Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

ЛЕКЦИИ

по курсу «Техническая термодинамика

и тепломассообмен»

Курнакова Наталья Юрьевна

Новочеркасск

ЮРГТУ (НПИ)

2010 г.

Оглавление

I. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА………………………………………..5

1. Предмет и метод технической термодинамики…………………………………….5

2. Основные определения. Термодинамическая система…………………………….6

3. Термические параметры состояния .……………………………………………9

3.1. Связь между термическими параметрами (уравнение состояния)…………..13

4. Калорические параметры состояния (внутренняя энергия,

энтальпия и энтропия)……………………………………………………………….15

5. Термодинамический процесс и его энергетические

характеристика (работа и теплота)………………………………………………….18

5.1. Аналитическое выражение для работы и теплоты процесса.

Теплоемкость……………………………………………………………………20

5.1.1. Работа изменения объема. PV-диаграмма………………………………….20

5.2. Полезная внешняя (техническая) работа. Энтальпия…………………………22

5.3. Вычисление количества теплоты………………………………………………23

5.4. Теплоемкость - основные понятия и определения……………………………25

5.4.1. Теплоёмкости при постоянном объёме и давлении……………………….27

6. Первый закон термодинамики……………………………………………………….28

6.1. Термодинамические процессы с идеальным газом…………………………...32

а. Изобарный процесс………………………………………………………………33

б. Изохорный процесс……………………………………………………………..35

в. Изотермический процесс……………………………………………………….37

г. Адиабатный процесс……………………………………………………………40

д. Политропные процессы………………………………………………………...43

7. Компрессоры…………………………………………………………………………46

7.1 Рабочий процесс поршневого компрессора……………………………………46

8. Второй закон термодинамики………………………………………………………52

8.1. Сущность и формулировки второго закона термодинамики..........................52

8.2. Обратимые и необратимые процессы…………………………………………54

8.3. Круговые термодинамические процессы или циклы………………………..55

8.4. Термический коэффициент полезного действия……………………………56

8.5. Аналитическое выражение второго закона термодинамики.

Цикл Карно……………………………………………………………………56

8.6. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах……………..59

9. Термодинамическая эффективность циклов

теплосиловых установок……………………………………………………………………..60

9.1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания………………………….63

9.2. Циклы газотурбинных установок………………………………………………...66

9.3. Циклы паротурбинных установок…………………………………………….…69

9.3.1. Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара.

Регенерация теплоты………………………………………………………..….70

9.3.2. Цикл Ренкина на перегретом паре………………………………………....73

9.3.3. Общая характеристика холодильных установок……………………….81

10. Водяной пар………………………………………………………………………84

10.1. Основные понятия и определения…………………………………………84

10.2. hs - диаграмма водяного пара………………………………………………87

10.3. Основные процессы с водяным паром…………………………………….89

10.4. Определение параметров воды и водяного пара………………………….90

11. Влажный воздух……………………………………………………………………92

11.1. Id диаграмма влажного воздуха……………………………………………..94

II.ТЕПЛОПЕРЕДАЧА…………………………………………………………..97

1. Виды теплообмена…………………………………………………………………..97

2. Теплопроводность…………………………………………………………………..100

2.1. Основной закон теплопроводности………………………………………….100

2.2. Теплопроводность плоской стенки………………………………………….102

2.3. Теплопроводность цилиндрической стенки……………………………..…106

2.4. Теплопроводность шаровой стенки…………………………………………108

3. Конвективный теплообмен…………………………………………………………110

3.1. Уравнение теплоотдачи………………………………………………………116

3.2. Основы теории подобия………………………………………………………118

3.3. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в трубах………………..122

3.4. Теплообмен при турбулентном движении жидкости в трубах……………125

3.5. Теплоотдача при внешнем обтекании пучков труб………………………..126

3.6. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя……………………129

4. Лучистый теплообмен …………………………………………………………….131

4.1. Основные определения………………………………………………………131

4.2. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде………………..135

4.3. Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде………..137

5. Теплопередача……………………………………………………………………..138

5.1. Плоская стенка……………………………………………………………….138

5.2. Цилиндрическая стенка……………………………………………………..140

5.3. Интенсификация теплопередачи…………………………………………..141

5.4. Тепловая изоляция………………………………………………………….142

6. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов………………………..143

6.1. Типы теплообменных аппаратов…………………………………………..143

6.2. Рекуперативные аппараты…………………………………………………145

6.3. Теплообменные регенеративные и смесительные аппараты……………153

III. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МАССООБМЕНА………………………………..156

1. Основные определения и понятия………………………………………………156

2. Основы массопередачи в системах со свободной

границей раздела фаз…………………………………………………………..160

2.1. Молекулярная диффузия…………………………………………………161

2.2. Конвекция и массоотдача…………………………………………………162

3. Абсорбция………………………………………………………………………164

4. Перегонка жидкостей………………………………………………………….165

4.1. Простая перегонка………………………………………………………..167

5. Жидкая экстракция…………………………………………………………….168

5.1. Экстрактивная и азеотропная ректификация……………………………169

6. Адсорбция и ионный обмен……………………………………………………171

6.1. Основные промышленные адсорбенты и их свойства………………....173

6.2. Устройство и принцип действия адсорберов…………………………..176

6.3. Десорбция………………………………………………………………...178

7. Ионный обмен…………………………………………………………………179

8. Сушка…………………………………………………………………………...182

8.1. Основные характеристики сушки……………………………………….182

8.2. Кинетика процесса сушки……………………………………………….183

9. Кристаллизация………………………………………………………………..184

I. Техническая термодинамика

1. Предмет и метод технической термодинамики

Термодинамика как раздел теоретической физики изучает закономерности преобразования энергии различных видов, сопровождающегося тепловыми явлениями.

Исторически термодинамика возникла в XIX в. в связи с необходимостью изучения закономерностей процессов превращения теплоты в работу в паровых машинах. Однако уже в XX в. термодинамика как наука охватила значительно больший круг вопросов. В настоящее время термодинамические понятия широко применяются в различных областях физики, химии, биологии и во многих других отраслях науки и техники. Особое место занимает термодинамика в формировании материалистического мировоззрения. Таким образом, термодинамика представляет собой одну из самых обширных областей современного естествознания и играет важную роль в системе знаний, необходимых инженеру в его практической деятельности.

Термодинамика базируется на двух основных законах, которые являются обобщением закономерностей, существующих в природе.

Первый закон термодинамики устанавливает количественное соотношение в процессах взаимного преобразования теплоты и работы и является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии.

Второй закон термодинамики характеризует направление естественных (необратимых) процессов и отмечает качественное отличие теплоты и других форм энергии. Этот закон связан с принципом существования энтропии.

Следовательно, термодинамический аппарат базируется на законе сохранения энергии и принципа существования энтропии, на основе которых получают основное уравнение термодинамики. Этим объясняется универсальность термодинамического метода, его применимость к анализу различных физических и химических процессов.

Законы термодинамики не основываются на каких-либо гипотезах относительно строения материи и механизма передачи энергии. Они характеризуют только общие закономерности ее превращения в макроскопических системах, что обеспечивает большую общность термодинамики.

В зависимости от круга рассматриваемых вопросов и целей исследования термодинамику делят на физическую (или общую), химическую, техническую и т. д.

Техническая термодинамика изучает процессы взаимного преобразования теплоты и работы, а также свойства тел, при помощи которых происходит это преобразование. Такие тела называются рабочими телами.

Процессы, связанные с преобразованием и передачей энергии, широко распространены во многих отраслях техники. Поэтому техническая термодинамика имеет большое значение для обширной области техники и является вместе с теорией тепломассообмена фундаментальной инженерной наукой.