Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Курс лекций по теплотехнике

Содержание лекций

Раздел I. Техническая термодинамика.

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1. Введение
1.2. Термодинамическая система.
1.3. Параметры состояния.
1.4. Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Тема 2. Первый закон термодинамики.

2.1. Теплота и работа.
2.2. Внутренняя энергия.
2.3. Первый закон термодинамики.
2.4. Теплоемкость газа.
2.5. Универсальное уравнение состояния идеального газа.
2.6. Смесь идеальных газов.

Тема 3. Второй закон термодинамики.

3.1. Основные положения второго закона термодинамики.
3.2. Энтропия.
3.3. Цикл и теоремы Карно.

Тема 4. Термодинамические процессы.

4.1. Метод исследования т/д процессов.
4.2. Изопроцессы идеального газа.
4.3. Политропный процесс.

Тема 5. Термодинамика потока.

5.1. Первый закон термодинамики для потока.
5.2. Критическое давление и скорость. Сопло Лаваля.
5.3.Дросселирование.

Тема 6. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух.

6.1. Свойства реальных газов.
6.2. Уравнения состояния реального газа.
6.3. Понятия о водяном паре.
6.4. Характеристика влажного воздуха.

Тема 7. Термодинамические циклы.

7.1. Циклы паротурбинных установок (ПТУ).
7.2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
7.3. Циклы газотурбинных установок (ГТУ).
Тестовый контроль по разделу

Раздел II. Основы теории теплообмена.

Тема 8. Основные понятия и определения.
Тема 9.Теплопроводность.

9.1. Температурное поле. Уравнение теплопроводности.
9.2. Стационарная теплопроводность через плоскую стенку.
9.3. Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.
9.4. Стационарная теплопроводность через шаровую стенку.

Тема 10. Конвективный теплообмен.

10.1. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен.
10.2.Закон Ньютона-Рихмана.
10.3. Краткие сведения из теории подобия.
10.4. Критериальные уравнения конвективного теплообмена.
10.5. Расчетные формулы конвективного теплообмена.

Тема 11. Тепловое излучение.

11.1. Общие сведения о тепловом излучении.
11.2. Основные законы теплового излучения

Тема 12.Теплопередача.

12.1. Теплопередача через плоскую стенку.
12.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку.
12.3. Типы теплообменных аппаратов.
12.4. Расчет теплообменных аппаратов.
Тестовый контроль по разделу

Раздел III. Теплоэнергетические установки.

Тема 13. Энергетическое топливо.

13.1. Состав топлива.
13.2. Характеристика топлива.
13.3. Моторные топлива для поршневых ДВС.

Тема 14. Котельные установки.

14.1. Котельный агрегат и его элементы.
14.2. Вспомогательное оборудование котельной установки.
14.3. Тепловой баланс котельного агрегата.

Тема 15. Топочные устройства.

15.1. Топочные устройства.
15.2. Сжигание топлива.
15.3. Теплотехнические показатели работы топок.

Тема 16.Горение топлива.

16.1. Физический процесс горения топлива.
16.2. Определение теоретического и действительного расхода воздуха
на горение топлива.
16.3. Количество продуктов сгорания топлива.

Тема 17. Компрессорные установки.

17.1. Объемный компрессор.
17.2. Лопаточный компрессор.

Тема 18. Вопросы экологии при использовании теплоты.

18.1. Токсичные газы продуктов сгорания.
18.2. Воздействия токсичных газов.
18.3. Последствия "парникового" эффекта.
Литература

Раздел I. Техническая термодинамика

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

Введение

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).
Количество производимых и потребляемых энергоресурсов огромно. По данным Минтопэнерго РФ и фирмы "Shell" [3] динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

^* тут – тонна условного топлива.
Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты.
Данный курс является общетехнической дисциплиной при подготовке специалистов технической специальности.

Термодинамическая система.

Техническая термодинамика (т/д) рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.
Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики:
I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии;
II закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц.
Техническая т/д, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т.п.
Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что находится вне системы называется окружающей средой. Т/д система это совокупность макроскопических тел, обменивающиеся энергией друг с другом и окружающей средой. Например: т/д система – газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда – цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.
Изолированная система - т/д система не взаимодействующая с окружающей средой.
Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой.
Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.
Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).
Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).
В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел – газ, пар.

Параметры состояния.

Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – уд. объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р).
Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.

υ = V / m , [м³/кг] , (1.1)

Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.

ρ = m / V , [кг/м³] , (1.2)
υ = 1 / ρ ; ρ = 1 / υ ; υ • ρ = 1 . (1.3)

Давление – с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.

Р = F / S ; [Па] = [Н/м²] (1.4)

Внесистемные единицы давления:
1 кгс/м² = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст.
1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см² = 98,1 кПа.
1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст.
1 ат. = 0,968 атм.
1 мм.рт.ст. = 133,32 Па.
1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 10⁵ Па.
Различают избыточное и абсолютное давление.
Избыточное давление (Р_и)– разность между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды.
Абсолютное давление (Р)– давление отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является т/д параметром состояния.
Абсолютное давление определяется:
1). При давлении сосуда больше атмосферного:

Р = Р_и + Р_о ; (1.5)

2). При давлении сосуда меньше атмосферного:

Р = Р_о + Р_в ; (1.6)

где Р_о – атмосферное давление;
Р_в – давление вакуума.

Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем вышетемпература тела.
За т/д параметр состояния системы принимают термодинамическую температуру (Т), т.е. абсолютную температуру. Она всегда положительна, При температуре абсолютного нуля (Т=0) тепловые движения прекращаются и эта температура является началом отсчета абсолютной температуры.

Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Основные т/д параметры состояния Р, υ, Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаня между собой определенным математическим уравнением, который называется уравнением состояния:

f (Р, υ, Т) = 0 . (1.7)

Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, υ и Т и все другие физические свойства одинаковы.
Совокупность изменений состояния т/д системы при переходе из одного состояния в другое называется т/д процессом. Т/д процессы бывают равновесные и неравновесные. Если процес проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы являются неравновесными.
Если при любом т/д процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т.д.
Интенсивные параметры – это параметры не зависящие от массы системы (давление, температура).
Аддитивные (экстенсивные) параметры – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (Объем, энергия, энтропия и т.д.).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: