ЛЕКЦИЯ №1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ЕЁ ВИДЫ.
ТЕРМОДИНАМИКА И ЕЁ МЕТОДЫ.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.
Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств.
Термодинамика (составная часть теплотехники) изучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами.
Известны различные виды энергии: тепловая, электрическая, химическая, магнитная и др.Задачи исследований могут быть различными – это и термодинамика биосистем, техническая термодинамика и т.д. Нас интересует техническая термодинамика, изучающая закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергий (вместе с теорией теплообмена) и потому являющаяся теоретическим фундаментом теплотехники. Без этого теоретического фундамента невозможно рассчитать и спроектировать тепловой двигатель
Метод термодинамики является феноменологическим. Явление рассматривается в целом. Связь между макроскопическими параметрами, определяющими поведение системы, устанавливается двумя началами термодинамики. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами.
Термодинамическое состояние тела (например, газа) характеризуется его массой , молярной массой μ, давлением , объемом , температурой (а возможно, и другими величинами, например, определяющими его химический состав). Все эти величины называются термодинамическими параметрами тела. Однако, как будет видно из дальнейшего, такие параметры, как ,имеют смысл только тогда, когда тело находится, хотя бы приближенно, в так называемом состоянии термодинамического равновесия (т.д.р.). Так называется состояние, в котором все термодинамические параметры остаются со временем постоянными (к этому следует добавить еще условие отсутствия стационарных потоков). Если, например, быстро подогревать газ, как это показано на рис. 9.1, температура непосредственно подогреваемой части сосуда А окажется выше температуры части В. Не будут равны и давления в частях А и В. В этом случае не имеет смысла понятие температуры или давления всего газа. Другой пример – впустим в газ пучок быстрых молекул. Ясно, что не имеет смысла говорить о температуре газа до тех пор, пока быстрые молекулы, вследствие ряда столкновений с другими, не приобретут скоростей порядка средней скорости остальных молекул, иначе говоря, пока система не придет в состояние т.д.р.
В состоянии т.д.р. для каждого вещества термодинамические параметры связаны между собой так называемым уравнением состояния:
Здесь R=8,31 Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная, μ - молярная масса. Для углерода (С) величина μ составляет 12г, для водорода (H 2) – 2г, для кислорода (О 2) – 32г, для воды (Н 2 О) – 18г и т.д.
В моле любого вещества содержится одно и то же количество молекул N 0 , называемое числом Авогадро:
Отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро (т.е. универсальная газовая постоянная, приходящаяся на одну молекулу) называется постоянной Больцмана:
Идеальным газом называется газ, настолько разреженный, что он подчиняется уравнению (1.2) или(1.6). Смысл этого определения состоит, очевидно, в том, что для подчинения уравнению (1.6) газ должен быть достаточно разреженным. Если газ, напротив, сжат до достаточно больших плотностей (так называемый реальный газ), то вместо (1.6) имеем
Выбор термодинамической системы произволен. Выбор диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, есть окружающая среда. Разделение термодинамической системы и окружающей среды осуществляет контрольная поверхность. Так, например, для простейшей термодинамической системы цилиндр-газ-поршень, внешняя среда окружающий воздух, а контрольная поверхность оболочка цилиндра и поршень. Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности.
При механическом взаимодействии самой системы или над нею совершается работа. Следует отметить: работа может совершаться и под действием других сил- электрических, магнитных.
Рассматривая пример с системой цилиндр-поршень можем отметить следующее: механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объёма. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра. Для открытой термодинамической системы обмен идёт со средой и веществом (массообменные процессы). В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые термодинамические системы. Если система теплоизолирована, то мы называем её адиабатной, например, газ в сосуде с идеальной тепловой изоляцией. Такая система не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни веществом и называется замкнутой (изолированной).
Превращение теплоты в работу и наоборот работы в теплоту осуществляется системами представляющими собой газы и пары, их называют рабочими телами.
В развитии термодинамики как науки большой вклад сделали русские учёные: М.В. Ломоносов – определил сущность теплоты как внутреннего движения материи, кроме того, определил сущность, разработанных впоследствии, законов термодинамики, за сто лет до Клаузиуса (1850 г.), дал содержание второго закона термодинамики, количественная оценка была дана Ломоносовым в двух его работах 1750 и 1760 г.г. Можно упомянуть Г.Г. Гесса (1840 г.), который установил закон о тепловом эффекте химической реакции, проф. Шиллера Н.Н. (Киевский университет)- дал более строгое обоснование второго начала термодинамики, проф. Афанасьева-Эренфест Т.А. впервые показала целесообразность раздельного толкования второго начала термодинамики для равновесных и неравновесных процессов. Исследования в прикладном и теоретическом плане проведены учёными МВТУ Гриневецким В.И., Киршем К.В., Мерцаловым Н.И., Рамзиным Л.К., Ошурковым Б.М. Первый советский учебник по термодинамике был написан Ошурковым Б.М. Учёные ВТИ, МЭИ Вукалович М.П., Кириллин В.А., Новиков И.И., Тимрот Д.А., Варгафтик Н.Б. провели обширные исследования по получению новых данных по теплофизическим свойствам ряда новых рабочих тел. Из иностранных учёных огромный вклад в развитие термодинамики внесли Сади Карно, Р.Стирлинг, Р.Майер, Клаузиус, Гельмгольц, Джоуль, Томсон, Рейнольдс и др. Кстати, Р. Стирлинг за 8 лет до С. Карно в 1816 году запатентовал машину, производящую работу за счёт нагретого воздуха.
Раздел 1. Термодинамика.
Введение.
Основы технической термодинамики.
Безопасность технологических процессов и производств на воздушном транспорте в узком смысле означает обеспечение безопасности полётов (БП), под которой обычно подразумевается способность авиационной транспортной системы (совокупность летательного аппарата (самолёта, вертолёта), экипажа, служб подготовки и обеспечения полётов, управления воздушным движением) осуществлять воздушные перевозки без угрозы для жизни и здоровья людей.
На исход полёта влияет большое количество факторов, закономерности возникновения которых весьма сложны и изучаются в различных науках: теплотехнике, газовой динамике, теории авиационных двигателей и др.
Термодинамика, являясь разделом теоретической физики, представляет собой одну из самых обширных областей современного естествознания – науку о превращениях различных видов энергии друг в друга. Эта наука рассматривает самые разнообразные явления природы и охватывает огромную область химических, механических и физико-химических явлений.
Теплотехника – общая профессиональная (общетехническая) дисциплина, изучающаяметоды получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и рабочие процессы тепловых машин, аппаратов и устройств и др. Теплотехника базируется на сведениях из технической термодинамики, теплообмена и массообмена.
Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и является (вместе с теорией теплообмена и массообмена) теоретическим фундаментом теплотехники. На её основе осуществляется расчёт и проектирование тепловых двигателей – паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, а также всевозможного технологического оборудования – компрессоров, сушильных и холодильных установок и т.д.
Газовая динамика изучает открытые термодинамические системы , в которых рабочее тело представляет поток газа. На постулатах и выводах газовой динамики осуществляется конструирование каналов, лопаток турбомашин и других устройств.
Теория авиационных двигателей изучает схемы, принцип действия различных типов газотурбинных и поршневых двигателей (ГТД и ПД) и их элементов, а также эксплуатационные характеристики ГТД и ПД и их элементов. ГТД широко распространены в гражданской авиации вследствие их большой мощности при малых габаритах и массе, а также из-за использования дешёвых сортов топлива (керосина).
Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является составной частью учебного плана подготовки инженера-механика по специальности «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиадвигателей» для всех форм обучения. Дисциплина состоит из двух самостоятельных разделов:
Техническая термодинамика;
Теплопередача.
Техническая термодинамика является частью термодинамики – раздела теоретической физики. Объектом исследований технической термодинамики являются авиационные двигатели – тепловые машины, в которых изучаются закономерности взаимного превращения теплоты в работу, устанавливается взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, имеющими место в тепловых машинах.
Техническая термодинамика начала развиваться с 20-х годов XIX столетия, но, несмотря на свою сравнительную молодость, она заслуженно занимает в настоящее время одно из центральных мест среди физических и технических дисциплин.
В теоретической части техническая термодинамика является общим отделом, науки об энергии, а в прикладной части представляет собой теоретический фундамент всей теплотехники, изучающей процессы, протекающие в тепловых двигателях.
В термодинамике используются два метода исследования: метод круговых процессов и метод термодинамических функции и геометрических построений. Последний метод был разработан и изложен в классических работах Гиббса. Этот метод получил за последнее время широкое распространение.
В начале второй половины XVIII в. была решена очень важная техническая задача – был создан универсальный тепловой двигатель для промышленности и транспорта. Первую паровую машину изобрел русский инженер И. И. Ползунов. Она была построена уже после его смерти в 1766 г., т. е. почти за 20 лет до паровой машины Джемса Уатта. И. И. Ползунов не только создал первую в мире паровую машину, но и изобрел к ней распределительное устройство и впервые осуществил автоматическое питание парового котла.
До 50-х годов XIX столетия наука рассматривала теплоту как особое, невесомое, неуничтожаемое инесоздаваемое вещество – теплород. Одним из первых, кто опроверг эту теорию, был М. В. Ломоносов. В 1744 г. в своей диссертации «Размышление о причине теплоты и холода» он писал, что теплота состоит во внутреннем движении собственной материи и указывал, что огонь и теплота состоят во вращательном движении частиц, из которых состоят все тела. Тем самым в своих работах М. В. Ломоносов заложил основы механической теории теплоты. Однако Ломоносов не был понят современниками. Еще долгое время физики продолжали толковать о теплороде. Только, к середине XIX в. механическая теория теплоты в результате работ целого ряда ученых находит повсеместное признание, становится основой всей термодинамики.
Теплопередача– это наука, изучающая процессы переноса теплоты (теплообмена) в пространстве с неоднородным температурным полем. В зависимости от характера теплообмена перенос теплоты может быть назван теплопроводностью (например, через стенки корпуса), конвекцией (например, при охлаждении турбинных лопаток воздухом) и излучением (например, при горении топливовоздушной смеси от пламени к стенкам жаровой трубы в камере сгорания).
Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и механической работы в теплоту, дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них, и позволяет выявлять их экономичность для каждого типа отдельно.
В книге излагаются основы технической термодинамики и теплопередачи.
В первой части изложены законы термодинамики и их приложение к анализу циклов тепловых двигателей, газотурбинных, паротурбинных и холодильных установок и др.
Во второй части изложены физические основы теплообмена. Рассмотрены элементарные способы передачи теплоты. Кратко изложено приложение общей теории тепло- и массообмеиа к изучению процессов во влажных коллоидных капиллярно-пористых телах.
В книге даны контрольные вопросу и некоторое количество решенных задач. Книга написана с использованием международной системы единиц (СИ).
Часть первая ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Глава I ВВЕДЕНИЕ
§ 1-1. Энергетика и ее значение в народном хозяйстве СССР
С первых дней жизни Советского государства Коммунистическая партия СССР придавала огромное значение претворению в жизнь Ленинского учения об электрификации всей страны.
«Коммунизм, - говорил В. И. Ленин, - это есть советская власть плюс электрификация всей страны», поэтому ленинская идея сплошной электрификации - стержень всей программы, строительства экономики коммунизма.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ко второму изданию.
Предисловие к первому изданию.
Часть первая. Техническая термодинамика
Глава 1. Введение.
Глава II. Уравнение состояния идеальных газов.
Глава III. Смесь идеальных газов.
Глава IV. Реальные газы.
Глава V. Первый закон термодинамики.
Глава VI. Теплоемкость газов. Энтропия.
Глава VII. Термодинамические процессы идеальных газов.
Глава VIII. Второй закон термодинамики.
Глава IX. Характеристические функции и термодинамические потенциалы. Равновесие систем.
Глава X. Дифференциальные уравнения термодинамики.
Глава XI. Водяной пар.
Глава XII. Основные термодинамические процессы водяного пара.
Глава XIII. Истечение газов и паров.
Глава XIV. Дросселирование газов и паров. Смешение газов.
Глава XV. Влажный воздух.
Глава XVII. Циклы двигателей внутреннего сгорания.
Глава XVIII. Циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей.
Глава XIX. Циклы паротурбинных установок.
Глава XX. Циклы атомных электростанций, парогазовых и магнитогидродинамических установок.
Глава XXI. Циклы холодильных установок.
Часть вторая. Теплопередача
Глава XXII. Основные положения теплопроводности.
Глава XXIII. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях первого рода.
Глава XXIV. Теплопроводность при стационарной режиме и граничных условиях третьего рода. Коэффициент теплопередачи.
Глава XXV. Теплопроводность при нестационарном режиме.
Глава XXVII. Конвективный теплообмен в вынужденном н свободном потоке жидкости.
Глава XXVIII. Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества.
Глава XXIX. Теплообмен излучением.
Глава XXX. Теплообменные аппараты.
Глава XXXI. Тепло- и массоперенос во влажных телах.
Приложения.
Литература.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Техническая термодинамика и теплопередача, Нащокин В.В., 1975 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.
1 ДК 536.7(07) + 536.24 Рецензенты: кафедра “Теплотехника и теплосиловые установки” Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (д-р техн. наук, проф. И.Г. Киселев), профессор Б.С. Фокин (АОО НПО "ЦКТИ им. И.И. Ползунова") Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 319 с. ISBN 5-7422-0098-6 Изложены основы технической термодинамики и теплопередачи. Представлены начала термодинамики, методы расчета термодинамических процессов с идеальным газом и с реальными рабочими телами, циклов энергетических установок, холодильных машин и тепловых насосов. Описаны процессы стационарной и нестационарной теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением. Даны основы теплового расчета теплообменников. Предназначен для бакалавров по направлению 551400 “Наземные транспортные системы”. I8ВN 5-7422-0098-6 Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1999 Сапожников С.З., Китанин Э.Л., 1999 2 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие........................................................................ 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА...................... 1.1. Предмет и метод технической термодинамики....... 1.2. Основные понятия термодинамики........................ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры........................................................... 1.2.2. Термодинамическое равновесие и равновесный тер- модинамический процесс.................................. 1.2.3. Термическое уравнение состояния. Термодинамическая поверхность и диаграммы состояний………………………………………………. 1.2.4. Смеси идеальных газов........................................ 1.2.5. Энергия, работа, теплота...................................... 1.2.6. Теплоемкость......................................................... 1.3. Первое начало термодинамики.................................. 1.3.1. Уравнение первого начала................................... 1.3.2. Внутренняя энергия как функция состояния......................................................................... 1.3.3. Энтальпия и ее свойства...................................... 1.3.4. Уравнение первого начала для идеального газа......................................................................................... 1.4. Анализ процессов с идеальным газом....................... 1.4.1. Изобарный процесс.............................................. 1.4.2. Изохорный процесс............................................... 1.4.3. Изотермический процесс...................................... 1.4.4. Адиабатный процесс............................................. 1.4.5. Политропные процессы........................................ 1.4.6. Сжатие газа в поршневом компрессоре.............. 1.5. Второе начало термодинамики................................... 1.5.1. Обратимые и необратимые процессы................. 1.5.2. Циклы и их КПД.................................................... 1.5.3. Формулировки второго начала............................ 1.5.4. Цикл Карно. Теорема Карно................................ 3 1.5.5. Энтропия, ее изменение в обратимых и необрати- мых процессах................................................................. 1.5.6. Т–s-диаграмма состояний. Изменение энтропии в процессах идеального газа.................................................................................... 1.5.7. Термодинамическая шкала температур.............. 1.6. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания................................................................................. 1.6.1. Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто) 1.6.2. Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля) ........................................................................................................... 1.6.3. Сравнение эффективности циклов ДВС............. 1.7. Циклы газотурбинных установок.............................. 1.7.1. Схема и цикл с изобарным подводом теплоты.. 1.7.2. Термический КПД цикла Брайтона................... 1.7.3. Регенеративный цикл ГТУ.............................. 1.7.4. Эффективность реальных циклов................... 1.8. Термодинамика реальных рабочих тел.................... 1.8.1. Уравнения состояния реальных газов............... 1.8.2. Изменение агрегатного состояния вещества.... 1.8.3. Диаграммы и таблицы состояний..................... 1.9. Циклы паросиловых установок................................. 1.9.1. Паровой цикл Карно.......................................... 1.9.2. Цикл Ренкина..................................................... 1.10. Циклы холодильных машин и тепловых насосов 1.10.1.Обратный цикл Карно.................................... 1.10.2. Цикл парокомпрессионной холодильной машины с перегревом пара и дросселированием................. 1.10.3. Цикл теплового насоса................................... 1.11. Влажный воздух.......................................................... 1.11.1 Основные понятия и определения................... 1.11.2. h–d-диаграмма влажного воздуха.................. 2.ТЕПЛОПЕРЕДАЧА......................................................... 4 2.1. Общие представления о теплопередаче................... 2.2. Теплопроводность........................................................ 2.2.1. Основные понятия и определения............ 2.2.2. Гипотеза Био-Фурье.................................... 2.2.3.Дифференциальное уравнение теплопроводности. ………………………………………………………… 2.2.4. Условия однозначности................................. 2.2.5.Модели тел в задачах теплопроводности...... 2.3. Стационарная теплопроводность.............................. 2.3.1. Теплопроводность пластин и оболочек......... 2.3.2. Теплопроводность оребренных поверхностей. 2.4. Нестационарная теплопроводность.......................... 2.4.1. Теплопроводность термически тонких тел....... 2.4.2. Теплопроводность полуограниченного тела и стержня....................................................... 2.4.3. Нагрев и охлаждение пластины, цилиндра и шара. 2.4.4. Нагрев и охлаждение тел конечных размеров…….. 2.4.5. Регулярный тепловой режим......................... 2.5. Приближенные методы теории теплопроводности.. 2.5.1. Электротепловая аналогия............................. 2.5.2. Графический метод........................................ 2.5.3. Метод конечных разностей.......................... 2.6. Физические основы конвективного теплообмена.. 2.6.1. Основные понятия и определения................. 2.6.2.Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена.............................................................. 2.7. Основы теории подобия............................................... 2.7.1. Подобие физических явлений....................... 2.7.2. Теоремы подобия............................................. 2.7.3. Уравнения подобия......................................... 2.7.4. Правила моделирования.................................. 2.8. Конвективный теплообмен в однофазной среде..... 2.8.1. Режимы течения жидкостей и газов............... 5 2.8.2. Пограничный слой............................................ 2.8.3.Теплообмен в ламинарном пограничном слое на плоской поверхности................................................. 2.8.4. Теплообмен в турбулентном пограничном слое на плоской поверхности............................................. 2.8.5. Теплообмен при вынужденной конвекции в трубах и каналах............................... 2.8.6.Теплообмен на стабилизированном участке течения.Интеграл Лайона......................................... 2.8.7. Теплообмен при ламинарном течении в трубах ……………………………………………………….. 2.8.8. Теплообмен при турбулентном течении в трубах... 2.8.9. Теплообмен при обтекании труб и трубных пучков.......................................................................... 2.8.10. Теплообмен при свободной конвекции........ 2.8.11. Теплообмен в псевдоожиженных средах....... 2.9. Конвективный теплообмен при кипении и конденсации........................................................................... 2.9.1. Теплообмен при кипении................................ 2.9.2. Теплообмен при конденсации......................... 2.9.3. Тепловые трубы................................................ 2.10. Теплообмен излучением............................................ 2.10.1. Физические основы излучения...................... 2.10.2. Расчет теплообмена излучением................... 2.10.3. Солнечное излучение..................................... 2.10.4. Сложный теплообмен..................................... 2.11. Теплообменники.......................................................... 2.11.1 Классификация и назначение......................... 2.11.2. Основы теплового расчета............................ 2.11.3.Эффективность теплообменников. Реальные коэффициенты теплопередачи............................. 2.11.4. Гидравлический расчет теплообменников... Список литературы............................................................. 6 ПРЕДИСЛОВИЕ “Техническая термодинамика и теплопередача” - один из основных курсов, читаемых бакалаврам по направлению “Наземные транспортные системы”. Он насыщен сведениями и сжат по времени изучения до 1–2 семестров, поэтому большинство фундаментальных учебников мало помогут студентам: они излишне подробны, не сориентированы на круг задач, связанных с транспортными системами и, наконец, просто рассчитаны на курсы значительно большего объема. Для инженеров-транспортников главное - уяснить предмет и основные идеи термодинамики и теплопередачи, освоить сложившуюся терминологию этих наук. Совершенно необходимо помнить 10–15 основных формул (таких, например, как уравнение состояния идеального газа, формула для расчета теплопередачи через многослойную пластину, закон Стефана–Больцмана и т. д.). Остальные сведения, при всей их важности, нужно просто понять, представить физически, связать с примерами из различных областей жизни и техники. Поэтому главное внимание авторы постарались уделить физической стороне рассматриваемых явлений, а математическому аппарату оставили достойное, но скромное место. Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам - кафедре "Теплотехника и теплосиловые установки" Петербургского государственного университета путей сообщения в лице д-ра техн. наук проф. И. Г. Киселева и канд. техн. наук доц. В. И. Крылова, а также д-ру техн. наук проф. Б. С. Фокину - за ценные замечания, позволившие улучшить первоначальный текст. Особая благодарность - канд. техн. наук Г. Г. Гавра за большую помощь в подготовке рукописи; ей принадлежит идея сопоставить N, ε - метод расчета теплообменников с традиционной расчетной схемой. И, конечно, очень ценной оказалась помощь в оформлении книги сотрудниц кафедры “Теоретические основы теплотехники” Санкт-Петербургского государственного технического 7 университета Э. О. Введенской, Р. М. Грозной, аспиранток Ю. В. Бурцевой и Е. М. Ротинян. С. Сапожников Э. Китанин 8 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 1.1.ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамика - наука о преобразованиях энергии - фундаментальна для инженера-энергомашиностроителя. Зарождение термодинамики совпадает по времени с появлением первых паровых машин. В 1824 г. французский инженер С. Карно рассмотрел энергетическое взаимодействие воды и пара с различными частями двигателя и с окружающей средой, ему принадлежит первая оценка эффективности паровой машины. С тех пор предметом изучения термодинамики стали процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физико- химические, плазменные и другие процессы. В основу этих исследований положен термодинамический метод: объектом исследования могут быть любые тела, входящие в так называемую термодинамическую систему. Эта система должна быть: достаточно обширной и сложной, чтобы в ней соблюдались статистические закономерности (движение молекул вещества в некотором объеме, нагрев и охлаждение частиц твердого материала в засыпке и т. д.); замкнутой, т. е. иметь пределы во всех пространственных направлениях и состоять из конечного числа частиц. Других ограничений для термодинамической системы нет. Объекты материального мира, не входящие в термодинамическую систему, называют окружающей средой. Возвращаясь к работам С. Карно, отметим, что вода и полученный из нее пар являются термодинамической системой. Проследив энерговзаимодействие воды и пара с окружающими телами, можно оценить эффективность преобразования подведенной к машине теплоты в работу. Но современные энергомашины для преобразования энергии не всегда используют воду. Условимся называть любую среду, которая используется для преобразования энергии, рабочим телом. 9 Таким образом, предметом технической термодинамики являются закономерности преобразования энергии в процессах взаимодействия рабочих тел с элементами энергомашин и с окружающей средой, анализ совершенства энергомашин, а также изучение свойств рабочих тел и их изменений в процессах взаимодействия. В отличие от статистической физики, которая изучает физическую модель системы с четкими закономерностями взаимодействия микрочастиц, термодинамика не связана в своих выводах с какой-либо структурой тела и с определенными формами связи между элементами этой структуры. Термодинамика использует законы универсального характера, т. е. справедливые для всех тел, независимо от их строения. Эти законы заложены в основу всех термодинамических рассуждений и носят название начал термодинамики. Первое начало выражает закон сохранения энергии - всеобщий закон природы. Оно определяет баланс энергии при взаимодействиях внутри термодинамической системы, а также между термодинамической системой и окружающей средой. Второе начало определяет направленность энергетических превращений и существенно расширяет возможности термодинамического метода. Оба начала носят опытный характер и применимы ко всем термодинамическим системам. Основываясь на этих двух началах, представленных в математической форме, можно выразить параметры энергообмена при различных взаимодействиях, установить связи между свойствами веществ и т. д. Однако для того, чтобы довести результаты до конкретных чисел, одних только "внутренних ресурсов" термодинамики недостаточно. Необходимо использовать экспериментальные или теоретические результаты, которые учитывают природу рабочего тела в реальной термодинамической системе. Если, например, воспользоваться опытными данными о плотности вещества, то с помощью термодинамического анализа можно вычислить его теплоемкость и т. д. 10 Таким образом, термодинамические исследования основываются на фундаментальных законах природы. В то же время инженерные расчеты в термодинамике невозможны без использования данных опытов или результатов теоретических исследований физических свойств рабочих тел. 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры Мы назвали термодинамической системой любое тело или систему тел, находящихся во взаимодействии между собой и(или) с окружающей средой (в такую систему могут, в частности, входить рабочие тела энергетических машин). В определении не уточняется, что именно считать термодинамической системой, а что - окружающей средой. Можно, например, термодинамической системой считать само рабочее тело, а “все остальное” полагать окружающей средой; можно выделить только часть тела, а окружающей средой считать оставшуюся часть и все другие тела. Можно, наоборот, расширить термодинамическую систему - включить в нее, кроме первого тела, несколько других, а все прочие тела считать окружающей средой. Такое расширение или сужение круга объектов, составляющих термодинамическую систему, позволяет выяснить важные особенности рабочих тел и энергетических взаимодействий между ними. Известно, что одно и то же вещество может находиться в жидком, газообразном или твердом состоянии. При этом, естественно, различными будут и свойства этого вещества, этой термодинамической системы, например, плотность, коэффициент объемного расширения, магнитная проницаемость, скорость звука и т. д. Все эти, а также другие величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния. Их очень много; традиционно выделяют
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Институт нефти и газа | |
Кафедра теплотехники | |
131000.62 «Нефтегазовое дело» | |
(код и наименование направления подготовки/специальности) | |
по дисциплине «Термодинамика и теплопередача» | |
Лекция 1. Предмет и метод термодинамики..................................................................... | |
Термодинамическая система............................................................................. | |
Термодинамические параметры состояния..................................................... | |
Уравнение состояния......................................................................................... | |
Термодинамический процесс.......................................................................... | |
Теплоемкость газов........................................................................................... | |
Лекция 2. Смеси идеальных газов.................................................................................... | |
Аналитическое выражение первого закона термодинамики............................ | |
Внутренняя энергия........................................................................................... | |
Работа расширения.......................................................................................... | |
Теплота................................................................................................................ | |
Энтальпия.............................................................................................................. | |
Энтропия.............................................................................................................. | |
Лекция 3. Общая формулировка второго закона.............................................................. | |
Прямой цикл Карно.............................................................................................. | |
Обратный цикл Карно......................................................................................... | |
Изменение энтропии в неравновесных процессах........................................... | |
Лекция 4. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах......... | |
Лекция 5. Термодинамические процессы реальных газов................................................ | |
Уравнение состояния реальных газов............................................................... | |
Лекция 6. Уравнение первого закона термодинамики для потока................................... | |
Истечение из суживающегося сопла.................................................................. | |
Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах................... |
Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы.................................... | |
Дросселирование газов и паров.......................................................................... | |
Лекция 7. Термодинамическая Эффективность циклов теплосиловых установок......... | |
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.................................... | |
Циклы газотурбинных установок....................................................................... | |
Циклы паротурбинных установок.................................................................... | |
Цикл Ренкина на перегретом паре...................................................................... | |
Термический КПД цикла.................................................................................... | |
Теплофикация....................................................................................................... | |
Общая характеристика холодильных установок …………………………….. | |
Лекция 8. Основы теории теплообмена............................................................................... | |
Основные понятия и определения ……………………………………………. | |
Теория теплопроводности. Закон Фурье............................................................ | |
Плоская стенка | |
Цилиндрическая стенка.................................................................................... | |
Лекция 9. Теплопередача.................................................................................................... | |
Плоская стенка.................................................................................................... | |
Цилиндрическая стенка...................................................................................... | |
Интенсификация теплопередачи....................................................................... | |
Тепловая изоляция.............................................................................................. | |
Лекция 10. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена. | |
Пограничный слой.............................................................................................. | |
Числа подобия..................................................................................................... | |
Лекция 11. Частные случаи конвективного теплообмена. Поперечное обтекание | |
одиночной трубы и пучка труб......................................................................... | |
Течение теплоносителя внутри труб................................................................. | |
Теплоотдача при естественной конвекции........................................................ | |
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи.............................. | |
Лекция 12. Описание процесса излучения. Основные определения…............................ | |
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде…........................... | |
Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде….............. | |
Лекция 13. Теплообменные аппараты................................................................................ | |
Типы теплообменных аппаратов........................................................................ | |
Основы теплового расчета теплообменных аппаратов.................................. |
Предметиметодтермодинамики
Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных про-
цессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловы-
ми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объ-
ект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несо-
измеримо больше размеров молекул и атомов.
В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче-
скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.
Рассматривая только макроскопические системы, термодинамика изучает за-
кономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огром-
ного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микро-
структурных частиц (молекул, атомов, ионов).
Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическими термодинамическим методами. Статистический метод основан на использовании тео-
рии вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет со-
влечения модельных представлений о структуре вещества и является феномено-
логическим (т. е. рассматривает «феномены» - явления в целом).
При этом все основные выводы термодинамики можно используя только два основных эмпирических закона термодинамики.
В дальнейшем исходя из термодинамического метода мы будем для нагляд-
ности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.
Термодинамическая система
Т е р м о д и н а м и ч е с к а я система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).
Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой . Систему отделяют от окру-
жающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней сре-
дой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки ци-
линдра и поршень.
Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осу-
ществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также электрические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет совершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодинамики, но нами в дальнейшем рассматриваться не будут). В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровож-
дается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе тепло-
ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В
рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.
В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом
(массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой . Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах - примеры открытых систем. Если веще-
ство не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальней-
шем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые сис-
Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с ок-
ружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатной. Приме-
ром адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покры-
ты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в
сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве-
ществом, называется изолированной (или замкнутой).
Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осу-
ществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе го-
рючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.
Термодинамическиепараметрысостояния
Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исче-
зающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодей-
ствуют друг с другом лишь при соударениях.
Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с по-
верхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением
где n - число молекул в единице объема;
т - масса молекулы;с 2 - средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.
В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях
(1Па=1 Н/м2 ). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа = 1000 Па и
1 МПа=106 Па.
Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.
Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, пред-
ставляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р изме-
ряемой среды и атмосферным давлением p атм , т.е.p изб p атм p
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум-
метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума):
р в р атм р, т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным.
Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление.
Именно оно входит в термодинамические уравнения.
Температурой называется физическая величина, характеризующая сте-
пень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения:
если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их темпе-
ратур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры рав-
ны, то теплообмена не будет.
С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с
где k - постоянная Больцмана, равная 1,380662 10ˉ23 Дж/К. Температура T,
определенная таким образом, называется абсолютной .
В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широ-
ко применяется градус Цельсия (°С). Соотношение между абсолютной Т и стогра-
дусной t температурами имеет вид
T t 273,15.
В промышленных и лабораторных условиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, пирометров, термопар и других приборов.
Удельный объем v - это объем единицы массы вещества.Если од-
нородное тело массой М занимает объемv, то по определению
v= V/М.
В системе СИ единица удельного объема 1 м3 /кг. Между удельным объемом вещества и его плотность существует очевидное соотношение:
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях,
вводится понятие «нормальные физические условия»: p =760 мм рт.ст.= 101,325 кПа;T =273,15K.
В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные
от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (p = 735,6 мм
рт.ст.= 98 кПа, t =15˚C) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (p =101,325 кПа,t =20˚С) и т. д.
Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояниесистемыназываетсяравновесным .
Если между различными точками в системе существуют разности темпера-
тур, давлений и других параметров, то она является неравновесной . В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что
изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.
Уравнение состояния
Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением со-
стояния . Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление про-
стейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термическим уравнением состояния видаf (p ,v ,T ) 0.
Уравнению состояния можно придать другую форму: p f 1 (v ,T );v f 2 (p ,T );
T f 3 (p, v);
Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых.
Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не может быть получено в рамках термодинамики и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической физи-
ки. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств веще-
Уравнениесостояния идеальныхгазов
Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p nkT .
Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следова-
Постоянную величину Nk, отнесенную к 1 кг газа, обозначают буквойR и на-
зывают газовой постоянной . Поэтому
Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона.
Умножив (3) на М, получим уравнение состояния для произвольной массы газа
pV MRT . |
Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести га-
зовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в кило-
граммах численно равна молекулярной массе μ. Положив в (1.4) М= μ иV=V μ , полу-
чим для одного моля уравнение Клапейрона - Менделеева:
pV RT .
Здесь V - объем киломоля газа, аR - универсальная газовая постоянная.
В соответствии с законом Авогадро (1811г.) объем 1 кмоля, одинаковый в од-
них и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физических усло-
виях равен 22,4136 м3 , поэтому
Газовая постоянная 1 кг газа составляет | ||||||||
Термодинамическийпроцесс
Изменение состояния термодинамической системы во времени называется
термодинамическим процессом . Так, при перемещении поршня в цилиндре объём, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться,
будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.
Как уже отмечалось, система, выведенная из состояния равновесия, и пре-
доставленная при постоянных параметрах окружающей среды самой себе, через не-
которое время вновь придет в равновесное состояние, соответствующее этим пара-
метрам. Такое самопроизвольное (без внешнего воздействия) возвращение системы в состояние равновесия
называется релаксацией , а промежуток времени, в течение которого систе-
ма возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации .
Для разных процессов он различно: если для установления равновесного давления в газе требуется всегда, то для выравнивания температуры в объеме того же газа нуж-
ны десяти; минут, а в объеме нагреваемого твердой тела - иногда несколько часов.
Термодинамический процесс называется равновесным , если все пара-
метры системы при его протекании меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равновесия с окружающей средой, чем и определяется название процесса.
Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров системы dA d должна удовлетворять соотношению
dA d c релД A рел
где А - параметр, наиболее быстро изменяющийся в рассматриваемом про-
цессе; с рел - скорость изменения этого параметра в релаксационном процессе;τ рел -
время релаксации.
Рассмотрим, например, процесс сжатия газа в цилиндре. Если время смещения поршня от одного положения до другого существенно превышает время релаксации,
то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выровняться по
всему объему цилиндра.
Это выравнивание обеспечивается непрерывным столкновением молекул, в
результате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав-
номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня будут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным. Таким образом, равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последовательных состояний равновесия, поэтому в каждой его точке состояние термодинамической системы можно описать уравнением состояния данного рабочего тела. Именно поэтому классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процессами. Они являются удобной идеализацией реальных процессов, позволяющей во многих случаях существенно упростить решение задачи. Такая идеализация вполне обоснована, так как условие
(1.8) выполняется на практике достаточно часто. Поскольку механические возму-
щения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа и цилинд-
ре будет равновесным, если скорость перемещения поршня много меньше скорости звука.
Процессы, не удовлетворяющие условию dAd cрел Д A рел , протекают с нарушением равновесия, т. е. являютсянеравновесными . Если, например, быстро увеличит температуру окружающей среды, то газ в цилиндре будет постепенно про-
греваться через его стенки, релаксируя к состоянию равновесия, соответствующему новым параметрам окружающей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружающей средой и его нельзя характеризовать уравнением состоя-
ния хотя бы потому, что в разных точках объема газа температура имеет различные значения.