Алгоритм обучающей программы по термодинамике идеальных газов, программа "Tep11" на языке программирования QBasic

Основы технической термодинамики: термодинамическая система, термические параметры состояния, законы идеальных газов. Обучающая программа "Tepl1" по термодинамике идеальных газов. Аналитическое выражение первого закона термодинамики для закрытых систем.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Персональные компьютеры - это универсальные устройства для обработки информации. В отличии множества других устройств, осуществляющих только заранее заложенные в них функции, персональные компьютеры могут выполнять любые действия по обработке информации. Для этого необходимо составить для компьютера на понятном ему языке точную и подробную последовательность инструкций т.е. программу, как надо обрабатывать информацию. Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области своего применения, все эти знания сосредоточенны в выполняемых на компьютере программах.

Меняя программы для компьютера, можно превратить его в рабочее место бухгалтера, конструктора, статистика, агронома, редактировать в не документы, работать с обучающими программами.

При своем выполнении программы могут использовать различные устройства компьютера для ввода и вывода данных, подобно тому, как человеческий мозг пользуется органами чувств для получения и передачи информации.

Таким образом, для эффективного использования компьютера необходимо знать назначение и свойства необходимых при работе с ним программ. Например, для написания какой-либо программы необходим язык программирования. В данной дипломной работе весь пакет прикладных программ написан на языке QuickBasic. Перед разработкой пакета для всех его программ вначале составляется алгоритм в виде блок-схемы. Пакет прикладных программ включает в себя три раздела: термодинамика, идеальных газов, теплоемкость, первый закон термодинамики.

В разработанном пакете прикладных программ данной дипломной работы изложение основ термодинамики идеальных газов применительно к дальнейшему изучению студентами теплотехники и технической термодинамики. В процессе работы с обучающими программами студент закрепляет материал, по теплотехнике полученный в курсе лекций.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1 Общие сведения

Термодинамика - наука о законах теплового движения (термо) и его превращениях (динамика) в другие виды движения, происходящих в макроскопических равновесных системах и при переходе систем в равновесие. В зависимости от круга рассматриваемых вопросов различают техническую и химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т.д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения теплоты и работы, а также свойства тел, принимающих участие в этих превращениях, и тепловые процессы, протекающие в различных аппаратах и установках, тепловых и холодильных машинах. Термодинамика возникла из потребностей теплотехники. Применение в XIX в. тепловых двигателей выдвинуло перед наукой задачу теоретического изучения работы тепловых машин и определения путей повышения их коэффициента полезного действия. В последующем задачи термодинамики стали шире, и область ее изучения распространилась на различные отрасли технических, биологических, информационных и других систем. На основе технической термодинамики производятся расчеты и проектирование тепловых двигателей, компрессорных машин, холодильных установок, течения в воздухо- и паропроводах, воздухообмена помещений, кондиционирования воздуха, сушки и хранения сельскохозяйственных продуктов и т.д.

Тепловое движение обусловлено движением и взаимодействием между собой большого числа микрочастиц. Известны два метода изучения тепловой формы движения материи. Метод статистической физики основывается на молекулярной модели физических систем и использует возможности математической теории вероятности. Термодинамический метод, называемый феноменологическим, устанавливает связь между макроскопическими параметрами, определяющими изменение состояния системы, и не требует обращения к молекулярной структуре вещества.

Такой подход очень удобен и вполне достаточен для решения большинства практически важных задач. [1-3]

Термодинамика основывается на двух законах (началах), полученных опытным путем.

Первый закон термодинамики устанавливает количественное соотношение закона сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим системам.

Второй закон термодинамики указывает на качественное отличие формы передачи энергии в виде теплоты и связан с принципом изменения энтропии в обратимых и необратимых процессах.

1.2 Термодинамическая система

Термодинамической системой называют совокупность материальных тел, которые находятся в тепловом и механическом взаимодействии одно с другим и с окружающими систему внешними телами (последние составляют окружающую среду), т.е. термодинамическими системами принято называть макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии.

Систему, не обменивающуюся с окружающей средой ни энергией, ни веществом, называют изолированной (закрытой). Если система не обменивается с внешней средой теплотой, ее называют теплоизолирован-ной, или адиабатной. В открытой системе между ней и средой происходит обмен веществом (массообменное взаимодействие).

Термодинамическая система включает в себя рабочие тела (газы, воздух, пары) и источники теплоты.

Газы, в которых мы можем пренебречь влиянием сил взаимодействия между молекулами и объемом самих молекул, т.е. обладающими теми же свойствами, что и система невзаимодействующих точек, называют идеальными, в противном случае - реальными. [2]

1.3 Термические параметры состояния

Макроскопические величины, т.е. величины, определяющие состояние системы в данный момент, называют параметрами состояния. Различают термические и калорические параметры состояния. К первым относят абсолютное давление р, удельный объем U и абсолютную температуру Т; ко вторым - внутреннюю энергию U, энтальпию Н и энтропию S.

Параметры, не зависящие от массы тела или числа частиц в системе, называются интенсивными (например, давление, температура); параметры, значение которых пропорционально массе или числу частиц в системе, называются аддитивными, или экстенсивными (энергия, энтропия и др.).

Состояние изолированной термодинамической системы, характеризующееся постоянством термодинамических параметров состояния во времени и по всему объему, занимаемому системой, называется равновесным. В равновесной системе отсутствуют потоки энергии и вещества. Всякая изолированная система со временем приходит в состояние равновесия и самопроизвольно из него выйти не может. В изолированных системах равновесное состояние определяется внешними условиями (значениями давлений и внешней по отношению к системе температурой среды). Если между различными частями объема системы имеются разности температуры, давления и т.д., то она неравновесная.

Давление - результат ударов о стенку хаотически движущихся микрочастиц рабочего тела. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется уравнением

p= nmw2 /2 (1.1)

где n - число молекул в единице объема; m - масса молекулы; w2 - средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул. [3-5]

Численно давление равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела в направлении нормали к последней. Давление измеряют в паскалях, т.е. 1 Па=1 Н/м2. Следовательно, 1 Па равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной в направлении нормали по поверхности площадью 1 м2 (1 Па=0,102·104 кгс/см2). В практических расчетах используют 1 кПа==103 Па и 1 МПа =106 Па.

Давление подразделяют на абсолютное р, атмосферное ра, избыточное ри и вакуумметрическое рв.

Приборы для измерения давления (манометры, барометры, вакуумметры) показывают избыточное давление.

Если абсолютное давление р>ра, то избыточное давление равно разности между абсолютным давлением измеряемой среды и атмосферным давлением, т.е. ри=р-ра. Если р<ра, то избыточное давление равно ри=ра-р. В этом случае прибор (вакуумметр) показывает значение разрежения (вакуума) в сосуде, где находится измеряемая среда.

Температура Т в соответствии с молекулярно-кинетической теорией газов пропорциональна кинетической энергии поступательного движения частиц рабочего тела.

kT=mw2/2 (1.2)

где постоянная Больцмана, равная 1,380662·1023 Дж/К.

Уравнение (1.2) указывает на то, что температура является мерой интенсивности теплового движения. Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что большое количество случайных явлении (движение и взаимодействие молекул) выражается в виде определенной закономерности-значения макроскопических параметров. Здесь проявляется методологический аспект взаимной связи между динамическими и статистическими закономерностями. Большое количество механически движущихся микрочастиц в системе порождает качественно новый вид диалектического закона перехода количественных изменений в качественные.

Температура существует только у термодинамически равновесных систем, которые к тому же не взаимодействуют одна с другой, т.е. температура является термодинамически равновесным параметром. [2]

Температура, определяемая из уравнения (1.2), называется термодинамической (абсолютной).

Понятие термодинамической температуры следует из второго закона термодинамики. Для шкалы абсолютной температуры имеются две точки отсчета. За начало отсчета принимают абсолютный нуль, при котором прекращается теплово...