Краткий курс лекций «теоретические основы теплотехники. Курс лекций по теплотехнике Краткий курс лекций по теплотехнике для техникумов

Методическая разработка

по дисциплине «Основы гидравлики, теплотехники

и аэродинамики»

«Курс лекций по разделу «Основы теплотехники»»

составил преподаватель

ОГБПОУ РСК

Маркова Н.В.

Рязань, 2016

Аннотация

Методическое пособие представляет собой конспект лекционного материала по разделу «Основы теплотехники» дисциплины «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики». Рекомендуется для студентов среднего профессионального образования при проведении практических занятий и самостоятельного изучения материала (самоподготовки), а также преподавателям в ходе проведения учебных занятий.

Пособие построено в виде лекций с формулами и рисунками, также в конце каждой лекции обозначен рекомендуемый перечень вопросов для самопроверки знаний.

Введение…………………………………………………………………….4

Лекция 1 «Рабочее тело. Основные параметры состояния рабочего тела»…………………………………………………………..5

Лекция 2 «Газовые смеси»……………………………………………..8

Лекция 3 «Работа и теплота»…………………………………………11

Лекция 4 «Теплоемкость, виды»……………………………………..12

Лекция 5 «1-ый закон термодинамики. Энтальпия»………………..14

Лекция 6 «Основные термодинамические процессы»……………...15

Лекция 7 «Физическая сущность 2-го закона термодинамики»……………………………………………………….21

Лекция 8 «Преобразование тепловой энергии в механическую работу»………………………………………………..22

Лекция 9 «Цикл Карно»……………………………………………….24

Заключение………………………………………………………………..27

Введение

Методическое пособие «Курс лекций по предмету «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики»: раздел «Основы теплотехники»» включает в себя разработки лекций, т.е. теоретического материала и вопросы для самопроверки в конце каждой лекции.

Это методическое пособие может быть полезно для студентов дневного отделения и заочного отделений, изучающих дисциплину «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики, а также для студентов выпускного курса при подготовке к итоговому экзамену.

Необходимо помочь студентам лучше усвоить материал, поэтому повышение наглядности существенно усилит эффект восприятия. Такова одна из основных целей этого методического пособия.

1. Лекция 1 «Рабочее тело. Основные параметры состояния рабочего тела»

Термодинамика – наука об энергии и ее свойствах. Она изучает законы превращения энергии в различных, сопровождающихся тепловыми эффектами, процессах.

Термодинамику делят на 3 области: физическая, химическая, техническая.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения теплоты и механической работы. Эта дисциплина служит основой тех инженерных дисциплин, в которых рассматривается теория работы тепловых машин и теплоэнергетических установок.

Термодинамика изучает макроструктурные свойства тел, которые состоят из большого числа частиц.

Термодинамика занимается изучением различных термодинамических систем и их взаимодействием с окружающей средой.

Под окружающей средой понимают всеобъемлющую совокупность тел любой физико-химической природы, заполняющих выбранное пространство.

Термодинамической системой называют совокупность тел, выделенных из окружающей среды в качестве объекта исследования, которые могут находиться в тепловом и механическом взаимодействии как друг с другом, так и с окружающей средой.

Термодинамическую систему, которая не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, но в которой возможны взаимодействия между частями самой системы называют изолированной.

Система, состоящая из частей, находящихся в различных агрегатных состояниях или фазах называется гетерогенной.

Система, состоящая из одной фазы, т.е. имеющая во всех частях одинаковые свойства, называется гомогенной.

Системы или тела, посредством которых выполняются взаимные превращения тепла и механической работы называются рабочими телами.

Принципиально в качестве рабочего тела могут использоваться различные вещества в различных агрегатных состояниях. Однако наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольшими коэффициентами объемного расширения по сравнению с телами, находящимися в других агрегатных состояниях.

В технической термодинамике в качестве рабочего тела принимают идеальный газ.

В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение закономерностей идеального газа на все рассматриваемые газы.

Термодинамическим процессом называется совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система.

Если в результате выполнения нескольких процессов система возвращается в свое первоначальное состояние, то совокупность таких процессов называется круговым процессом или циклом.

Термодинамические системы характеризуются физическими величинами, которые изменяются с изменением состояния самой системы. Эти величины называются параметрами состояния. Основными параметрами являются температура T, абсолютное давление p и удельный объем  .

Температура характеризует степень нагретости тел и определяет направление перехода тепла. Так, если из 2 взаимодействующих тел 1-ое имеет более высокую температуру, чем 2-ое, то тепло будет переходить от 1-ого тела ко 2-ому.

С точки зрения кинетической теории газов температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения элементарных частиц вещества:

k – постоянная Больцмана

– средняя скорость поступательного движения молекул

Из уравнения следует, что при Т = 0 поступательное движение молекул должно прекратиться. Такая температура называется абсолютным нулем.

Термодинамическим параметром состояния является абсолютная температура Т, отсчитываемая от абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Для практических целей используется шкала Цельсия

T = t + 273,15

Давление численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности и направленной по нормали к ней.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории газов давление является результатом ударов молекул об ограничивающие тело поверхности и численно равно:

 - коэффициент сжимаемости, зависящий от размеров молекул и действующих между ними сил.

n – количество молекул, приходящихся на единицу объема газа

Удельный объем – объем единицы вещества (массы или веса).

, [  ] = м 3 /кг

Что изучает термодинамика?

Дайте определение термодинамической системы.

Какое число независимых параметров определяет состояние рабочего тела? Объясните почему.

Приведите пример гомогенной термодинамической системы. Объясните почему.

Приведите пример гетерогенной термодинамической системы. Объясните почему.

Если температура задана в градусах Цельсия, то каким образом перейти от нее к температуре по шкале Кельвина?

2. Лекция 2 «Газовые смеси»

В теплотехнике часто приходится иметь дело не с однородными газами, а с газовыми смесями.

Газовой смесью называется механическая смесь, в которой входящие в ее состав газы сохраняют свою химическую индивидуальность (не вступают между собой в химические реакции). Составляющие смесь газы носят название компонентов.

Основные предпосылки рассмотрения газовых смесей:

Каждый компонент смеси распространяется по всему занимаемому ею объему и подчиняется уравнению состояния:

m i , R i – масса и газовая постоянная i компонента

Под парциальным давлением понимается давление каждого из компонентов при условии заполнения им всего занимаемого смесью объема V см при температуре, равной температуре смеси T см .

Смесь газов оказывает на стенки сосуда давление, равное сумме парциальных давлений (закон Дальтона).

Уравнения состояния и все его виды справедливы и для газовых смесей, если в расчет вводится газовая постоянная смеси R см .

Одной из важных характеристик смеси является ее состав, который определяется количеством каждого из газов, входящих в смесь, и может быть выражен посредством массовых, объемных и мольных долей отдельных компонентов, составляющих смесь.

Задание состава смеси массовыми (весовыми) долями

Массовой (весовой) долей компонента, входящего в смесь называется отношение массы (веса) этого компонента к массе (весу) всей смеси.

Если обозначить массу (вес) i компонента газа m i , массу (вес) смеси m см , то массовая (весовая) доля этого газа будет:

Сумма массовых долей компонентов:

Задание состава смеси объемными долями

Объемной долей компонента, входящего в смесь газов называется отношение парциального (приведенного) объема компонента к объему всей смеси.

V i – парциальный объем i – того компонента.

Под парциальным объемом компонента понимается объем, который он занимал бы при температуре и давлении смеси.

Сумма объемных долей всех компонентов, составляющих смесь равна 1.

Задание состава смеси мольными долями

Мольной долей компонента в смеси называется отношение количества молей рассматриваемого компонента M i к общему количеству молей смеси M см .

Параметры газовых смесей

Средняя молекулярная масса смеси

Под средней молекулярной массой смеси газов μ см понимается молекулярная масса некоторого условного газа, состоящего из одинаковых молекул и имеющих ту же массу и число молекул, что и газовая смесь.

Уравнение определяет молекулярную массу смеси при задании ее состава массовыми (весовыми) долями.

Газовая постоянная смеси

Парциальное давление компонентов смеси

Удельный объем и плотность смеси

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Дайте определение термину «газовая смесь».

Приведите примеры газовых смесей из дисциплины «Природные и искусственные газы».

В чем заключается закон Дальтона?

Перечислите способы задания компонентов газовой смеси. Чему равна сумма всех компонентов?

3. Лекция 3 «Работа и теплота»

При взаимодействии между различными телами работа может передаваться от одного тела к другому в форме работы или теплоты.

Передача энергии телу путем совершения над ним работы всегда связана с изменением внешних условий, например, с изменением формы тела или его перемещением. Работу, совершенную самим телом считают положительной, работу над телом считают отрицательной.

Удельной работой называется работа, приходящаяся на единицу веса или массы вещества.

[а] = H/м

Передача энергии в форме теплоты не связана с изменением положения или формы тел и заключается в непосредственной передаче тепла от более нагретого тела к менее нагретому в результате теплового контакта или излучения. Такая форма обмена энергией называется теплообменом.

Количество тепла, полученного телом в результате теплообмена считают положительным, а отданного – отрицательным.

Удельным количеством тепла называется количество тепла, приходящееся на единицу веса или массы вещества.

[q] = H/м

Таким образом, теплообмен и работа – формы обмена энергией, а количество тепла и количество работы – меры энергии, передаваемой в тепловой и механической формах.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Чем отличается работа от удельной работы?

Дайте определение термину «теплота».

Объясните термин «теплообмен», используя понятие теплоты.

4. Лекция 4 «Теплоемкость, виды»

Теплоемкостью тела называется количество тепла, необходимого для нагревания тела на 1 градус.

В теплотехнических расчетах используют понятие удельной теплоемкости, которую часто называют просто теплоемкостью.

Под удельной теплоемкостью понимается количество тепла, которое нужно затратить, чтобы повысить температуру единицы количества вещества на 1 градус.

В зависимости от принятой единицы измерения количества вещества различают массовую, объемную, мольную теплоемкость.

Массовая обозначается c и измеряется Дж/кг  град

Объемная обозначается c’ и измеряется Дж/м 3  град

Мольная обозначается  c и измеряется Дж/кмоль  град

Связь между рассмотренными теплоемкостями выражается следующими зависимостями:

 - молекулярная масса газа, кг/моль

22,4 – объем, занимаемый 1 кмолем при нормальных условиях, м3/кмоль

 - плотность газа при нормальных условиях, кг/м 3

Теплоемкость зависит от природы и физического состояния тел. Для данного вещества теплоемкость изменяется в зависимости от температуры.

Теплоемкость газовой смеси определяется ее составом. Предположим состав смеси задан массовыми долями g 1 , g 2 , …., при этом с 1 , с 2 ... – массовые теплоемкости отдельных компонентов, входящих в смесь.

Массовая теплоемкость смеси из n – компонентов определяется как

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Что означает термин «теплоемкость»?

Какие виды теплоемкости Вы знаете?

От каких параметров или факторов может зависеть теплоемкость тела?

Какой вид теплоемкости применяют в теплотехнических расчетах?

Назовите зависимости, связывающие между собой различные виды теплоемкости.

5. Лекция 5 «Первый закон термодинамики. Энтальпия»

Энергия является единой как общая мера движения материи.

В соответствии с различными формами движения материи принято говорить о различных формах энергии, например, тепловой, электрической, механической и т.п. Подразделяется энергия на различные виды для того, чтобы указать способ, форму передачи определенного количества вещества от одного тела к другому.

В технической термодинамике рассматривается частный случай закона сохранения и превращения энергии, устанавливающий эквивалентность между теплотой и механической работой и называемый первым законом термодинамики.

Согласно этому закону, независимо от процесса, количество тепла, полностью превращенное в механическую работу, всегда дает строго эквивалентное количество теплоты и наоборот.

Q = A

Если система неподвижна, то аналитическое выражение 1-ого закона термодинамики имеет следующий вид:

Q = Δ U + A

Из этого уравнения следует, что подводимое к системе тепло расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы против действующих на нее внешних сил.

Внутренняя энергия системы U включает энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц вещества, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

Одна из основных особенностей внутренней энергии заключается в том, что она не зависит от процесса, предшествующего данному состоянию рабочего тела, а определяется лишь состоянием рабочего тела.

Энтальпия

Чтобы ввести тело объемом V во внешнюю среду, имеющую давление p c , необходимо произвести работу по вытеснению такого же объема среды. Количество произведенной при этом работы p c · V передается внешней среде и превращается в ее потенциальную энергию.

Следовательно, если неподвижное тело находится во внешней среде с давлением p c , то с любым состоянием тела будет связана некоторая энергия, равная сумме внутренней энергии тела U и потенциальной энергии среды p c · V . Эта потенциальная энергия называется энтальпией.

I = U + p c · V

Энтальпия характеризует полную энергию расширенной термодинамической системы, включающей и тело, и окружающую среду.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Как определяется внутренняя энергия рабочего тела?

Что представляет собой термин «энтальпия» и с какими параметрами тела он связан?

В чем заключается первый закон термодинамики?

Какие виды энергии Вы знаете?

6. Лекция 6 «Основные термодинамические процессы»

Внешним признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния. Различают равновесные и неравновесные процессы.

Под равновесным процессом понимают непрерывную последовательность равновесных состояний, через которые проходит рабочее тело.

Осуществление равновесного процесса возможно при следующих условиях:

давление и температура рабочего тела и окружающей среды равны между собой.

изменение параметров состояния тела происходит на бесконечно малые величины при бесконечно медленном протекании процесса.

изменение параметров состояния происходит одновременно в бесконечно большом числе мест, охватывая все точки рабочего тела.

Равновесный процесс возможен только при взаимодействии рабочего тела с окружающей средой, разобщение рабочего тела с окружающей средой мгновенно обрывает этот процесс.

Только равновесные процессы могут быть изображены графически на диаграммах состояния. В частности, такой диаграммой является графическое изображение равновесного состояния в виде рабочего тела в виде точки и равновесного процесса в виде линии в системе координат p-v.

Равновесные процессы обладают свойством обратимости, т.е. могут осуществляться как в прямом, так и в обратном направлении, поэтому их называют обратимыми. В прямом направлении рабочее тело проходит через равновесные состояния A, C, K, M…B и в обратном состояния через те же состояния B,…, M, K, C, A

При проведении равновесного процесса в прямом и обратном направлениях ни в рабочем теле, ни в окружающей среде не останется никаких изменений.

Примером равновесного процесса может быть процесс медленного сжатия в цилиндре. Газ под действием груза m, расположенного на поршне, находится в равновесном состоянии при давлении p 1 . Если положить на поршень груз, несоизмеримо малый с грузом m (например, песчинку), то внешнее давление возрастет на незначительную величину и поршень очень медленно переместится на бесконечно малую величину. При этом внешнее давление p практически останется равным внутреннему p 1 , и рабочее тело в таком «микропроцессе» будет находиться в равновесном состоянии.

Реальные процессы изменения состояния обычно протекают в условиях взаимодействия рабочего тела и окружающей среды при значительных скоростях и больших разностях между параметрами рабочего тела и окружающей среды. Такие процессы называются неравновесными.

Неравновесные процессы, протекающие только в одном направлении называют необратимыми.

В технической термодинамике условно считают, что параметры состояния имеют одинаковые значения для всех частей рабочего тела, это позволяет использовать уравнения и закономерности для равновесных состояний.

Основными термодинамическими процессами изменения состояния рабочего тела являются следующие: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный.

При исследовании этих процессов решают следующие основные задачи:

находят уравнения процесса, устанавливающие закономерности изменения состоянии рабочего тела и позволяющие получать соотношения между различными параметрами газа в виде индивидуальных зависимостей

выявляют особенности преобразования подведенного к рабочему телу тепла, распределение его между изменением внутренней энергии и совершаемой рабочим телом внешней работой.

Изохорный процесс

Термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме

(изос – равный, хора – пространство)

Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к нему подводится тепло от источника тепла или от него отводится тепло к холодильнику.

У

Словие v = const - уравнение процесса в системе координат P-V, также справедливо

2 ’

Изобарный процесс

Термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении

(изос – равный, барос – тяжесть)

p = const - уравнение процесса или - объем рабочего тела изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры.

Се тепло идет на изменение энтальпии

При расширении газа тепло подводится (1-2), работа процесса выражается площадью + А, при сжатии газа (1-2’) тепло отводится, работа процесса выражается площадью –А.

Изотермический процесс

Термодинамический процесс, протекающий при постоянной температуре

(изос – равный, терме – тепло, жар)

p  V = const - уравнение процесса или

Се тепло сообщаемое рабочему телу идет на совершение внешней работы.

1 – 2 А > 0 работа расширения газа

1- 2’ A < 0 работа сжатия газа

Адиабатный процесс

Термодинамический процесс, осуществляется без теплообмена рабочего тела с окружающей средой

p  Vk = const - уравнение адиабаты Пуассона,

внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии рабочего тела. Адиабата – неравнобокая гипербола.

Политропный процесс

Термодинамический процесс, в котором могут изменяться все основные параметры газа и осуществляется теплообмен между рабочим телом и окружающей средой. Реальные процессы в тепловых машинах, как правило, являются политропными.

p  Vn = const - уравнение политропного процесса

Внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии рабочего тела.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Что такое теплота и сущность процесса?

Объясните отличие равновесных и неравновесных процессов друг от друга.

Приведите пример неравновесного процесса.

Сравните обратимый и необратимый процесс и объясните, какие изменения в ходе этих процессов происходят с рабочим телом.

Кратко охарактеризуйте каждый из термодинамических процессов (изотермический, изобарный, изохорный). Что означает приставка «изо-» для обозначения этих процессов?

6. Опишите, что за процесс изображен на рисунке:

7. Лекция 7 «Физическая сущность 2 закона термодинамики»

1 закон термодинамики устанавливает количественное соотношение между различными видами энергии при их взаимном превращении.

Однако он не дает ответа на вопрос о возможном направлении таких превращений и условиях, при которых преобразование энергии может быть реализовано.

Так наблюдениями установлено, что не все процессы, связанные с передачей и преобразованием различных видов энергии равновозможны. Так, например, распространение энергии от горячих тел к холодным протекает самопроизвольно, но обратные процессы в природе никогда не наблюдаются. Для того, чтобы охладить тело ниже температуры окружающей среды надо затратить энергию.

Особое значение для практики имеет необратимость взаимного преобразования тепла и механической работы. Опыт показывает, что преобразование механической энергии в тепловую всегда происходит полностью и самопроизвольно без каких-либо условий или процессов.

Так, работа трения или удара целиком преобразуется в тепловую энергию и нагревает систему, в которой эти процессы происходят. Однако обратное преобразование тепловой энергии, рассеянной в окружающей среде, в механическую работу самопроизвольно происходить не может.

Наблюдаемые характерные особенности тепловой энергии привели к установлению 2 закона или 2 начала термодинамики.

Существуют ряд эмпирических формулировок этого закона, каждая из которых описывает определенные внешние проявления рассмотренных особенностей теплоты и констатирует необратимость самопроизвольных термодинамических процессов.

Закон термодинамики в формулировке Клаузиса :

Тепло не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более теплому.

Молекулярно-кинетическая теория Больцмана устанавливает, что переход из неравновесного состояния (увеличение давления, температуры и т.п.) в состояние термодинамического равновесия представляет собой процесс, который может осуществляться настолько большим числом способов, что протекает самопроизвольно.

Самопроизвольный выход системы из равновесного состояния имеет ничтожно малое число способов реализации, поэтому считается почти невозможным.

Универсальная формулировка 2 начала термодинамики (Л.Больцман) устанавливает, что в непосредственно окружающей нас природе все явления идут от состояний меньшей вероятности к состояниям большей вероятности.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Сколько формулировок второго начала термодинамики Вы знаете?

Какая из формулировок утверждает, что охлажденное тело не может самостоятельно отдать тепло более нагретому телу?

Почему потребовалось формулировать второй закон термодинамики, а не ограничились существование первого закона?

8. Лекция 8 «Преобразование тепловой энергии в механическую работу»

В реальных тепловых двигателях после каждого цикла обычно происходит смена рабочего тела. Однако возможны и замкнутые циклы, совершаемые с одним и тем же рабочим телом за счет изменения параметров его состояния. С точки зрения термодинамики эти схемы совершенно эквивалентны, поэтому весь дальнейший анализ будем проводить применительно к замкнутым циклам.

При уменьшении объема рабочего тела будет происходить его сжатие с изменением параметров состояния. Чем больше повышаются давление и температура газа, тем выше проходит кривая сжатия и тем больше затрата работы на его осуществление.

При необходимости получения полезной механической работы имеют смысл только такие циклы, в которых работа сжатия А сж меньше работы расширения А р . Эти циклы называются прямыми и лежат в основе работы тепловых двигателей. Полезная работа прямого цикла равна разности работы расширения А р и сжатия А сж . А = А р - А сж

В обратных циклах А р < А сж , поэтому работа обратного цикла отрицательна, и он используется в холодильных установках.

Таким образом, в непрерывно действующем тепловом двигателе необходимо периодическое повторение прямых циклов, в которых процесс сжатия должен характеризоваться минимальной затратой энергии.

Непременным условием преобразования тепловой энергии в механическую является прямая или косвенная затрата части тепла, подведенного в цикле, на возвращение рабочего тела в состояние минимального объема.

С учетом этого условия была предложена еще одна формулировка 2 закона термодинамики : Невозможно создать периодически действующую машину, которая бы производила механическую работу только за счет охлаждения источника теплоты, не отдавая части тепла холодильнику.

Основным показателем эффективности циклов тепловых двигателей является их термический или термодинамический коэффициент полезного действия η . Он определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую в прямом цикле и представляет отношение величины тепловой энергии (Q), преобразованной в механическую работу, ко всему подведенному теплу (q 1 ).

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

Что означает термин «термодинамический цикл?

Как объяснить отличие прямого и обратного цикла?

Назовите основной показатель эффективности работы теплового двигателя.

Объясните термины «работа расширения» и «работа сжатия», в чем они различаются?

9. Лекция 9 «Цикл Карно»

2 закон термодинамики показывает, что обязательным условием преобразования теплоты в механическую работу является компенсирующий процесс передачи тепловой энергии холодильнику.

Важно рассмотреть вопрос о предельном КПД тепловых двигателей, идеализируя термодинамические процессы.

Французский ученый С.Карно предложил цикл, который состоит только из обратимых процессов, совершаемых с идеальным рабочим телом. При этом он использовал такие термодинамические процессы, которые наилучшим образом удовлетворяют назначению в цикле.

Подвод и отвод теплоты в цикле выполняется изотермически, т.к. только в этом случае обеспечивается их обратимость.

Процессы сжатия и расширения протекают адиабатно, т.е. наиболее экономичным образом без внешних тепловых потерь.

Двигатель, работающий по циклу Карно, можно представить в виде поршневой машины, цилиндр которой заполнен идеальным газом. Газ периодически приводится в соприкосновение с горячим источником, имеющим температуру Т 1 или с холодильником, имеющим температуру Т 2 . Пусть газ первоначально находится при температуре Т 1 и имеет давление p 1 . При нагревании рабочего тела от горячего источника происходит изотермическое расширение 1-2 с подводом теплоты q 1 . После этого горячий источник удаляется и газ самопроизвольно расширяется без внешнего теплообмена, т.е. по адиабате 2-3 до температуры Т 2 . При осуществлении процесса расширения двигатель производит механическую работу.

По окончании расширения цилиндр приводится в соприкосновение с холодильником, имеющим температуру Т 2 , и за счет механической энергии, запасенной в аккумуляторе, осуществляется изотермическое сжатие 3-4 с отводом теплоты q 2 . Затем рабочее тело возвращается в исходное состояние путем адиабатного сжатия 4-1.

В результате осуществления цикла Карно рабочее тело совершает полезную работу А, эквивалентную площади, заключенной внутри контура 1-2-3-4.

Выводы:

Термический КПД обратимого цикла, осуществляемого между 2 источника тепла, не зависит от свойств рабочего тела, при помощи которого он реализуется.

Термический КПД обратимого цикла Карно практически не может быть равен 1 и его величина зависит от интервала температур

Т 1 и Т 2 , в котором осуществляется цикл. Чем выше температура горячего источника и чем ниже температура холодильника, тем больше полезная работа цикла.

Цикл Карно, составленный из наиболее целесообразных термодинамических обратимых процессов, обладает максимальным КПД из всех возможных циклов, осуществляемых в том же интервале температур.

Практически цикл Карно осуществить трудно и даже нецелесообразно по причине малой удельной работы и необходимости значительно увеличить габариты двигателя.

Вопросы для самостоятельной проверки знаний учащихся:

1. Объясните, какими причинами было обусловлена формулировка цикла Карно?

2. Из каких термодинамических процессов состоит цикл Карно? Охарактеризуйте каждый из них.

3. Какое значение для цикла Карно имеют адиабатные процессы?

4. Сформулируйте универсальную формулировку второго начала термодинамики.

Заключение

Со своей стороны хочется пожелать студентам успешного освоения и усвоения рассматриваемого материала и надеюсь, что данный конспект лекций будет помощью при изучении раздела «Основы теплотехники».

Приведенные в конце каждой лекции вопросы для самоподготовки помогут проверить качество изученного материала и обратить внимание на определенные вопросы, а материал с формулами и рисунками послужит хорошей теоретической базой для проведения занятий и выполнения домашних заданий.

С уважением, Маркова Н.В.

Брюханов О.Н. Основы гидравлики и теплотехники: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования / Брюханов О.Н., Мелик-Аракелян А.Т., Коробко В.И - М.: ИЦ Академия, 2008. - 240 c.

Брюханов О.Н. Основы Гидравлики, теплотехники и аэродинамики: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования / Брюханов О.Н., Мелик-Аракелян А.Т., Коробко В.И. - М.: Инфра-М, 2014, 253 с.

Прибытков И.А. Теоретические основы теплотехники: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования/ Прибытков И.А., Левицкий И.А. - М.: Академия, 2004

Гдалев А.В. Теплотехника: Учебное пособие / Гдалев А.В. - Саратов: Научная книга, 2012.- 287 c.

Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М «Теплотехника» - М.: Высшая школа, 2000. – 671 с.

Ртищева А.С. Теоретические основы гидравлики и теплотехники: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 171 с.

ведущий инженер кафедры ТГП физического факультета

физико-технического института.

Раздел I. Техническая термодинамика.

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1. Введение1.2. Термодинамическая система.1.3. Параметры состояния.1.4. Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Тема 2. Первый закон термодинамики.

2.1. Теплота и работа.2.2. Внутренняя энергия.2.3. Первый закон термодинамики.2.4. Теплоемкость газа.2.5. Универсальное уравнение состояния идеального газа.2.6. Смесь идеальных газов.

Тема 3. Второй закон термодинамики.

3.1. Основные положения второго закона термодинамики.3.2. Энтропия.3.3. Цикл и теоремы Карно.

Тема 4. Термодинамические процессы.

4.1. Метод исследования т/д процессов.4.2. Изопроцессы идеального газа.4.3. Политропный процесс.

Тема 5. Термодинамика потока.

5.1. Первый закон термодинамики для потока.5.2. Критическое давление и скорость. Сопло Лаваля.5.3.Дросселирование.

Тема 6. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух.

6.1. Свойства реальных газов.6.2. Уравнения состояния реального газа.6.3. Понятия о водяном паре.6.4. Характеристика влажного воздуха.

Тема 7. Термодинамические циклы.

7.1. Циклы паротурбинных установок (ПТУ).7.2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).7.3. Циклы газотурбинных установок (ГТУ).Тестовый контроль по разделу

Раздел II. Основы теории теплообмена.

Тема 8. Основные понятия и определения. Тема 9.Теплопроводность.

9.1. Температурное поле. Уравнение теплопроводности.9.2. Стационарная теплопроводность через плоскую стенку.9.3. Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.9.4. Стационарная теплопроводность через шаровую стенку.

Тема 10. Конвективный теплообмен.

10.1. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен. 10.2.Закон Ньютона-Рихмана.10.3. Краткие сведения из теории подобия.10.4. Критериальные уравнения конвективного теплообмена.10.5. Расчетные формулы конвективного теплообмена.

Тема 11. Тепловое излучение.

11.1. Общие сведения о тепловом излучении.11.2. Основные законы теплового излучения

Тема 12.Теплопередача.

12.1. Теплопередача через плоскую стенку.12.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку.12.3. Типы теплообменных аппаратов.12.4. Расчет теплообменных аппаратов. Тестовый контроль по разделу

Раздел III. Теплоэнергетические установки.

Тема 13. Энергетическое топливо.

13.1. Состав топлива.13.2. Характеристика топлива.13.3. Моторные топлива для поршневых ДВС.

Тема 14. Котельные установки.

14.1. Котельный агрегат и его элементы.14.2. Вспомогательное оборудование котельной установки.14.3. Тепловой баланс котельного агрегата.

Тема 15. Топочные устройства.

15.1. Топочные устройства. 15.2. Сжигание топлива.15.3. Теплотехнические показатели работы топок.

Тема 16.Горение топлива.

16.1. Физический процесс горения топлива.16.2. Определение теоретического и действительного расхода воздуха на горение топлива.16.3. Количество продуктов сгорания топлива.

Тема 17. Компрессорные установки.

17.1. Объемный компрессор.17.2. Лопаточный компрессор.

Тема 18. Вопросы экологии при использовании теплоты.

18.1. Токсичные газы продуктов сгорания.18.2. Воздействия токсичных газов.18.3. Последствия "парникового" эффекта.Литература

Раздел I. Техническая термодинамика

Тема 1. Введение. Основные понятия и определения.

1.1 Введение

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое итехнологическое . При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств). Количество производимых и потребляемых энергоресурсов огромно. По данным Минтопэнерго РФ и фирмы "Shell" динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

* тут – тонна условного топлива. Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты. Данный курс является общетехнической дисциплиной при подготовке специалистов технической специальности.

1. Основные понятия и определения

1.1. Введение

Теплотехника - наука, которая изучает:

Методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты;

Принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Различают энергетическое и технологическое использование теплоты.

При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в электрических машинах - генераторах - создается электрическая энергия. Теплоту при этом получают на котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

При технологическом использовании с помощью теплоты изменяют свойства тел (расплавление, затвердевание, изменение структуры и свойств).

Теоретическая основа теплотехники - термодинамика (ТД) - рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты и работы. ТД устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах , а также свойства этих тел при различных физических условиях.

Термодинамика опирается на два основных закона (начала) термодинамики .

Техническая ТД, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей и исследовать протекающие в них процессы.

Один из теоретических разделов теплотехники - технические основы теории теплообмена . В этом разделе исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты.

1.2. Термодинамическая система

Объект исследования ТД - термодинамическая система , которой могут быть группа тел, тело или часть тела. Находящееся вне системы называется её окружающей средой.

ТД система - это совокупность макроскопических тел, способных обмениваться энергией и веществом друг с другом и окружающей средой. Например, ТД система - это газ, находящийся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда - цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Закрытая система - ТД система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом, в отличие от открытой системы , которая обменивается с другими телами и энергией и веществом.

Изолированная система - система, не взаимодействующая с окружающей средой(не обменивающаяся с окружающей средой ничем).

Адиабатная (теплоизолированная) система - система с адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой.

Однородная система - система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

Гомогенная система - однородная по составу и физическому строению система, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).

Гетерогенная система - система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).

В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел - газа, пара.