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 пара-метрами.

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 гипотетический 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.