Термодинамика-621.Т35

УДК 621.1:536.7(07) ББК 31.31я7

К89

Термодинамика и теплопередача: Учебное пособие / В. Н. Кузнецов,

В. В. Овсянников, А. С. Анисимов, М. В. Кокшаров, В. В. Крайнов; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 128 с.

В первых трех разделах настоящего учебного пособия рассмотрены состояние газа, газовые процессы и газовые циклы с анализом эффективности работы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. В четвертом разделе представлены свойства воды и водяного пара, циклы паросиловых установок, пути повышения их экономичности; приведены сведения о циклах холодильных установок и свойствах влажного воздуха. Пятый раздел посвящен изучению закономерностей основных видов теплопереноса – теплопроводности, конвективного теплообмена и лучеиспускания. В приложениях приведены справочные данные, необходимые для решения теплотехнических задач.

Пособие предназначено для студентов нетеплотехнических специальностей.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 4. Рис. 90.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. И. Гриценко; доктор техн. наук, профессор А. С. Ненишев; доктор техн. наук, профессор Е. И. Сковородников.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2006

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее пособие предназначено для студентов высших учебных заведений Федерального агентства железнодорожного транспорта, обучающихся по тепловозной, вагонной и машиностроительной специальностям механического факультета, а также для специальности «Подвижной состав электрического транспорта» электромеханического факультета.

Курс «Термодинамика и теплопередача» предполагает подготовку студентов по теоретическим основам теплотехники. Первые четыре раздела посвящены изучению свойств газов и паров, процессов изменения их состояния, термодинамических циклов различных тепловых двигателей и холодильных установок. В пятом разделе рассматриваются основы теплообмена, способы интенсификации передачи тепла в тепломассообменных аппаратах.

Основным содержанием технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования тепловой и механической энергии. В основу термодинамики положены два основных закона, установленных многовековым опытом деятельности человечества. Первый закон термодинамики характеризует балансовую сторону процессов превращения энергии. Он является количественным выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Второй закон термодинамики устанавливает направленность протекания процессов.

Цикличность протекания процессов в реальных теплосиловых установках позволяет ввести понятие цикла и его термического коэффициента полезного действия. Такой метод термодинамики дает возможность оценки эффективности тепловых двигателей, применяемых на предприятиях промышленности и транспорта, наметить пути повышения их экономичности и надежности.

Разработка и эксплуатация теплогенерирующих и теплопотребляющих установок связана с вопросами увеличения мощности теплового потока через единицу площади поверхности стенки, снижения тепловых потерь в окружающую среду, улучшения свойств теплопроводящих и теплоизоляционных материалов, выбора оптимальных характеристик теплоносителей и рациональной конструкции теплообменных аппаратов. В основе решения этих вопросов лежит учение о теплообмене, под которым понимают перенос тепла

от одних частей системы к другим при наличии разности температур между ними.

По каждому из разделов планируется вслед за лекцией проведение лабораторной работы, практического аудиторного занятия с решением задач, а также выполнение домашнего задания. В конце изучения раздела проводится собеседование со студентами или тестирование с применением ЭВМ и выставляется оценка.

Такой метод изучения дисциплины и пораздельной отчетности способствует стимулированию ритмичности самостоятельной работы студентов в течение семестра и контролю за ней со стороны преподавателя, ведет к интенсификации учебного процесса, а в итоге – к повышению успеваемости студентов и качества обучения.

Основные понятия и определения. Состояние газа

Метод термодинамики. Термодинамическая система. Рабочее тело

Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. Основным содержанием технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования тепловой и механической энергии.

В основу термодинамики положены два основных закона, установленных многовековым опытом деятельности человечества. Первый закон термодинамики характеризует балансовую сторону процессов превращения энергии. Он является количественным выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Второй закон термодинамики устанавливает направленность протекания процессов.

Метод термодинамики представляет собой строгое математическое развитие законов термодинамики. Однако прежде чем приступить к изучению этих законов, необходимо привести некоторые начальные сведения, понятия и определения.

Термодинамическая система – это совокупность тел, связанных с рассматриваемым процессом. Обычно она включает в себя, кроме рабочих тел и источников энергии, окружающую среду, под которой понимают бесконечно емкое тело, температура и давление которого являются независимыми параметрами.

Термодинамическая система может и не включать в себя всех названных тел. В частном случае отдельно взятое тело, состоящее из молекул и атомов, можно рассматривать как термодинамическую систему.

Рабочим телом является вещество, способное под действием нагревания и охлаждения изменять свое состояние и позволяющее превращать тепловую энергию в механическую. В теплотехнике в качестве рабочих тел широко применяют газы (чаще – смеси газов) и пары вследствие присущей им упругости и способности в больших пределах изменять свой объем. Точное описание «поведения» газообразных рабочих тел невозможно из-за достаточно сложных зависимостей, характеризующих состояние реальных газов с учетом всего многообразия микроявлений, которые происходят при взаимодействии их молекул. Изучение тепловых процессов значительно упрощается, если в качестве рабочего тела термодинамической системы принять гипо-

тетический газ, молекулы которого не имеют собственного объема и между ними отсутствуют силы сцепления. Такой газ называют идеальным. Введение этого понятия оправданно тем, что результаты расчетов по упрощенным зависимостям, справедливым для идеальных газов, достаточно близко совпадают с результатами экспериментов, проводимых с реальными газами, имеющимися в природе.

Из самого определения идеального газа следует (и это всегда подтверждается на практике), что чем разреженнее реальный газ, чем меньше плотность его молекул, тем меньшую долю занимает их собственный объем, тем меньше силы взаимодействия между молекулами, следовательно, тем больше газ по своим свойствам приближается к идеальному. Наоборот, уплотненный газ, находящийся вблизи состояния насыщения, по своим свойствам значительно отличается от идеального. Использование зависимостей, характерных для идеального газа, приводит при этом к существенным погрешностям. В условиях окружающей нас среды большинство газообразных веществ близко к идеальному газу.

Основные параметры состояния, их измерение

Любое вещество может находиться в одном из трех состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. При заданных условиях рассматриваемое вещество всегда находится лишь в одном неизменном состоянии. Например, в условиях окружающей человека среды воздух находится в газообразном состоянии. Изменяя эти условия, его можно превратить в жидкость или твердое тело.

Для того чтобы однозначно определить состояние рассматриваемого вещества, вводятся характеристики, называемые параметрами состояния. Параметры, которые можно измерить, называются основными: абсолютное давление, абсолютная температура, удельный объем.

Абсолютное давление р представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице этой поверхности. Возникновение этой силы связано с ударными воздействиями множества молекул на граничные стенки. Величина давления зависит от концентрации и подвижности молекул. Абсолютное давление обычно подсчитывается по показаниям двух приборов. В точке 1 (рис. 1.1) абсолютное давление р1 выше атмосферного давления рб, измеряемого барометром, на величину избыточного давления рм, измеряемого манометром. Для этой точки

Таблица 0.1 Соотношения между единицами измерения давления

Тройная точка воды – это температура, при которой все три фазы воды (твердая, жидкая и газообразная) находятся в равновесии; она равна 273,16 K. Температура таяния льда на 0,01 меньше температуры тройной точки и равна

273,15 K.

За параметр состояния рабочего вещества в термодинамике принимают абсолютную термодинамическую температуру Т, измеряемую в кельвинах. В практических измерениях находит применение шкала Цельсия, цена деления которой равна цене деления абсолютной шкалы, однако за начало отсчета принят не абсолютный нуль, а точка таяния льда. Температура, измеренная в градусах Цельсия, обозначается t и связана с Т формулой:

Удельный объем v вещества представляет собой объем единицы массы вещества. Если V – объем (м3), занимаемый телом массой М кг, то удельный объем, м3/кг,

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью вещества, кг/м3:

Объем, занимаемый 1 кг газа, может быть различен в зависимости от условий, при которых он находится. Для удобства сопоставления объемных расходов газа и других практических измерений вводят понятие нормальных