Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Техническая термодинамика и теплопередача

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
6.75 Mб
Скачать

Б.Я. Бендерский

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Курс лекций с краткими биографиями ученых

Издание второе, переработанное

Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве

учебного пособия, для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 652200 - «Двигатели летательных аппаратов» по специальности 130400 - «Ракетные двигатели»

/ ? & с

Москва ♦ Ижевск

УДК 621.1(075) 612.455(075.8) Б46

Рецензенты:

д-р.техн.наук, профессор Емельянов В.Н.

(Балт. гос. техн. ун-т, «Военмех» им. Д.Ф.Устинова) д-р.тех.наук, проф. Кураев А.А. (Новое, гос. техн. ун-т),

канд.техн.наук., доцент Гостев ВА

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

БендерскийБ.Я.

Б46 Техническая термодинамика и теплопередача. Курс лек­ ций с краткими биографиями ученых: Учебное пособие. — Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динами­ ка», 2 0 0 5 .-2 6 4 с.

Курс лекций состоит из двух частей, первая содержит основы технической термодинамики, вторая посвящена теории теплопе­ редачи. В курс включены краткие биографии ученых.

Пособие рекомендовано для студентов, обучающихся по на­ правлению «Двигатели летательных аппаратов» по специальности «Ракетные двигатели»,'И может быть полезно для аспирантов и преподавателей.

ISBN 5-93972-438 -8

©Б.Я. Бендерский, 2005

©НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Предисловие

6

Часть 1. Техническая термодинамика....................................................

7

Глава 1. Основные понятия и определения термодинамики....................

9

1.1. Предмет термодинамики..............................................................

9

1.2. Метод термодинамики..................................................................

10

1.3. Термодинамическая система.......................................................

11

1.4. Параметры состояния...................................................................

15

1.5. Температура

16

1.6. Давление..........................................................................................

18

1.7. Удельный объем.............................................................................

19

1.8. Уравнение состояния....................................................................

20

1.9. Уравнение состояния реальных газов. Уравнение Ван дер

 

Ваальса..................................................................................................

23

1.10. Термодинамические процессы..................................................

25

1.11. Идеальные газы и их смеси.......................................................

27

Глава 2. Первый закон термодинамики

32

2.1. Внутренняя энергия......................................................................

32

2.2. Работа и теплота............................................................................

34

2.3. Теплоемкость..................................................................................

39

2.4. Аналитическое выражение первого закона термодинамики ...

42

2.5. Энтальпия.......................................................................................

45

2.6. Энтропия.........................................................................................

47

2.7. Термодинамические процессы идеальных газов......................

55

Глава 3. Второй закон термодинамики

65

3.1. Формулировка второго закона термодинамики.........................

65

3.2. Прямой и обратный циклы Карно................................................

69

Глава 4. Циклы энергетических установок................................................

76

4.1. Циклы двигателей внутреннего сгорания...................................

76

4.2. Циклы газотурбинных установок.................................................

87

4.3. Процессы в компрессионных машинах......................................

90

4.4. Циклы реактивных двигателей.....................................................

94

Глава 5. Открытые системы.......................................................................

102

5.1. Первый закон термодинамики для открытых систем..............

102

5.2. Сопла и диффузоры.....................................................................

106

5.3. Основные закономерности течения газа в соплах

 

и диффузорах......................................................................................

108

5.4. Особенности истечения из суживающегося сопла................

112

Глава 6.

Водяной пар..............................................................................

118

6.1. Водяной пар. Процесс парообразования...............................

118

6.2. Таблицы и диаграммы водяного пара.....................................

122

Часть 2. Основы теплопередачи..........................................................

125

Глава 1.

Основные понятия и определения............................................

127

1.1. Основы теории теплопередачи

127

1.2. Виды теплообмена.......................................................................

127

1.3. Основной закон теплопроводности(закон Фурье)...................

130

1.4. Вывод дифференциального уравнения теплопроводности.

 

Краевые условия..................................................................................

132

1.5. Классификация краевых задач...................................................

139

1.6.0 методах решения краевых задач...........................................

141

Глава 2. Теплопроводность при стационарном режиме........................

144

2.1. Плоская стенка. Термическое сопротивление.........................

144

2.2. Теплопередача между двумя жидкостями через

 

разделяющую их стенку. Коэффициент теплопередачи................

150

2.3. Многослойная плоская стенка....................................................

152

2.4. Цилиндрическая стенка.............................................................

155

2.5. Контактное термическое сопротивление..................................

158

Глава 3. Теплопроводность при нестационарном режиме..................

160

3.1. Общее решение уравнения нестационарной одномерной

 

теплопроводности..............................................................................

160

3.2. Твердые тела с бесконечно большой теплопроводностью.

 

Расчет нагрева и охлаждения термически тонких тел ....................

163

3.3. Интегральный метод теплового баланса..................................

167

3.4. Метод Швеца...............................................................................

172

Глава 4. Конвекция.....................................................................................

177

4.1. Ламинарный и турбулентный режимы течения........................

177

4.2. Основные уравнения теории конвективного теплообмена....

180

4.3. Критерии подобия. Физический смысл критериев подобия. 186

4.4. Теория подобия применительно к тепловым процессам......

193

4.5. Три теоремы подобия

196

Глава 5. Исследование конвективного теплообмена методами

 

теории пограничного слоя........................................................................

200

5.1.

Вывод уравнений пограничного слоя...................................

202

5.2. Приближенные методы решения уравнений пограничного

 

слоя. Интегральные уравнения Теодора фон Кармана..................

209

5.3. Интегральное соотношение для теплового ламинарного

 

пограничного слоя. Тепловой слой на пластине............................

214

Глава 6. Приближенный расчет трения и теплоотдачи в пограничном

слое...............................................................................................................

217

6.1. Расчет пограничного слоя на плоской пластинке

 

в несжимаемой среде.........................................................................

217

6.2. Приближенный расчет трения и теплообмена в турбулентном

пограничном слое................................................................................

230

6.3. Связь между трением и теплообменом. Аналогия

 

Рейнольдса...........................................................................................

235

6.4. Формулы для расчета конвективного теплообмена в трубах 239

Глава 7. Теплообмен при свободной конвекции...................................

242

7.1. Ламинарный перенос тепла на вертикальной пластине........

242

7.2. Интегральные уравнения пограничного слоя в случае

 

свободной конвекции..........................................................................

245

7.3. Турбулентный перенос тепла на вертикальной пластине....

249

Глава 8. Лучистый теплообмен.................................................................

252

8.1. Описание процесса и основные определения.........................

252

8.2. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде.. 257

Список литературы.....................................................................................

262

ПРЕДИСЛОВИЕ

Любая формула, включенная

в книгу, уменьшает число ее покупателей вдвое.

Стивен Хокинг

Впособии изложены основы технической термодинамики

итеории теплопередачи. В первой части рассмотрены основ­ ные законы технической термодинамики и принципы работы двигателей внутреннего сгорания, компрессионных машин, га­ зотурбинных установок, двигателей летательных аппаратов, ракетных двигателей.

Вторая часть посвящена физическим основам теплообме­ на. Рассмотрены процессы нестационарной и стационарной теплопроводности, свободной и вынужденной конвекции, лу­ чистого теплообмена, кратко изложены теория подобия, при­ ближенные методы расчета трения и теплоотдачи в погранич­ ном слое.

Курс лекций содержит краткие биографии ученых и они, как показал опыт предыдущих изданий, с интересом воспри­ нимаются читателями. Книга издана в «карманном» формате, что очень нравится студентам.

Автор выражает благодарность профессору, д. ф.-м. наук

А.В. Борисову за поддержку в издании пособия и будет при­ знателен за пожелания и замечания, которые следует направ­ лять по адресу: 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1, Институт компьютерных исследований.

Автор

ЧАСТЬ 1

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Что труднее всего на свете видеть своими глазами?

То, что лежит перед нами.

Гете

1 .1 . Предмет термодинамики

Среди физиков бытует следующее определение термодинамики:

«Термодинамика — палка о трех началах».

Исторически термодинамика возникла как наука, изучаю­ щая переход теплоты в механическую работу, что диктовалось, прежде всего, необходимостью дать теоретические основы работы тепловых машин.

Современная термодинамика есть наука, изучающая вза­ имную связь между тепловой и другими видами энергии и вли­ яние этой связи на свойства физических тел. Особенностью термодинамики является рассмотрение процессов, происхо­ дящих в природе, с точки зрения превращения энергий в этих процессах.

Термодинамика - наука о закономерностях взаимного пре­ образования различных видов энергии.

Техническая термодинамика - раздел термодинамики, изу­ чающий процессы, явления и устройства, в которых осущес­ твляется всевозможное преобразование теплоты в работу. Она положена в основу расчета и проектирования тепловых дви­ гателей, а также различного технологического оборудования.

Термодинамика есть логическое развитие трех законов, ле­ жащих в ее основе и являющихся обобщением огромного че­ ловеческого опыта.

Предмет

термодинамики 9

Первое начало термодинамики есть закон сохранения и превращения энергии.

Второе начало термодинамики характеризует направ­ ление протекания термодинамического процесса.

Третье начало термодинамики утверждает, что абсо­ лютный нуль температуры недостижим.

1 .2 . Метод термодинамики

Метод решения хорош, если с самого начала мы можем предвидеть — и впоследствии подтвердить это— что,

следуя этому методу, мы достигаем цели.

Лейбниц

Существует два подхода при изучении физических явлений:

1.Феноменологический.

2.Статистический.

Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет собой содержание статистической физики.

Феноменологический метод не требует привлечения мо­ дельных представлений о структуре вещества, т.е. рассматри­ вает явление в целом.

Термодинамика относится к дисциплине первого подхода. Термодинамика имеет свои преимущества и недостатки пе­ ред молекулярно-кинетической теорией вещества. Преимуще­ ство ее в том, что она не делает никаких гипотез, поэтому ее положения так же достоверны, как и законы, на которых она

основана.

К недостаткам термодинамики необходимо отнести отсут­ ствие наглядности и невозможность объяснить с ее помощью принты происходящих процессов.

10 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1 .3 . Термодинамическая система

В этом мире наша первая обязанность

состоит в том, чтобы устраивать произвольные островки порядка и системы.

Винер

В термодинамике рассматриваются только макроскопичес­ кие тела, которые носят общее название термодинамической системы.

Термодинамическая система - это материальное тело (или совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом.

Тела, не входящие в термодинамическую систему, назы­ вают окружающей (внешней) средой. От системы она отделя­ ется контрольной поверхностью (оболочкой).

Рис. 1. Термодинамическая система и окружающая среда

Так, для простейшей термодинамической системы, изоб­ раженной на рис. 1 и состоящей из газа, заключенного в ци­ линдре 1 под поршнем 2 со штоком 3, внешней средой являет­ ся окружающий воздух, а контрольными поверхностями — стенки цилиндра 1 и поршень 2.

Термодинамическая система может энергетически взаи­ модействовать с окружающей средой и другими системами, а также обмениваться с ними веществом.

Соседние файлы в папке книги