеуі қалай анықталады?
- Нақты және идеал газдардың қайтымсыз үрдістері үшін энтропия қалай өзгереді?
- Термодинамиканың біріктірілген теңдеуін жазыңыз.
- Сызба түрінде нақты жылусыйымдылықтың анықталуын түсіндіріңіз.
Дәріс 3. Термодинамиканың дифференциалдық теңдеулері
- 1-заңның дифференциалдық теңдеуі
- Ішкі энергияның жеке туындылары
- Энтропияның дифференциалдық теңдеуі
- Энтальпияның дифференциалдық теңдеуі
Дәріс 4–5. Газдардың термодинамикалық қасиеттері
Дәріс 4: Нақты газдар
- Нақты газдардың қасиеттері және қолданылуы
- Кризистік нүкте және күй теңдеулері
- Сәйкес күйлер заңы
- Сығылғыштықты есептеу әдістері
Дәріс 5: Жылусыйымдылық және диаграммалар
- Нақты газдардың жылусыйымдылығы
- Негізгі термодинамикалық диаграммалар (S–T, i–S, lgP–i, i–T)
Дәріс 6–7. Төмен температураларды алу: дросселдеу және изоэнтропиялық ұлғаю
- Нақты және идеал газдарды дросселдеу
- Джоуль–Томсон эффектісі (дифференциалдық және интегралдық)
- Газдың изоэнтропиялық ұлғаюы
- Дросселдеу мен детандер процесін салыстыру
Дәріс 8–10. Қатты орта, термоэлектрлік және гелийге негізделген суыту
Дәріс 8
Адиабаталық магнитсіздендіру және магниттік криогендік машиналар.
Дәріс 9
Термоэлектрлік суыту және десорбциялық суыту әдістері.
Дәріс 10
³He және ⁴He қасиеттерін пайдаланып суыту: еріту және адиабаталық кристалдау.
Дәріс 11–12. Газдық тоңазытқыш циклдар: дросселдік және детандерлік
Дәріс 11: Дросселдік циклдар
- Теориялық және нақты цикл
- Рефрижераторлық режим және сұйылту режимі
- Циклдың негізгі сипаттамалары
Дәріс 12: Детандерлік циклдар
- Бір сатылы детандерлік цикл
- Детандер жұмысы және суық өнімділігі
- Адиабаталық ПӘК және шығару процесі
Дәріс 13–15. Төмен температуралардағы материал қасиеттері және криогендік сұйықтар
Дәріс 13
- Қатты денелердің жылуфизикалық қасиеттері
- Жылулық ұлғаю
- Жылулық сәулелену
Дәріс 14
- Электрөткізгіштік және асқынөткізгіштік
- Механикалық қасиеттер
- Биоматериалдардың қасиеттері
Дәріс 15
- Криогендік сұйықтар
- Сұйық және қатты гелий
- Асқынаққыштық және κρίзистік жылдамдық
Зертханалық сабақтар: мақсаттар мен күтілетін нәтижелер
Зертханалық жұмыс 1. Ауа қасиеттері және термодинамикалық диаграммалар
Мақсаты: ауа, азот және гелийдің термодинамикалық диаграммаларымен танысу; диаграммалар көмегімен газдық циклдардағы процестерді есептеу.
Әдістемелік нұсқаулар және қорғау сұрақтары зертханалық жұмыс нұсқаулығында беріледі.
Зертханалық жұмыс 2. Оңай дросселдеу циклымен газдарды сұйылтуды есептеу
Мақсаты: дросселдеу циклының негізгі процестерін анықтау, оларды T–S диаграммасында көрсету; циклдың термодинамикалық есебін жүргізу, сұйылту коэффициенті мен энергия шығынын табу.
Зертханалық жұмыс 3. Алдын ала суыту және дросселдеу циклымен сұйылту
Мақсаты: алдын ала суыту + дросселдеу циклдарының процестерін анықтау және T–S диаграммасында тұрғызу; термодинамикалық есеп жүргізу; сұйылту коэффициенті мен энергия шығынын анықтау.
Зертханалық жұмыс 4. Газдарды сұйылтудың детандерлік циклын есептеу
Мақсаты: детандерлік циклдың негізгі процестерін анықтау және T–S диаграммасында көрсету; циклдың термодинамикалық есебін жүргізу; ағындар арасындағы интегралдық температура айырмасын есептеу.
Зертханалық жұмыс 5. КНГ өнеркәсіптік қондырғысының сызбанұсқасы
Мақсаты: қондырғының сызбанұсқасымен танысу; іске қосу ретін және жұмыс режиміне келтіру тәртібін меңгеру.
Әдістемелік нұсқаулар мен қорғау сұрақтары тиісті нұсқаулықта келтіріледі.
Оқуға ыңғайлы бағдар
Егер материалды жүйелі меңгергіңіз келсе, алдымен глоссарийді қарап, кейін Дәріс 1–3 арқылы негізгі теңдеулерді бекітіңіз. Одан соң нақты газдар мен төмен температураларды алу әдістеріне (Дәріс 4–12) өтіп, соңында материал қасиеттері мен криогендік сұйықтарға (Дәріс 13–15) назар аударыңыз.
Назар аударатын тұстар
- Нақты процестердің көпшілігі қайтымсыз: үйкеліс, шектеулі жылуалмасу, қысым жоғалуы әсер етеді.
- Криогендік циклдарды талдауда диаграммалар (T–S, i–S) есептеуді айқын әрі жылдам етеді.
- Джоуль–Томсон эффектісін түсіну дросселдеу арқылы суытудың шекараларын анықтайды.
Практикалық нәтиже
Осы құрылым бойынша оқу нәтижесінде сіз газдардың күйін диаграммаларда бейнелеуді, дросселдік және детандерлік циклдардың энергия балансын құруды, сондай-ақ төмен температуралардағы материал қасиеттерін инженерлік есептерде қолдануды жүйелі түрде игересіз.