- •1Техническая термодинамика
- •Тема 1. Основные термодинамические понятия и законы
- •1.1.Предмет и метод технической термодинамики
- •1.2.Термодинамическая система
- •1.3.Термодинамическое состояние и термодинамический процесс
- •1.4.Термические и калорические параметры состояния
- •1.4.1.Термические параметры состояния
- •1.4.2.Калорические параметры состояния
- •1.5.Законы идеальных газов
- •1.5.1.Закон Бойля-Мариота
- •1.5.2.Закон Гей-Люссака
- •1.5.3.Закон Авогадро
- •1.6.Уравнение состояния
- •1.7.Работа изменения объёма газа
- •Тема 2. Теплоёмкость газов
- •2.1.Массовая, объёмная и мольная удельные теплоёмкости
- •2.2.Средняя и истинная теплоёмкости
- •2.3.Теплоёмкости при постоянном объёме и давлении
- •2.4. Таблицы теплоёмкости
- •2.5.Теплоёмкость смеси рабочих тел (газовой смеси)
- •Тема 3. Первый закон термодинамики
- •3.1.Сущность первого закона термодинамики
- •3.2. Аналитическое выражение первого закона термодинамики для цикла и разомкнутого процесса
- •3.3. Уравнение первого закона термодинамики для движущегося рабочего тела
- •Тема 4. Термодинамические процессы
- •4.1.Схема анализа изменения состояния рабочего тела
- •4.2.Термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, политропный
- •4.2.4.Адиабатный процесс
- •4.2.5. Политропный процесс
- •Тема 5. Второй закон термодинамики
- •5.1.Сущность и формулировки второго закона термодинамики
- •5.2.Обратимые и необратимые процессы
- •5.3.Круговые термодинамические процессы или циклы
- •5.4.Термический коэффициент полезного действия
- •5.5.Аналитическое выражение второго закона термодинамики
- •5.5.1.Цикл Карно
- •5.5.2.Соотношения, связанные с циклом Карно
- •5.6.Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах
- •Тема 6.Водяной пар
- •6.1.Основные понятия и определения
- •6.2.Схема парогенератора
- •6.3.Процесс парообразования в pv-координатах
- •6.4.Таблицы водяного пара
- •6.6.Процессы водяного пара на is-диаграмме
- •Тема 7. Тепловые двигатели
- •7.1.Классификация и принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •7.2.Цикл д. В. С. С подводом тепла при постоянном объёме (цикл Отто)
- •7.3.Цикл д. В. С. С подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля)
- •Тема 8. Паросиловые установки
- •8.1.Принципиальная схема паросиловой установки
- •8.2.Цикл Ренкина
- •8.3.Влияние параметров пара на термический к. П. Д. Цикла Ренкина
- •8.4.Пути повышения экономичности паросиловых установок
- •Тема 9. Теплопроводность
- •9.1.Основные понятия и определения
- •9.2.Закон Фурье
- •9.3.Коэффициент теплопроводности
- •9.4.Дифференциальное уравнение теплопроводности в плоской стенке при граничных условиях первого рода
- •9.4.1.Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •9.4.2.Краевые условия
- •9.4.3.Теплопроводность через плоскую стенку при граничных условиях первого рода
9.4.1.Дифференциальное уравнение теплопроводности
Решение задач теплопроводности связано с определением поля температур и тепловых потоков. Для установления зависимости между величинами, характеризующими явление теплопроводности, воспользуемся методом математической физики, который рассматривает протекание физических процессов в произвольно выделенном из всего рассматриваемого пространства элементарном объеме и в течение бесконечно малого промежутка времени. Это позволяет пренебречь изменением некоторых величин и существенно упростить выкладки.
При выводе дифференциального уравнения теплопроводности считаем, что тело однородно и изотропно (то есть физические свойства тела не зависят от выбранного в нём направления), физические параметры λ, с(теплоемкость), иρ(плотность) постоянны, внутренние источники теплоты равномерно распределены в теле. Под внутренними источниками теплоты понимаются тепловыделения, например, в тепловыделяющих элементах атомных реакторов, или при прохождении тока в электрических проводниках. Внутренние источники теплоты характеризуются величинойqv— количеством теплоты, которое выделяется в единице объема в единицу времени.
В основу вывода положен закон сохранения энергии, согласно которому вся теплота, выделенная внутренними источниками dQвни внесенная извне в элементарный объем путем теплопроводностиdQmза времяdτ, идет на изменение внутренней энергии вещества, содержащегося в этом объеме:
. |
(9.10) |
Выделим в теле элементарный параллелепипед с ребрами dx, dy, dz(рис. 9.1). Количество теплоты, которое проходит путем теплопроводности внутрь выделенного объема в направлении оси ОX через элементарную площадкуdy·dzза времяdτ:
Рис. 9.1. К выводу дифференциального уравнения теплопроводности |
. |
На противоположной грани параллелепипеда температура получит приращение и будет составлять .
Количество тепла, отведенного через эту грань:
. |
. |
Аналогично:
. |
Полное количество теплоты внесено в элементарный параллелепипед путем теплопроводности
. |
Здесь произведение dx·dy·dzпредставляет собой объем элементарного параллелепипедаdv. Количество теплоты, которое выделилось в элементарном объеме за счет внутренних источников:
. |
Приращение внутренней энергии можно выразить через массу параллелепипеда ρ·dv, теплоемкостьси приращение температуры :
. |
Подставляя выражения для dQm, dQвниdUв уравнение (9.10), после соответствующих сокращений получаем:
. |
(9.11) |
Сумма вторых частных производных любой функции в математическом анализе носит название оператора Лапласа и обозначается следующим образом:
. |
Величину называют коэффициентом температуропроводности и обозначают буквойa. В указанных обозначениях уравнение (9.11) примет вид:
. |
(9.12) |
Это уравнение называется дифференциальным уравнением теплопроводности или уравнением Фурье и лежит в основе математической теории теплопроводности. Коэффициент температуропроводности aявляется физическим параметром вещества. Из уравнения (9.12) следует, что изменение температуры во времени для любой точки тела пропорционально величинеa.