Предмет и метод теоретические основы теплотехники. Теоретические основы теплотехники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

ДОЦЕНТ ГОРОЖАНКИН С. А.

ПРОФЕССОР ДЕГТЯРЕВ В. И.

Т Е О Р Е Т И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы Т Е П Л О Т Е Х Н И К И

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

(ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО")

О Д О Б Р Е Н О:

Кафедрой "Автомобили и автомобильное хозяйство"

Протокол № от 27.04.2001г.

Советом механического факультета Протокол №3 от 10.03.2001г.

М А К Е Е В К А 2001 г.

строительства и архитектуры, - 2001. - 110 с.: 76 илл.

Конспект лекций предназначен для студентов, изучающих курс "Теоретические основы теплотехники"

Конспект лекций посвящен изложению теоретических основ теплотехники в краткой и доходчивой форме с учетом изучения материала студентами специальности автомобили и автомобильное хозяйство. Курс, кроме обеспечения современной энергетической подготовки инженеров-автомобилистов, имеет и свою особую методику обобщенного раскрытия материала, позволяющую сосредоточить главное внимание на выявлении более широких закономерностей и новых возможностей развития энергетики.

Изложены теоретические основы технической термодинамики, теории тепломассообмена, особое внимание уделено термодинамическим циклам тепловых машин. Приводятся общие сведения о теплоснабжении и использовании вторичных энергоресурсов, имеющих целью максимально экономное расходование энергетических ресурсов

Изучение этого курса необходимо для глубокого понимания физической сущности термодинамических процессов тепловых двигателей, ясного представления о закономерностях энергопревращений в двигателях внутреннего сгорания.

Для студентов специальности 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО".

	Введение. Уравнение состояния. Теплоемкость.
	Первый закон термодинамики
	Термодинамические процессы идеальных газов
	Второй закон термодинамики
	Водяной пар
	Влажный воздух
	Общая характеристика компрессоров
	Двигатели внешнего сгорания
	Циклы газотурбинных установок
		Циклы двигателей внутреннего сгорания
		Основы теплообмена
		Конвективный теплообмен
		Теплообмен при фазовых превращениях
		Теплообмен излучением
		Теплопередача
		Теплообменные аппараты
		Топливо и процессы горения

1. ВВЕДЕНИЕ. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ

1.1 Теплотехника, ее предмет и метод

Теплотехника - наука, изучающая теорию и средства превращения энергии природных источников в тепловую механическую и электрическую энергии, а также использования тепла для практических целей.

Теоретические основы теплотехники включают термодинамику и теорию тепломассообмена.

Основным методом теплотехники является термодинамический метод. Сущность его состоит в том, что на основе изучения энергоэнтропийных балансов в макроскопических системах устанавливают условие максимальной эффективности тепловых машин и установок. Затем определяют пути приближения к этим условиям.

1.2. Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии в макроскопических физических системах.

Техническая термодинамика - раздел термодинамики, рассматривающий закономерности превращения тепловой энергии в другие виды.

Название "термодинамика" впервые применил Сари Карно (1824 г.) в работе "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".

"Терме" - тепло, жар, огонь. "Динамикос" - сила, движение.

"Термодинамика" - движущая сила огня - дословный перевод с греческого. В основу термодинамики положены два основных закона (начала),

установленных опытным путем.

- закон характеризует количественную сторону процессов превращения энергии.

- закон характеризует, устанавливает качественную сторону (направленность) процессов в физических системах.

1.3. Термодинамическая система. Термодинамический процесс.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией между собой и с окружающей средой.

Термодинамический процесс - совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое.

1.4. Обратимые и необратимые процессы.

Равновесное состояние тела - такое, при котором во всех точках объема параметры состояния одинаковы.

Равновесный процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое через равновесные состояния тела в любой момент времени.

Неравновесный процесс - процесс, включающий неравновесные состояния. Обратимый процесс - процесс, который протекает в прямом и обратном

направлении через одни и те же равновесные состояния.

Условия обратимости:

1. Отсутствие химических реакций.

2. Отсутствие внутреннего и внешнего трения.

3. Бесконечно медленное изменение состояния рабочего тела. Необратимый процесс - процесс, который самопроизвольно протекает

только в одном направлении.

1.5. Рабочее тело. Термодинамические параметры состояния

Взаимное преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых машинах осуществляются при помощи рабочего тела.

В качестве рабочего тела обычно используют пар или газ, т.к. они обладают значительно большим коэффициентом объемного расширения по сравнению с жидкостями и твердыми телами.

Для однозначного определения состояния вещества вводятся физические характеристики состояния вещества - параметры состояния.

Параметры состояния могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества, экстенсивные - зависят. Пример - объем и температура.

Экстенсивные параметры, отнесенные к единице количества вещества, приобретают смысл интенсивных. Их называют удельными.

Термодинамические параметры состояния - интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел.

Обычно состояние однородного тела может быть однозначно определено тремя параметрами - давлением, температурой и удельным объемом.

При наличии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние определяется неоднозначно.

1.6. Давление.

Давление - сила, действующая на единицу поверхности тела по нормали к этой поверхности.

1 Па величина сравнительно небольшая. Поэтому вводят кратные величины

1 кПа = 103 Па = 103

1 МПа = 106 Па = 103 кПа 1 бар = 105 Па = 102 кПа Внесистемные единицы

1 мм Нg 133.3 Пa.

1 мм вод. ст. 9.81 Па.

Виды давления 1. Абсолютное, т.е. полное давление, отсчитываемое от абсолютного

р абс

2. Атмосферное (барометрическое) - абсолютное давление атмосферы Земли

в данной точке

рабс = В.

3. Избыточное давление - разность между абсолютным и атмосферным. Параметром состояния не является.

pизб = pабс – B.

Избыточное давление иногда называют манометрическим (т.к. измеряется манометрами).

4. Вакууметрическое давление - разность между атмосферным и абсолютным.

pвак = B - pабс .

1.7. Температура

Температура характеризует тепловое состояние тела - степень "нагретости"

Температура - осредненная величина кинетической энергии хаотического движения молекул.

Температура, при которой полностью прекращается движение молекул,

принята за начало отсчета. Температура тройной точки воды принята равной 273,

16 К (0, 010 С).

[T]=K - единица измерения абсолютной температуры. Температуру часто измеряют по шкале Цельсия.

[t]=C - единицы измерения температуры в обеих шкалах численно равны. Температура по шкале Цельсия термодинамическим параметром состояния

не является.

За рубежом иногда пользуются шкалами температур Фаренгейта, Реомюра и
1.8. Удельный объем.
Удельный объем - объем единицы массы газа.

Плотность - величина обратная удельному объему.

1 m; кг.

1.9. Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона

Идеальный газ - модель газа, в которой молекулы не имеют объема и не взаимодействуют друг с другом.

Совместное рассмотрение законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака позволило Клапейрону в 1834 г. вывести уравнение состояния идеального газа

pv=RT - уравнение для 1 кг. газа (уравнение Клапейрона) R - газовая постоянная

			H м3
			м2 кг К кг К кг К

Бойль Роберт (1627-1691). Англия. Физика, химия. Совместно с Мариоттом не работал.

Мариотт Эдм (1620-1684). Франция. Механика жидкости и газа. Оптика. Гей-Люссак Жозеф-Луи (1778-1850). Франция. Физика, химия.

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799-1864). Франция. Вывел уравнение Клапейрона-Клаузиуса для водяного пара. Первым обратил внимание на работы С.Карко, в которых был установлен II закон термодинамики.

pV=mRT - уравнение для газа массойm.

pV = RT - уравнение для 1 киломоля(уравнение Менделеева).V - объем киломоля газа

R 8315 - формула для вычисления газовой постоянной.

1.10. Особенности реальных газов. Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса

Уравнение состояния идеального газа можно применять в расчетах для реактивных газов при низких давлениях и высоких температурах. При нормальных условиях оно применимо для:

H2 , He, O2 , N2 .

Углекислый газ (СО2 ) и некоторые другие дают отклонение до 2-3%. Уравнение состояния реальных газов, учитывающие размер молекул, силы

взаимодействия между ними, образование комплексов молекул (ассоциаций) и пр. имеют сложный вид.

В практике обычно используются таблицы и номограммы, построенные на основе этих уравнений.

В общей форме в 1937-46 г. в СССР (Н.Н.Богомолов) и США (Дж.Мейер) были выведены уравнения состояния реальных газов.

Наиболее простым, качественно правильно отображающим поведение реальных газов, является уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.).

(p a )(v b) RT, v 2

где b - поправка на объем молекул газа;

Поправка на давление газа, учитывающая силы взаимодействия

Уравнение Ван-дер-Ваальса позволяет качественно анализировать поведение газов вблизи границ фазовых переходов.

1.11. Смеси идеальных газов. Законы Дальтона и Амага

Парциальное давление - давление отдельного компонента смеси газов.

p см p i - закон Дальтона

Абсолютное давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.

V см V i - закон Амагá

Полный объем смеси газов равен сумме приведенных к давлению и температуре смеси объемов компонентов (парциальных объемов).

Законы Дальтона и Амагá позволяют получить уравнение состояния смеси

p смV см=m смR смT см,

где R см см .

Кажущаяся молярная масса смеси определяется из уравнения

см i r i , где ri - объемные доли компонентов

Пример: Полагая, что в воздухе 80% N2 и 20% О2

возд = 0,8 28 + 0,2 32 = 28,8 кг/моль Газовая постоянная смеси может быть установлена из уравнения

	R смg iR i		Где gi - массовые доли компонентов смеси.
	Соотношение между массовыми и объемными долями определяется
	выражением
				Где ri - объемные доли компонентов смеси.

Следует отметить, что всегда

gi 1; ri 1.

1.12. Теплоемкость газов и газовых смесей. Истинная, средняя и удельная теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры

Теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева тела на 1 К.

Удельная теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева единицы количества вещества на 1К.

Обычно различают следующие удельные теплоемкости: 1. Массовая - c

[c] = Дж

кг К

2. Объемная - с"

Истинная теплоемкость определяется следующим аналитическим выражением

c dq . dt

Средняя теплоемкость в интервале температур t1 - t2 определяется из соотношения

q C m t2 - t1 .

В общем случае теплоемкость является функцией температуры, причем обычно она возрастает с ростом температуры.

На рис.1.1 показана линейная зависимость удельной теплоемкости от температуры, на рис.1.2 - степенная.

Если зависимость теплоемкости от температуры имеет сложный нелинейный характер (как это показано на рис.1.3), то средняя теплоемкость в интервале температур t1 -t2 определяется из выражения:

t2 до t2 определяется выражением: Эта формула применяема к массовой, объемной и мольной теплоемкостям. Нагрев газов или паров может осуществляться при различных условиях. Среди них можно выделить: 1. Нагрев при постоянном объеме; 2. Нагрев при постоянном давлении. В первом случае теплоемкость процесса называют изохорной, во втором - изобарной. Изобарная и изохорная теплоемкости связаны уравнениями: Сp - Сv = R- Майера С Р K - Пуассона С V К - коэффициент Пуассона. Для одноатомных - "" - двухатомных (7/5) Теоретические трехатомных значения многооатомных Обычно принимают К=1,29. Теплоемкость газовых смесей вычисляется на основе уравнения теплового баланса, из которого следует: 1. Для массовой теплоемкости смеси: C см C ii g i . 2. Для объемной теплоемкости смеси: C см / C / i r i .

В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена и теории горения), составляющие необходимый и достаточный минимум для того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен отдельными, сравнительно небольшими подразделами, структурированность и последовательность которых продиктована внутренней логикой названных наук. Для студентов, обучающихся по специальности «Энергообеспечение предприятий», а также для студентов других специальностей при изучении ими дисциплин теплотехнического профиля.

Основные термины термодинамики.
Окружающий мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи называют энергией. Наиболее распространенные формы движения материи - механическая и тепловая. В первом случае движение связано с перемещением в пространстве макрообъемов материи, во втором - с движением только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения энергии в результате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой.

Тело или группу макротел, энергетические свойства которых подлежат изучению, называют термодинамической системой. Все остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют окружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если контрольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, систему называют открытой. если же такой обмен невозможен, систему называют закрытой. Закрытые системы проще и именно с них начинают изучение основ термодинамики.

Одну из аксиом термодинамики составляет ее нулевое правило: всякие изменения в системе возможны только в результате взаимодействия с окружающей средой, а любые случайные изменения в системе вызывают процесс, возвращающий ее в первоначальное состояние. Априорно принимая это положение, из объектов анализа исключают многие биологические системы, обладающие способностью самопроизвольных изменений, или отдельные химические реакции (см., например, материал в Интернете о колебательной реакции Белоусова - Жаботинского).

СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
1.1.Общие понятия и законы термодинамики
1.1.1.Основные термины термодинамики
1.1.2.Первый закон термодинамики в общем виде
1.1.3.Термомеханическая система
1.1.4.Внутренняя энергия газа
1.1.5.Энтальпия, ее физический смысл
1.1.6.Другие характеристические функции. Эксергия
1.1.7.Равновесные и неравновесные процессы
1.1.8.Принцип возрастания энтропии. Второй закон термодинамики
1.1.9.Уравнение состоянии. Критерий устойчивости
1.1.10.Графический метод в термодинамике
1.1.11.Теплоемкости газов
1.1.12.Уравнение Майера и другие свойства идеального газа
1.1.13.Формулы для вычисления энтропии
1.2.Идеальные термодинамические процессы и циклы
1.2.1.Политропные процессы
1.2.2.Анализ политропных процессии
1.2.3.Общие понятия о циклах
1.2.4.Цикл и теорема Карно
1.2.5.Потери работоспособности. Коэффициент качества теплоты
1.3.Термодинамика реальных газов
1.3.1.Реальные газы
1.3.2.Термические коэффициенты и связь между ними
1.3.3.Состояния и свойства воды и водяного пара
1.3.4.Определение параметров воды и пара
1.3.5.Диаграмма h-s воды и пара
1.3.6.Уравнение Клапейрона- Клаузиуса
1.3.7.Расчет процессов с водой и паром
1.4.Термодинамика газового потока
1.4.1.Первый закон термодинамики для потока газа
1.4.2.Анализ адиабатных течений
1.4.3.Скорость истечения и расход газа
1.4 4. Скорость распространения колебаний давления в газе
1.4.5.Связь между скоростью импульса и скоростью звука
1.4.6.Связь между скоростью газа и скоростью звука
1.4.7.Влияние формы канала на скорость газа
1.4.8.Дифференциальный и интегральный дроссель-эффекты
1.5.Смеси и смешивание газов
1.5.1.Газовые смеси
1.5.2.Смешивание газов
1.5.3.Влажный воздух и процессы с ним
1.5.4.Смешивание потоков пара или потоков влажного воздуха
1.6.Основы химической термодинамики
1.6.1.Химический потенциал
1.6.2.Тепловой эффект химических реакций
1.6.3.Условия равновесия сложных систем
1.6.4.Фазовое равновесие, фазовая диаграмма р-Т
1.7.Циклы реальных машин и установок
1.7.1.Циклы идеальных компрессоров
1.7.2.Цикл реального компрессора
1.7.3.Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
1.7.4.Циклы газотурбинных установок
1.7.5.Циклы паросиловых установок
1.7.6.Повышение эффективности теплосиловых циклов
1.7.7.Цикл воздушной холодильной машины
1.7.8.Цикл парокомпрессорной холодильной машины
1.7.9.Абсорбционная холодильная установка
1.7.10.Термотрансформаторы
2. ТЕОРИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА
2.1.Основные понятия и законы теории теплообмена
2.1.1.Классификация процессов теплообмена
2.1.2.Основные термины теории теплообмена
2.1.3.Основные законы теплообмена
2.2.Теплопроводность
2.2.1.Способность тел проводить теплоту
2.2.2.Дифференциальное уравнение теплопроводности
2.2.3.Условия однозначности в задачах теплопроводности
2.2.4.Стационарная теплопроводность плоской стенки при ГУ-1
2.2.5.Стационарная теплопроводность плоской стенки при ГУ-3
2.2.6.Стационарная теплопроводность плоских стенок при смешанных граничных условиях
2.2.7.Стационарная теплопроводность цилиндрической стенки при ГУ-1
2.2.8.Теплопередача через цилиндрическую стенку
2.2.9.Критический диаметр изоляции. Оптимальная изоляция
2.2.10.Теплопередача через ребристую стенку
2.2.11.Теплопроводность цилиндра при наличии внутренних источников теплоты
2.2.12.Численное решение задач стационарной теплопроводности
2.2.13.Процессы нестационарной теплопроводности
2.2.14.Общее решение дифференциального уравнения теплопроводности
2.2.15.Нестационарная теплопроводность неограниченной плоской стенки
2.2.16.Метод источников теплоты
2.2.17.Численное решение нестационарных задач теплопроводности
2.3.Конвективный теплообмен
2.3.1.Основные факторы, определяющие интенсивность конвекции
2.3.2.Понятие о гидродинамическом и тепловом пограничных слоях
2.3.3.Дифференциальное уравнение теплоотдачи и другие дифференциальные уравнения теплового пограничного слоя
2.3.4.Основы теории подобия
2.3.5.Теплоотдача при свободной конвекции
2.3.6.Теплоотдача при движении теплоносителя в трубах и каналах
2.3.7.Теплоотдача при поперечном обтекании труб и в трубных пучках
2.3.8.Теплоотдача при конденсации
2.3.9.Отдельные случаи конденсации
2.3.10.Теплоотдача при кипении
2.3.11.Отдельные случаи кипения
2.3.12.Изменение температурного напора вдоль поверхности теплообмена
2.3.13.Среднелогарифмический температурный напор
2.3.14.Тепловой расчет рекуперативных теплообменников
2.3.15.Пути и способы интенсификации процессов теплопередачи
2.4.Тепловое излучение
2.4.1.Общие понятия и определения
2.4.2.Основные законы теплового излучения
2.4.3.Лучистый теплообмен между параллельными стенками
2.4.4.Экраны
2.4.5.Лучистый теплообмен между телами произвольной формы
2.4.6.Угловые коэффициенты
2.4.7.Теплообмен в диатермических ободочках
2.4.8.Излучение и поглощение газов
2.4.9.Сложный теплообмен
2.5.Массообменные процессы
2.5.1.Основные понятия и законы
2.5.2.Диффузионный пограничный слой
2.5.3.Массопроводность, массоотдача, массопередача
2.5.4.Критериальные уравнения массоотдачи
2.5.5.Элементы теории сушки
2.5.6.Кинетика процесса сушки
2.5.7.Смесительные теплообменники
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКАХ
3.1.Топливо, его основные характеристики
3.2.Элементы теории трения
3.3.Технические расчеты горения
3.4.Топочные устройства
3.5.Особенности теплообмена в топках
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

March 8th, 2015 , 07:44 pm

До сего момента я касался темы теплотехники применительно к самостоятельному строительству только мимоходом, в контексте других тем. Об этом написаны кучи статей и книг, в том числе и в интернете, с морем формул и схем что, по-видимому, и отпугивает читателей. В результате у индивидуальных застройщиков в этой области самые нажористые заблуждения.
Итак, начнём сначала, с физики: любое твёрдое тело характеризуется двумя интересующими нас теплотехническими характеристиками: теплоёмкостью и теплопроводностью. Теплопроводность способность материала передавать тепловую энергию от более нагретой зоны в менее нагретую. Применительно к ограждающим конструкциям дома, для сохранения тепла, желательна как можно более низкая теплопроводность. Отдельный вопрос о толщине. Увеличение толщины ведёт к пропорциональному увеличению стоимости конструкции, но никак не к пропорциональному улучшению теплоизоляции. Существует некий оптимум толщины для каждого материала и каждой климатической зоны.

Теплоёмкость — способность материала поглощать (аккумулировать) и отдавать тепло при изменении температуры. Здесь всё не так однозначно, большая или малая теплоёмкость может быть и плюсом и минусом в зависимости от конкретных условий.

Резюмируем: материал с низкой теплопроводностью — теплоизолятор, материал с высокой теплоёмкостью — теплоаккумулятор.

Приведём пример: сравним деревянный и кирпичный дом с точки зрения теплотехники. Дерево имеет малую теплопроводность (т. е. является теплоизолятором) и малую теплоёмкость. Кирпич также является теплоизолятором, но имеет большую теплоёмкость, т. е. выступает ещё и как теплоаккумулятор. Деревянный дом хорошо держит тепло, но быстро выстывает, кирпичный держит тепло хорошо и долго. Если дом используется постоянно, то кирпичный комфортнее — дольше держит тепло, сглаживает колебания температуры при периодической топке печи. Если-же дом используется как дача — приехали в пятницу вечером в нетопленый дом и давай топить, то здесь большая теплоёмкость кирпичных стен сыграет в минус. Деревянный дом в этом случае имеет преимущество в скорости нагрева.

Отдельно стоит рассмотреть многослойные конструкции стен. Пример: бетонное здание нужно утеплить пенополистиролом или минераловатными плитами. Бетон сам по себе хороший теплоаккумулятор, но никудышный теплоизолятор. Если теплоизолирующий материал расположить снаружи, бетон будет играть роль теплоаккумулятора что выгодно для дома постоянного проживания. Если расположить теплоизолирующий материал внутри то бетонные стены не будут играть никакой роли в теплодинамике помещения — оно будет быстро нагреваться и быстро остывать.

Ещё пример: чтобы деревянный дом дольше держал тепло его можно оштукатурить изнутри.

Для многослойных конструкций существует немаловажная проблема пароизоляции и связанная с ней «точка росы». Грубо говоря, внутри строительных конструкций может конденсироваться влага. Не углубляясь в дебри, дело здесь в том что воздух внутри отапливаемых жилых помещений всегда более влажный чем снаружи. Поэтому пароизоляция должна располагаться по принципу ближе кнутри — плотнее, кнаружи — проницаемее.

Вкратце всё, точные определения, единицы измерения, формулы, значения параметров конкретных материалов и т.п есть в интернете.

ТЕПЛОТЕХНИКА

Учебное пособие

САМАРА 2012

Теплотехника : Метод, указания / Самар. гос. аэрокосм, ун-т; Сост. В.Н. Белозерцев, А.П. Толстоногов. Самара, 2012. 40 с.

Изложены основные вопросы для самостоятельной работы по программе курсов по термодинамике, теплопередаче, изложены методические аспекты рассмотренных тем, контрольные вопросы, материалы для курсовой работы, для самостоятельного изучения, методика выполнения контрольных работ.

Методические указания рекомендуются для студентов, обучающихся по специальности 160301.65 «Авиационные двигатели и энергетические установки», а также направлений подготовки в рамках Федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения - 160700.65 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей», 141100.62 «Энергетическое машиностроение», 151900.62 "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств", 151000.62 "Технологические машины и оборудование", 162300.62 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей», 190700.62 «Технология транспортных процессов».

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Самар­ского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева

Рецензент: д.т.н. проф. В.Н. Матвеев

1. Теоретические основы теплотехники.......................................................................... 5

2. Теория теплообмена................................................................................................... 10

3. Источники энергии и теплоэнергетическое оборудование авиапредприятий.......... 13

4. Контрольная работа для всех специализаций............................................................ 20

Задание № 1 по курсу теплообмена................................................................................. 21

Задание № 2 Курсовая по термодинамике..................................................................... 22

Список основной литературы......................................................................................... 36

Список дополнительной литературы.............................................................................. 36

Список использованных источников............................................................................. 36

Приложения..................................................................................................................... 37

Специалисту, организатору воздушных перевозок авиапредприя­тия, часто приходится решать проблемы, связанные с требованиями и условиями хранения, перевозки и даже эксплуатации объектов авиатранспор­тирования.

Это могут быть крупные изделия, их блоки, тепловые двигатели, теплоэнергетические установки и системы различного назначения, ком­плексы пневматических и гидравлических систем различных технических устройств.

Одной из многочисленных задач служб воздушных перевозок мо­жет быть обеспечение требуемых условий наземного хранения объектов перевозок перед отправкой адресату. В этом случае специалисту потребу­ются знания систем теплофикации сооружений, холодильных и нагрева­тельных установок, систем кондиционирования. Могут возникнуть, нако­нец, вопросы выбора топлива, применения нетрадиционных источников энергии и энергосбережения.

Цель курса "Теплотехника" - дать выпускникам знания, умения и навыки, достаточные для понимания реализуемых процессов и особенно­стей работы энергетических систем, устройств, агрегатов; систематизиро­вать и довести эти знания до инженерного уровня. Курс, имея общеэнерге­тическую направленность, позволит будущим специалистам проводить энергосберегающую политику на предприятии.

Программа курса состоит из трех разделов, включающих в себя 12 тем. Наряду с теоретическими вопросами в ней представлен большой набор вопросов для самопроверки, а также содержатся методические указания по изучению предмета и выполнению контрольных работ, которые предъяв­ляются на лабораторно-экзаменационной сессии в университете для защи­ты. Для самостоятельного выполнения контрольной работы студенту не­обходимо использовать рекомендуемую основную и дополнительную ли­тературу и материалы, имеющиеся на авиапредприятии по месту работы студента.

По каждой теме всех разделов даются рекомендации для самостоя­тельного изучения, указан материал, которому следует уделить особое внимание, и приведены контрольные вопросы для самостоятельной про­верки качества усвоения темы. Особое внимание в содержании курса уде­ляется раскрытию физической сущности рассматриваемых явлений, увязке их с особенностями надежности и экономичности при их использовании.

В период сессии студенты слушают обзорные лекции по основным вопросам курса, выполняют и защищают лабораторные работы, контроль­ную работу, предлагаемую в конце методических указаний, и затем сдают экзамены или зачет.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Цели и задачи курса. Краткий обзор энергетических установок и энергетических систем авиапредприятия. Источники энергии.

Тема 1. Основные понятия технической термодинамики

Техническая термодинамика и ее основные понятия: рабочее тело, термодинамическая система и процесс. Параметры состояния. Законы иде­альных газов. Объединенный закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Урав­нение состояния идеального газа. Теплота, работа, внутренняя энергия, теплоемкость. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Р-V -диаграмма и ее свойства. Обратимые и необратимые процессы. Политропные процессы. Частные случаи политропных процессов: изохорный, изобарный, изотер­мический, адиабатный. Графический анализ политропных процессов. Вто­рое начало термодинамики. Понятие о круговых термодинамических про­цессах - циклах. Прямые и обратные циклы. Коэффициенты преобразова­ния энергии в циклах: термический КПД, холодильный коэффициент, ото­пительный коэффициент. Цикл Карно. Теорема Карно. Интеграл Клаузиуса для обратимых и необратимых процессов. Энтропия. T-S - диаграмма и ее свойства. Термодинамическое тождество. Эксергия, ее виды и составляю­щие. Эксергия вещества в замкнутом объеме. Теорема Гюи-Стодолы. Эк­сергия вещества в потоке. Анергия. Эксергетический КПД технических систем. Коэффициенты преобразования и эксергетический КПД.

Материал этой темы содержит необходимый комплекс понятий, на базе которых излагаются последующие темы.

Необходимо четко представить, что взаимопревращения одних форм энергии (теплоты, внутренней энергии, работы) термодинамической системы (ТДС) в другие сопровождаются изменением ее параметров со­стояния. Непрерывное изменение параметров состояния ТДС называют термодинамическим процессом. Изучение процессов следует начать с политропного процесса как обобщающего все процессы, а затем его частных случаев. Теплота и работа служат мерой количества переданной энергии. Количественное соотношение во взаимных превращениях и преобразова­ниях одних форм энергии в другие устанавливает первое начало термоди­намики, а условия, при которых эти преобразования возможны, - второе начало. Кроме того, второе начало устанавливает необходимые условия для реализации циклов периодически действующих тепловых машин. Реко­мендуется написать уравнение первого начала термодинамики для всех частных случаев политропных процессов. При рассмотрении цикла Карно выясните, почему он является идеальным для цикла любого двигателя и холодильной машины. На примере свойств энтропии и термодинамическо­го тождества продемонстрируйте направление прохождения термодинами­ческих процессов.

Студент должен уяснить, что эксергия это свойство термодинами­ческой системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обрати­мом его взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия. Однако студент должен понимать, что работа - конечный и необходимый результат действия теплосиловых установок. Для современ­ных условий цели технических систем преобразования вещества и энергии чрезвычайно разнообразны и кроме получения работы состоят в преобра­зовании и получении вещества, теплоты, холода, излучения нужных пара­метров и т.д. Поэтому термин "Эксергия" следует понимать как энергия, не характеризуемая энтропией. Работа, представляющая собой такую энергию в переходе, используется как мера этой энергии, но не как конечная цель энергетических превращений.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что понимается под термодинамической системой и термодинамиче­ским процессом?

2. Как определить абсолютное давление рабочего тела, если известны показания барометра и манометра (барометра и вакуумметра)?

3. Напишите размерности термодинамических параметров и калориче­ских величин, встречающихся в этом разделе.

4. Перечислите функции состояния, упомянутые в этом разделе. Сфор­мулируйте их свойства.

5. Дайте определение идеального газа.

6. Какой процесс называется политропным? Перечислите основные при­знаки политропного процесса.

7. Перечислите частные случаи политропных процессов. Изобразите их в
P-V- и T-S- координатах.

8. Может ли теплоемкость быть отрицательной в политропном процессе с подводом теплоты? Пояснить.

9. Каков физический смысл газовой постоянной?

10. Запишите первое начало термодинамики для изотермического про­цесса.

11. Какие термодинамические процессы наиболее выгодны с точки зре­ния получения максимальной работы процесса?

12. Перечислите характерные свойства P-V- и T-S- диаграммы. Приведите примеры.

13. Дайте определение круговых процессов-циклов. Опишите внешние признаки прямых и обратных циклов. Какие коэффициенты применя­ются для оценки их эффективности?

14. Напишите выражение термического КПД цикла Карно.

15. С помощью T-S- диаграммы докажите, что цикл Карно, реализован­ный при одинаковых максимальной и минимальной температурах лю­бого реального цикла, имеет большее значение термического КПД.

16. С помощью второго начала термодинамики докажите, что изотерма и адиабата могут пересечься только в одной точке.

17. Что такое эксергия, анергия? Может ли эксергия быть равной нулю?

18. Что такое эксергетический КПД?

19. Приведите примеры, каким образом можно использовать эксергетиче­ский баланс для оценки возможности осуществления того или иного термодинамического процесса.

Похожая информация.

В. И. Ляшков

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ТЕПЛОТЕХНИКИ

В. И. Ляшков

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ТЕПЛОТЕХНИКИ

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов" Теплоэнергетика"

Издание второе, стереотипное

МОСКВА "ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"

УДК 536.7(07) ББК Í 311я73-1 Л99

Р е ц е н з е н т ы:

Кафедра промышленной теплоэнергетики Воронежского государственного технического университета,

Заведующий кафедрой заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор,

В. В. Фалеев

Доктор технических наук, профессор,

С. А. Улыбин

Настоящее издание осуществлено за счет спонсорской помощи ОАО " Тамбовэнерго",

Ляшков В. И.

Л99 Теоретические основы теплотехники: Учеб. пособие.

2-е изд., стер. М.: Изд-во Машиностроение-1, 2005. 260 с.

В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена и теории горения), составляющие необходимый и достаточный объем информации для того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен отдельными, сравнительно небольшими дозами, структурированность и последовательность изложения которых диктуется внутренней логикой названных наук.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Энергообеспечение предприятий". Может быть использовано студентами других специальностей при изучении ими дисциплин теплотехнического профиля.

УДК 536.7(07) ББК Í 311я73-1

ISBN 5-94275-027-0

Ляшков В. И., 2002

"Издательство Машиностроение-1", 2002

Мы работаем для того, чтобы в Вашем доме было тепло и уютно

"Теплосервис",

ООО "Энергострой"

Учебное издание

ЛЯШКОВ Василий Игнатьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебное пособие

Издание второе, стереотипное

Редактор З. Г. Чернова

Инженер по компьютерному макетированию М. Н. Рыжкова

Подписано в печать 17.03.2005.

Формат 60 × 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Гарнитура Times New Roman. Объем: 15,11 усл. печ. л.; 16,0 уч.-изд. л.

Тираж 500 экз. Заказ 165М .

"Издательство Машиностроение-1", 107076, Москва, Стромынский пер., 4

Подготовлено к печати и отпечатано в издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета,

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

Светлой памяти моего Учителя

Александра Силыча Лышевского (1922– 1981) заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, доктора технических наук, профессора,

посвящается этот скромный труд

есмотря на практически прекратившееся за последние 10 лет учебное книгоиздание по техническим Н дисциплинам, на полках библиотек хранится еще много учебников под названием "Общая теплотехника", "Теплотехника" и т.п., изданных в 60–80 годы. К сожалению, неумолимое время, выдвигая новые задачи и подходы и осваивая новые научные достижения, все более делает их малопригодными для того, чтобы безоговорочно рекомендовать современным студентам, выбравшим благородную жизненную стезю: получив специальность теплоэнергетика, отдать себя решению важнейшей общегосударственной проблемы – предотвращению энергетического кризиса, все более надвигающегося на нашу страну.

Поэтому автор решается опубликовать настоящий труд, согревая себя надеждами, что он существенно облегчит студентам освоение теоретических основ теплотехники, поистине безграничной науки, изучающей принципы работы, основы конструкции и особенности расчета всевозможных машин, аппаратов и устройств, в которых фигурирует тепловая энергия.

Сегодня при организации учебного процесса особое значение придается самостоятельной работе студентов. При этом лекционные курсы все более сокращаются, лекции чаще носят обзорный или проблемный характер. В такой ситуации бывает нелегко правильно отобрать и расположить учебный материал так, чтобы он отражал внутреннюю логику науки, чтобы изложение было целостным, последовательным и доступным для понимания людям, только еще начинающим знакомство с этой наукой.

Учебное пособие отражает многолетний опыт работы автора со студентами второго – третьего курсов. Представляя собою последовательное и лаконичное изложение основ термодинамики, теплопередачи, теории массообмена, теории горения и др., оно написано не для того, чтобы заменить собою названные учебники. Скорее это первые врата в большую и интересную область научных знаний, связанных с теплотехникой. Поэтому в него включен только тот учебный материал, усвоение которого необходимо для приобретения такого уровня теоретической подготовки, который позволит в дальнейшем легко наращивать знания при последующей самостоятельной работе с учебниками, монографиями, справочниками и т.п.

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня практически любая область инженерной деятельности во многом связана с проблемами энергосбережения, разработкой, внедрением и эксплуатацией ресурсосберегающих технологий, с вопросами трансформации и передачи энергии. Учебная дисциплина "Теоретические основы теплотехники" призвана вооружить будущего специалиста знаниями общих законов и основанных на этом инженерных методик расчета процессов, возникающих при получении, трансформации и распространении в пространстве тепловой энергии. Структурно сюда входят три отдельные науки: "Термодинамика", "Теплопередача" и "Основы теории горения".

Термодинамика изучает законы превращения различных видов энергии в тепло (и наоборот – тепла в другие виды энергии), а также особенности физических процессов, сопровождающих эти превращения. Как самостоятельная наука термодинамика начала складываться в начале XIX века, хотя многие принципиальные ее положения были открыты и сформулированы еще ранее в рамках общефизической теории. Среди основоположников и ученых, внесших наибольший вклад в развитие термодинамики, мы встречаем известные имена: М. В. Ломоносова, который в работе "Размышления о причинах тепла и холода" (1744 г.) предложил единую теорию теплоты и строения вещества, сформулировав законы сохранения массы и энергии, Д. Джоуля, В. Томсона, Р. Клаузиуса, С. Карно, Г. Гесса, Л. Больцмана,

В. Гиббса, М. П. Вукаловича, А. А. Гухмана и др. Подробно об истории развития термодинамики и вклад отдельных ученых в эту науку можно прочитать в интересной книге . За более чем стопятидесятилетнюю историю своего развития эта наука приобрела методологически безупречные формы и строгую аксиоматику, так что сегодня ее заслуженно называют классической термодинамикой.

Термодинамика не имеет собственного предмета изучения, в отличие, например, от биологии, изучающей живые организмы, или геометрии, изучающей плоские фигуры. Это наука методологического плана, вооружающая нас специфическим методом исследования, основу которого составляет рассмотрение любых процессов материального мира сквозь призму установленных термодинамикой основных законов природы.

Теплопередача, а точнее теория тепло- и массообмена – это наука, которая изучает процессы распространения тепла (или массы, поскольку выявлена явная аналогия таких процессов) в пространстве. Процессы распространения тепла в пространстве, при всем их многообразии, и являются предметом изучения этой науки. Основные понятия и законы теории теплопереноса также были сформулированы в рамках общефизической теории на заре ее бурного развития. Например, основы аналитической теории теплопроводности были заложены Ж. Фурье еще в 1822 году. В середине XIX века были сформулированы основы теории подобия, а в 1915 году она впервые была применена В. Нуссельтом для исследования процессов теплообмена. Несколько раньше О. Рейнольдс применил ее при изучении гидродинамических процессов, высказав идею об аналогии между отдельными тепловыми и гидродинамическими

стала развиваться в послевоенные годы. Здесь решающий вклад был внесен нашими соотечественниками, среди которых выделяются работы академиков В. М. Кирпичева, М. А. Михеева, С. С. Кутателадзе, Г. Н. Кружилина и др.

Отвечая на новые запросы, выдвигаемые современной практикой, наука эта продолжает бурно развиваться, все в большей мере осваивая новые области приложения (атомная энергетика, космическая техника и др.), расширяя и уточняя свои подходы и методы решения возникающих проблем. И сегодня большой вклад в дальнейшее развитие этой науки вносят такие авторитетные ученые как академики А. И. Леонтьев, В. П. Скрипов, А. Г. Шашков и профессора Г. Н. Дульнев, Г. А. Дрейцер, С. П. Рудобашта и др., а также научная молодежь, посвящающая свои диссертационные работы решению отдельных актуальных теоретических и практических задач.

В основах теории горения рассматривается механизм химической реакции горения, раскрытый Нобелевским лауреатом академиком Н. Н. Семеновым и его последователями, а также физические особенности процессов горения при различных условиях сжигания наиболее распространенных топлив. Здесь же дается методика технических расчетов горения.

Отметим еще одну важную особенность всех этих трех наук: они ориентированы на конкретную инженерную практику и всегда доводят свои выводы и заключения до однозначных практических рекомендаций и расчетных методик.

Бурное развитие компьютерной техники и информационных технологий вооружает исследователей мощнейшим инструментарием, позволяющим сравнительно просто проводить численное моделирование изучаемых явлений. Именно такой подход к решению многих вопросов теплопередачи становится сегодня одним из основных, поскольку при этом заметно сокращаются трудовые и финансовые затраты на решение поставленной задачи.

Совершенно ясно, что без глубоких знаний по всем трем этим разделам нашей учебной дисциплины невозможна успешная инженерная деятельность, и поэтому изучению теоретических основ теплотехники придается все возрастающее значение, особенно для будущих специалистов, непосредственно связанных с теплоэнергетикой.

1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Принципы термодинамики бросают яркий свет на все явления природы

Д. Максвелл

1.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1.1 Основные термины термодинамики

d x i = 0

кружающий нас мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи называют энергией. Чаще всего мы встречаемся с механической и тепловой формами движения материи. В первом случае движение связано с перемещением в пространстве макрообъемов материи, а во втором – с движением только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения энергии в результате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой.

Тело или группу макротел, энергетические свойства которых подлежат изучению, называют термодинамической системой. Все остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют окружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если контрольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, то систему называют открытой, если же такой обмен невозможен, – систему называют закрытой. Закрытые системы проще и именно с них начинают изучение основ термодинамики.

Одну из аксиом термодинамики составляет ее нулевое правило: всякие изменения в системе возможны только в результате взаимодействия с окружающей средой. Априорно принимая это положение, мы исключаем из объектов анализа многие биологические системы, обладающие способностью самопроизвольных изменений.

Состояния и свойства системы характеризуются рядом физических величин. При взаимодействии с окружающей средой некоторые из них изменяются, и их называют параметрами состояния системы. Другие же величины при этом практически не меняют своего численного значения и их называют физическими константами. Физконстанты характеризуют свойства вещества, заполняющего систему, а параметры состояния – особенности состояния этого вещества. Примеры параметров: р ,Т ,V (давление, температура, объем); примеры физконстант:с р ,r (теплоемкость, теплота парообразования).

Систему называют однородной, если параметры ее не изменяются в пространстве, и равновесной, если они не изменяются по времени. Нулевое правило термодинамики иногда формулируют и так: при отсутствии внешних воздействий система рано или поздно приходит к однородному и равновесному состоянию.

Параметры состояния можно разделить на две группы. Потенциалами p называют такие параметры, разница которых в среде и системе является движущей силой взаимодействия. Приp н i = p в i взаимодействие i -го рода невозможно. Взаимодействие в принципе возможно только приp н i ≠ p в i . Примеры потенциалов:р, Т, Е (электрический потенциал). Координатамиx i называют такие параметры, изменение которых в системе свидетельствует о протекании взаимодействия. Еслиd x i ≠ 0 , то взаимодействие совершается, при взаимодействие не совершается даже при наличии необходимой разности потен-

циалов (из-за наличия частичной или полной изоляции системы). Примеры координат:V ,m (при химических взаимодействиях), число электрических зарядов, протекающих при электрических взаимодействиях и др. Вдумчивый анализ позволяет обнаружить для любого типа взаимодействий и потенциал, и координату состояния.

По аналогии с математической теорией поля в термодинамике принято следующее правило знаков для потенциалов: разность p н i − p в i считается положительной (т.е.p н i > p в i ), если при этом возникает

процесс взаимодействия с возрастанием соответствующей координаты состояния (d x i > 0 ).

Координату теплового состояния называют энтропией. Сложность этого параметра в том, что он носит статистический характер и не обнаруживается непосредственным опытом или измерениями. Энтропия системы определяется вероятностью ее состояния. Под вероятностью состояния системы понимают число способов, которыми можно достичь данного состояния, начиная от некоторого первоначального. Поэтому вероятность состояния системы в числовой форме отражает меру хаотичности расположения элементов, ее составляющих. Минимальной частицей макромира является молекула. Значит, вероятность состояния характеризует степень упорядоченности (или беспорядка) распределения молекул в объеме термодинамической системы. Л. Больцман показал, что величина энтропии пропорциональна вероятности состояния W и определяется формулойS = k ln W , гдеk – постоянная Стефана-

Больцмана (одна из универсальных физических констант).

При подводе тепла к системе растет интенсивность теплового движения молекул, растет и степень хаотичности распределения их в пространстве. Значит при этом численно возрастают и W , иS . При отводе тепла все происходит наоборот: энтропияS уменьшается.

Заканчивая параграф, отметим, что изложенный подход при введении понятия об энтропии сложился сравнительно недавно. Для более подробного изучения этот раздела термодинамики можно пореко-

мендовать только учебные пособия или , поскольку в большинстве учебников и пособий это излагается несколько по-другому, на основе подхода, предложенного Р. Клаузиусом.

1.1.2 Первый закон термодинамики в общем виде

Отыщи всему начало, и ты многое поймешь К. Прутков

ервый закон термодинамики устанавливает количественные соотношения при трансформации различ- П ных форм энергии друг в друга. Пусть некоторая термодинамическая система (см. рис. 1.1) обладает способностью совершать одновременно несколько видов взаимодействий с окружающей средой, например, механическое, тепловое, химическое и др. В результате такого сложного взаимодействия, при котором из среды в систему (или наоборот) передаются потоки энергии разных видов∆ Е 1 ,∆ Е i , …,∆ Е n. .

			Окружающая среда							Энергия системы, будем называть ее внутренней энергией, изме-
			Контрольная поверхность							нится на величину ∆ U . В соответствии с законом сохранения энер-
									∆E 1 .	гии (энергия не исчезает и не возникает вновь, количество ее всегда
										остается постоянным) сумма всех изменений энергии равняется ну-
			Термодинамическая							лю. Поэтому
										∆U +∑ ∆E i =0.
∆Q n			∆U
						∆Q i
									∆E i	i= 0
∆ E n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .										К сожалению, формулу (1.1) нельзя использовать в инженерной
										практике, ибо не поддаются измерениям входящие в нее величины.
			Сложное взаимо-							Действительно, величину U невозможно измерить, потому что из-
действие между окружаю-										вестно лишь философское определение энергии и нет ее инженер-
Величины ∆ Е i										ного определения (определены лишь отдельные формы энергии).
			невозможно измерить потому, что не оговаривается однозначно окружающая среда (из-

вестна лишь одна ее граница – контрольная поверхность). Так что при попытке реализовать формулу (1.1) мы попадаем в деликатную ситуацию, знакомую из детской сказки: "Пойди туда, не знаю куда, измерь то, не знаю что".

Чтобы определиться, введем понятие о количестве воздействия данного рода ∆ Q i , называя так ко-

личество энергии определенного вида, полученное (или отданное) системой при взаимодействии со средой. Согласно такому определению ∆ Q i = −∆ E i . Поскольку система описана однозначно, считается,

что любые измерения в ней возможны, включая и те, которые позволяют определять величины ∆ Q i . Теперь формула (1) принимает вид

Обычно в термодинамике проводится анализ бесконечно малых взаимодействий, поэтому от конечных приращений ∆ U и∆ Q i перейдем к бесконечно малымdU и∆ Q i . Тогда формулу (1.2) перепишем так

dU = ∑ dQi

i= 1

и сделаем заключение: изменение внутренней энергии определяется суммой количеств воздействий, совершенных при взаимодействии. На ряде простых примеров рассмотрим, как определяются количества воздействия dQ i при различных видах взаимодействий.

Первый пример (см. рис. 1.2): пружина, нагруженная внешней силой F н . Здесь потенциалом является силаF н , а координатой – величина линейной координатых . Если внешний потенциалF н изменить на некоторую величинуdF , то произойдет механическое взаимодействие, при котором координатах изменится на величинуdx (см. рис. 1.2,б ). При таком взаимодействии количество воздействия – это механическая работа, совершаемая пружиной:

средняя сила путь

dQ = − dLмех = − 0,5 [ Fн + (Fн + dF) ] dx= 0,5 [ Fв + (Fв + dF) ] dx= = Fв dx+ 0,5 dFdx.

Рис. 1.4 Простая электрическая цепь

Рис. 1.3 Де-

х–dx

P+dp , V+dV

б )

p ,V

Пренебрегая вторым слагаемым, как величиной второго порядка малости, видим, что количество воздействия определяется произведением внутреннего потенциала F в на изменение координаты состоянияdx .

Рассмотрим теперь взаимодействие в деформационной системе, представляющей собою цилиндр с подвижным поршнем (см. рис. 1.3). Координатой состояния здесь является объем системы, а потенциалом, если учесть принятое ранее правило знаков для потенциалов, давление, взятое с обратным знаком p = − p .

Допустим, что давление p н увеличивается наdp . Тогда возникает взаимодействие между системой и средой, в результате которого поршень переместится на величину -dx , а давление в системе возрастет наdp и наступит новое равновесие со-

стояние (см. рис. 1.3, б ). Как и в предыдущем примере количество воздействия при деформации системы – это механическая работа, совершаемая над системой при взаимодействии со средой:

dQ = dLмех = 0,5 [ pв + (pв + dp) ] S(− dx) = − pdV− 0,5 dpdV.

средняя сила путь

И опять в результате мы получили произведение внутреннего потенциала на изменение координаты (учитывая, что Sdx = dV , dpdV = 0 ).

Рассмотрим еще один пример, анализируя электрическое взаимодействие в U R простейшей электрической цепи (см. рис. 1.4). Потенциалом здесь является напряжениеU источника тока, а координатой – число электрических зарядовQ ,

A протекающих в цепи. Количеством воздействия в данном случае является работа

электрического тока Q = L эл = U i τ , гдеi – ток, равный по определению числу

электрических зарядов, протекающих в единицу времени i =∆ Q /τ и значитQ = U ∆ Q . Говоря о бесконечно малом процессе, из предыдущей формулы полу-

чим dQ= U dQ.

Обобщая результаты рассмотренных примеров, сделаем следующее заключение: количество воздействия данного рода определяется произведением внутреннего потенциала на приращение соответствующей координаты:

dQi = pi dxi .

Таким образом, первый закон термодинамики (формулу (1.3)) в развернутом виде можно записать

dU = ∑ pi dxi .

i= 1

В абсолютном большинстве случаев величины потенциалов и координат достаточно легко измеряются на практике(исключаяэнтропию).

1.1.3 Термомеханическая система

Каждый молодец на свой образец. Русская пословица

ермомеханической системой называют систему, в которой одновременно могут протекать тепловое и Т механическое взаимодействия. Они находят самое широкое распространение на практике, являясь основой теплоэнергетических установок, холодильной техники, компрегирующего оборудования и многих других технологических устройств. В общем случае такая система содержит: источник тепла,

расположенный в окружающей среде, расширительный элемент (например, цилиндр с поршнем, турбину и др.), механическое устройство, приемник тепла в окружающей среде (см. рис. 1.5). Вещество, заполняющее систему, называют рабочим телом. Обычно в качестве рабочего тела используются воздух, газовые смеси в идеальногазовом состоянии, водяной пар, пары различных органических соединений и т.п. Обладая хорошей сжимаемостью и большим тепловым расширением, они являются термодинамически благоприятными по сравнению с другими жидкими или твердыми веществами.

Источник и приемник тепла могут работать непрерывно или периодически, и это позволяет с помощью термомеханической системы реализовать различные виды машин. Пусть, например, рабочее тело получает от источника Q 1 тепла, а отдает приемникуQ 2 , несколько меньшее, чемQ 1 . Тогда разницаQ 1 –Q 2 пойдет на нагрев рабочего тела. В результате теплового расширения рабочего тела давление в цилиндре будет возрастать, создавая силу, которая переместит поршень несколько вправо. При этом система совершит работу, которая с помощью механического устройства передается в окружающую среду. Таким образом, мы смоделировали работу теплового двигателя, с помощью которого тепло трансформируется в работу.

Термомеханическая система позволяет реализовать и обратную трансформацию. Представьте, что источник и приемник тепла первоначально были отключены (Q 1 =Q 2 = 0). Если с помощью механического устройства подвести к системе работу, так, чтобы поршень переместился влево, сжимая рабочее тело, то в результате взаимодействия внутренняя энергия и температура рабочего тела возрастут. Включим теперь приемник тепла и позволим рабочему телу охлаждаться до первоначальной температуры. Тогда рабочее тело отдаст приемникуQ 2 тепла, а его внутренняя энергия получит прежнее значение. Значит, нам удалось преобразовать подведенную работу в тепло.

Таким образом, термомеханическая система позволяет трансформировать тепло в работу (и наоборот).

Потенциалами такой системы являются -р иТ , а координатами, соответственноV иS . Первый закон термодинамики (формула (1.4)) в этом случае запишется так

где dQ иdL – обозначения тепла и работы за элементарный процесс взаимодействия.

Последняя формула позволяет легко понять и ту, известную из школьного курса физики, формулировку, которая утверждает невозможность вечного двигателя. Действительно, чтобы двигатель работал вечно, внутренняя энергия его рабочего тела не должна изменяться (т.е. у вечного двигателя dU = 0). Тогда видно, что не подводя тепла (dQ = 0), мы не получим и работы (dL = 0 – 0 = 0). Ту часть термодинамики, которая изучает процессы в термомеханических системах, называют технической термодинамикой, подчеркивая тем самым значение полученных в ней выводов и расчетных методик для очень многих технических устройств.

1.1.4 Внутренняя энергия газа

нергию, заключенную в системе, ранее мы назвали внутренней и представляем ее как сумму всех видов энергии, которой обладают все частицы, заполняющие систему. Говоря о газах, хотя в определенной мере это приемлемо и для жидкостей, и для твердых тел, отметим, что величина U определяется кинетической энергией молекулE кин при их поступательном, вращательном и колебательном движениях, а также энергией межмолекулярного силового взаимодействия – потенциальной энергией молекулЕ пот :

U = E кин+ E пот.

Кинетическая энергия молекул зависит от средней скорости движения и массы молекул, которые пропорциональны, соответственно, макропараметрам Т ир (температура и плотность) газа. ВеличинаЕ пот зависит от среднего расстояния между молекулами и их массы; межмолекулярное расстояние при прочих равных условиях определяется давлением газар . Поэтому можно записать

E кин= f 1(T , ρ ) и Е пот= f 2(p , ρ ) ,