Задачник по теплотехнике ч1

Р.А.МОЛЧАНОВА, Г.Д. ТЕЛЯШЕВА, И.В.НОВОСЕЛОВ, Ф.М. ХАФИЗОВ

ЗАДАЧНИК (черновик)

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

УФА 2010

1

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Р.А.МОЛЧАНОВА, Г.Д. ТЕЛЯШЕВА, И.В.НОВОСЕЛОВ Ф.М. ХАФИЗОВ

ЗАДАЧНИК ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ Ч.I, ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Учебно-методическое пособие для проведения практических занятий по дисциплине

«Теоретические основы теплотехники» часть 1

Уфа 2010

2

УДК 536.24 ББК 31.31 Т31

Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ в качестве учебно-методического пособия

Рецензенты:

Ведущий специалист АНО «Центр Энергосбережения РБ», доктор технических наук Е.А. Смородов

Заведующий лабораторией ГУП ИНХП, кандидат технических наук А.В. Подшивалин

Р.А. Молчанова, Г.Д. Теляшева, И.В. Новоселов, Ф.М. Хафизов

Т31 Задачник по теплотехнике, ч.I, Техническая термодинамика.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008.– 53 с.

ISBN 978-5-7831-0832-7

Составлено в соответствии с утвержденной программой дисциплины «Теплотехника». Изложена теория термодинамики применительно к практическим занятиям, приведен перечень задач, решаемых студентами на практических занятиях, некоторые задачи даны по вариантам.

УДК 536.24 ББК 31.31

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. Основы термодинамики были заложены в XIX в., когда в связи с раз-

витием тепловых двигателей возникла необходимость изучения закономерностей превращения теплоты в работу.

Принцип построения термодинамики прост. В основу термодинамики заложены два основных закона (или «начала»), установленные опытным путем. Первый закон термодинамики характеризует количественную сторону процессов превращения энергии, а второй закон устанавливает качественную сторону (направленность) процессов, происходящих в физических системах. Используя только эти два закона, методом строгой дедукции можно получить все основные выводы термодинамики.

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим процессам.

Второй закон установлен опытным путем, при наблюдении превращений энергии в макросистемах.

Для термодинамики характерен феноменологический подход, т.е. рассматривается явление (феномен) в целом без уточнения структуры вещества на микроуровне.

5

1. Параметры состояния

Параметр состояния термодинамической системы - это такой ее показатель, изменение которого приводит к изменению состояния системы. При отсутствии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние однородной системы может быть однозначно определено тремя параметрами. К ним относятся: абсолютное давление, абсолютная температура и полный или удельный объем. Эти три параметра состояния на-

зываются термическими параметрами состояния.

Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярнокинетической теорией давление газа определяется соотношением

где n — число молекул в единице объема;

m — масса молекулы; с2 - средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.

В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях (1 Па =1 Н/м2). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа = 1000 Па и 1 МПа = 106 Па. Давление также можно измерять высотой столба жидкости (ртути, воды, спирта и др.), уравновешивающего давление газа (воздуха).

Для измерения атмосферного давления используются барометры. Измерение давления в различных устройствах производится с помощью манометров и вакуумметров.

Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, представляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р измеряемой среды и атмосферным давлением pатм, т.е.

ризб р ратм.

Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуумметрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума):

рвак ратм р,

т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным.

Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление. Именно оно входит в термодинамические уравнения.

6

Температурой называется физическая величина, характери-

зующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества:

где kB — 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 широко применяется градус Цельсия (°С). Соотношение между абсолютной Т и стоградусной 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 однородное тело массой М занимает объем V, то по определению

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 = 273,15 K.

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.

7

Задачи

1.1.Давление воздуха, измеренное ртутным барометром, равно 765 мм рт.ст. при температуре t = 20 С. Выразить это давление в паскалях.

1.2.Найти абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает р = 0,13 МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру

составляет В = 680 мм рт.ст. при t = 25 С.

Рекомендации: Поскольку показание барометра получено при температуре ртути t = 25 С, то необходимо привести его к 0 С по формуле:

B0 B (1 0,000172 t)

1.3.Какая высота водяного столба соответствует 10 Па?

1.4.Какая высота ртутного столба соответствует 100 кПа?

1.5.Определить абсолютное давление в конденсаторе паровой турбины, если показание присоединенного к нему ртутного вакуумметра равно 705 мм рт.ст., а показание ртутного барометра, приведенное к 0

С В0 = 747 мм рт.ст. Температура воздуха в месте установки приборов t = 20 С. Ответ дать в кПа.

1.6. Показания манометра на газопроводе составляют р кгс/см2. Определить абсолютное давление газа в газопроводе в Па.

1.7. Присоединенный к газоходу парового котла тягомер показывает разрежение, равное 780 Па. Определить абсолютное давление дымовых газов, если показание барометра В = 760 мм рт.ст. при t = 0 С.

1.8. Тягомер показывает разрежение в газоходе, равное 412 Па. Атмосферное давление по ртутному барометру В = 100925 Па при t = 15С. Определить абсолютное давление дымовых газов.

1.9.Плотность воздуха при определенных условиях равна 1,293 кг/м3. Определить удельный объем воздуха при этих условиях.

1.10.В сосуде объемом 0,9 м3 находится 1,5 кг окиси углерода. Определить удельный объем и плотность окиси углерода при указанных условиях.

1.11.Давление воздуха по ртутному барометру равно 770 мм при t=0 °С. Определить это давление в барах и н/м2.

1.12.Определить абсолютное давление в паровом котле, если манометр показывает 2,45 бар, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет В=700 мм при t=20 °С.

8

1.13. Масса V м3 метана при определенных условиях составляет M кг. Определить плотность и удельный объем метана при этих условиях.

1.14.Какой высоте водяного столба соответствует 1 мм рт.ст.?

1.15.Какой высоте водяного столба соответствует давление 1 кГ/м2?

1.16.Первой температурной шкалой была шкала, изобретенная Габриэлем Фарен-

гейтом в 1724 г. На ней были указаны три опорные точки: температура смеси воды, льда и поваренной соли (0F), температура тающего льда (32F) и температура

тела человека (96F). Температура кипения воды при этом составляла 212F. Шка-

ла Фаренгейта существует и поныне, например, в США пользуются только этой шкалой.

В1730 году французский естествоиспытатель Рене Реомюр предложил свою

шкалу. Опорная точка на этой шкале – температура таяния льда. Температура кипения воды по этой шкале составила 80R. В нашей стране термометрами Реомюра пользовались до 1869г.

Вконечном итоге верх взяла шкала Андерса Цельсия, шведского профессора астрономии, предложенная им в 1742 г. Он остановился на двух опорных точках – температуре таяния льда (100) и температуре кипения воды (0). Вскоре из-

вестный ботаник Карл Линней поменял местами опорные точки, и термометр

Цельсия приобрел привычный для нас вид.

Исходя из сказанного, вывести формулы пересчета температур по Реомюру и Фаренгейту в температуру по Цельсию и наоборот .

1.17.Определить нормальную температуру человеческого тела по шкале Фаренгейта.

1.18.Знаменитый американский писатель-фантаст Рэй Брэдбери написал роман «451о по Фаренгейту». Как поясняется в романе, данная величина представляет температуру воспламенения бумаги. Определить температуру воспламенения бумаги в градусах Цельсия.

1.19.В лекциях Чаплина В.М. по отоплению и вентиляции для 3-го курса Императорского Московского Технического Училища (1903 г.) приводятся следующие значения нормальных температур внутри помещений.

9

Выразить данные температуры в градусах Цельсия.

10