Техническая термодинамика

  

Программированное учебное пособие для студентов авиационных вузов

 

Изложены основы технической термодинамики: первый и второй законы термодинамики и их приложение к анализу термодинамических процессов и циклов тепловых машин (поршневых, реактивных и ракетных двигателей, компрессоров). Рассмотрены основы термодинамики реальных газов и паров, паровые циклы, термодинамическая теория истечения газов и паров, процесс дросселирования.
Учебное пособие содержит 76 контрольных карточек. В конце каждого раздела помещены заключительные контрольные вопросы (более 90 вопросов) и задачи (более 50 задач) с ответами и решениями.
 

Автор глубоко благодарен коллективу кафедры авиационной и космической теплотехники Московского авиационного института и особенно проф. В.П.Бурдакову за ценные замечания и помощь в работе.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие
Введение
Раздел I. Первый закон термодинамики и его приложения к идеальным газам
1. Первый закон термодинамики
1.1. Основные понятия и определения термодинамики
1.2. Принцип эквивалентности
1.3. Первый закон термодинамики
1.4. Различные выражения основного уравнения первого закона термодинамики
        в развернутом виде
2. Приложение первого закона термодинамики к идеальным газам.
2.1. Уравнение состояния идеального газа
2.2. Смесь идеальных газов
2.3. Теплоемкость тел.
2.4. Подсчет величины изменения внутренней энергии
2.5. Энтропия и ее изменения в обратимых термодинамических процессах
3. Термодинамические процессы с идеальными газами.
3.1. Политропный процесс
3.2. Изохорный процесс
3.3. Изобарный процесс
3.4. Изотермический процесс
3.5. Адиабатный процесс
3.6. Исследование политропных процессов.
Контрольные вопросы..
Задачи.
Раздел II. Второй закон термодинамики и его приложения к идеальным газам
4. Второй закон термодинамики
4.1. Общие положения второго закона термодинамики
4.2. Второй закон термодинамики и теория теплового двигателя.
4.3. Понятия термического (термодинамического) коэффициента полезного действия
4.4. Цикл Карно
4.5. Абсолютная термодинамическая температура
5. Энтропия
5.1. Энтропия и ее изменение в обратимых циклах.
5.2. Изменения энтропии в незамкнутом обратимом процессе.
5.3. Изменения энтропии в необратимых процессах и циклах
5.4. Изменения энтропии в изолированной системе
Контрольные вопросы..
Задачи.
Раздел III. Термодинамические циклы
6. Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
6.1. Прямой газовый изохорный цикл неполного расширения..
6.2. Прямой газовый изобарный цикл неполного расширения..
6.3. Сравнение изохорного и изобарного циклов неполного расширения.
6.4. Прямой газовый смешанный цикл неполного расширения..
7. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей...
7.1. Прямой газовой изобарный цикл полного расширения
7.2. Прямой газовый изохорный цикл полного расширения..
7.3. Термодинамический цикл жидкостного ракетного двигателя.
8. Обратные газовые термодинамические циклы тепловых машин-орудий
    (процессы в компрессорах).

8.1. Процесс сжатия в одноступенчатом поршневом компрессоре.
8.2. Процессы сжатия в многоступенчатом поршневом компрессоре
8.3. Определение механической работы, затрачиваемой на сжатие газа в компрессоре
Контрольные вопросы.
Задачи.
Раздел IV. Термодинамика реальных газов и паров.
9. Уравнения состояния реальных газов..
9.1. Реальные газы (пары)
9.2. Уравнения состояния Ван-дер-Ваальса..
9.3. Анализ уравнения Ван-дер-Ваальса
9.4. Другие уравнения состояния реальных газов
10. Процесс парообразования.
10.1. Основные определения
10.2. Диаграмма pυ- водяного пара..
10.3. Параметры влажного насыщенного пара
10.4. Количество теплоты, затрачиваемой на процесс парообразования.
10.5. Перегретый пар..
10.6. Внутренняя энергия пара..
10.7. Диаграмма Ts- водяного пара..
10.8. Замечания о теплоемкостях кипящей воды ( ) и сухого насыщенного пара ( )
10.9. Связь между теплотой парообразования и степенью изменения давления с температурой.
        Уравнение Клапейрона-Клаузиуса..
10.10. Диаграмма hs- водяного пара..
10.11. Основные термодинамические процессы в парах..
11. Прямые паровые циклы..
11.1. Паровой цикл Ренкина полного расширения
11.2. Паровой цикл неполного расширения
11.3. Паровой цикл с промежуточным перегревом пара
11.4. Цикл Карно в паросиловой установке
11.5. Регенеративный цикл в паросиловых установках
Контрольные вопросы..
Задачи.
Раздел V. Термодинамическая теория истечения газов и паров. Процесс дросселирования
12. Термодинамическая теория истечения газов и паров

12.1. Уравнение первого закона термодинамики в применении к случаю течения и истечения
    газов и паров..
12.2. Располагаемая работа потока..
12.3. Термодинамическая теория истечения газов и паров из резервуара неограниченной емкости
12.4. Исследования формулы секундного расхода газа при истечении..
12.5. Истечения из суживающихся сопел
12.6. Использование полного перепада давлений в надкритической области истечения.
Истечения из сопла Лаваля..
13. Дросселирование (мятие) газа и пара..
13.1. Процесс дросселирования..
13.2. Эффект Джоуля-Томсона..
Контрольные вопросы
Задачи..
Ответы к контрольным карточкам..
Ответы к контрольным вопросам.
Ответы к задачам
Литература.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Программированное учебное пособие по курсу термодинамики «Техническая термодинамика» представляет собой часть курса термодинамики, написанную в соответствии с утвержденной учебной программой для студентов факультета Двигателей летательных аппаратов МАИ.
Термодинамика как теоретическая основа всей современной энергетики и, в частности, теплотехники получает все большее и большее распространение при создании методов инженерных расчетов ряда промышленных объектов. Все чаще и чаще специалистам приходится обращаться к понятиям и приемам термодинамики.
Программированное учебное пособие по курсу термодинамики призвано помочь читателю, который приступает к самостоятельному изучению термодинамики и знаком с математикой, физикой и химией.
Цель пособия – помочь читателю освоить понятия, законы и приемы термодинамики в объеме, достаточном для выполнения термодинамических расчетов и правильного использования результатов этих расчетов.
Для повышения восприятия излагаемого материала в пособии использован один из вариантов программированного метода обучения. Это способствует более глубокому пониманию материала и интенсификации процесса обучения, т.е. сокращению времени, необходимого для усвоения учащимися определенного объема знаний. Такой эффект достигается путем расчленения процесса обучения на отдельные этапы и осуществления проверки обучения в конце каждого этапа. Для этого данное учебное пособие содержит 76 контрольных карточек (более 250 контрольных вопросов, к каждому из которых приведено несколько вариантов ответов). Правильных ответов на контрольные вопросы может быть один или несколько.
Помимо этого в конце каждого раздела помещены заключительные контрольные вопросы и задачи с ответами и решениями. Всего данное учебное пособие содержит более 90 заключительных контрольных вопросов и более 50 задач. Авторы рекомендуют читателям не торопиться заглядывать в ответы, а попытаться внимательно продумать ответ, просмотреть материал по соответствующему разделу. Только в этом случае можно получить прочные знания и практические навыки. Получение неверных ответов на 20÷25% вопросов и задач должно послужить сигналом к более внимательному изучению данного раздела курса.
Следует отметить, что наиболее эффективно применение данного метода обучения и контроля тогда, когда от обучаемого требуется запоминание определенного объема информации и выработки ряда навыков. Программированная подача материала по термодинамике может оказаться полезной, т.к. позволяет проверить правильность восприятия основных идей и понятий, поскольку применять эти понятия можно, лишь глубоко понимая их смысл.
Настоящее программированное учебное пособие является вторым изданием по курсу «Техническая термодинамика» (первое издание вышло в период 1979-1983 гг.), которое значительно отличается от первого издания: несколько переработано, дополнено заключительными контрольными вопросами и задачами к каждому разделу.
При написании пособия авторы исходили из многолетнего опыта преподавания курса термодинамики студентам МАИ.
Отлично понимая, что термодинамика чрезвычайно сложна для программированного метода обучения и поскольку данное учебное пособие является одной из первых попыток программированного изложения термодинамики, авторы будут рады получить отзывы читателей об учебном пособии и с благодарностью примут все замечания.

ВВЕДЕНИЕ

Современная термодинамика занимает особое место в естествознани, в частности является теоретической основой всей современной энергетики.
Теплоэнергетика, все типы двигателей, начиная от паровых турбин и кончая авиационными и ракетными двигателями, в своей теории полностью базируются на положениях термодинамики. Многие области деятельности человека опираются на положения термодинамики. Термодинамика возникла и стала быстро развиваться благодаря бурному развитию теплотехники в конце ХVIII и начале XIX веков. Исторически термодинамика возникла в результате требований, предъявляемых к физике со стороны теплотехники в связи с практической необходимостью найти теоретические основы для создания тепловых машин, в частности тепловых двигателей, определения путей повышения их мощности и экономичности.
В начале своего становления термодинамика ограничивалась рассмотрением узкого круга вопросов, связанных с требованиями теплотехники, о взаимопревращениях теплоты и механической работы. Теперь термодинамика намного расширила свои пределы. Взаимные превращения теплоты в химическую и электрическую энергию, электрохимические превращения, взаимопревращения тепла и электричества в энергию электромагнитного излучения - вот новые предметы изучения термодинамики.
Современная термодинамика представляет обширный и разнообразный по своему применению раздел естествознания. Термодинамика исследует разнообразные явления в природе и технике - физические, химические, биологические и космические с точки зрения тех энергетических превращений, которые имеют место в указанных явлениях. Таким образом, термодинамику в широком смысле слова можно охарактеризовать как учение о взаимопревращениях различных форм энергии. Термодинамика - наука об энергии и ее свойствах, наука об эффективности (КПД).
Термодинамика представляет собой единое, логически построенное учение, базирующееся на основных принципах, которые принято называть началами или законами термодинамики. Эти законы представляют собой эмпирически найденные положения, которые не выводятся из других законов. Однако, несмотря на эмпирические пути установления этих законов, их справедливость достоверна, ибо все наблюдаемые явления окружающей нас действительности происходят согласно с ними. Более того, на основе этих законов удалось предсказать и установить новые закономерности, связи между явлениями, что является наиболее убедительным доказательством справедливости этих законов.
Область применения термодинамических положений распространяется на все разделы современного естествознания. Такие явления, как тепловые процессы в двигателях, диффузия, теплопередача, химические реакции, кристаллизация и другие фазовые превращения, развитие живого организма и многие другие подлежат термодинамическому исследованию.
Термодинамика является научным фундаментом, основой, на которой строится современная инженерная теория тепловых двигателей, в том числе авиационных двигателей, ракетных двигателей и энергетических систем. Современные тепловые расчеты всех двигателей целиком основываются на положениях технической термодинамики и дают возможность определить основные параметры и экономичность различных типов тепловых двигателей.
В связи с определяющей ролью энергетики в развитии народного хозяйства нашей страны в настоящее время термодинамическая наука становится одной из важнейших производительных сил, это требует ее непрерывного развития, совершенствования, уточнения ее методов, изыскания новых путей повышения интенсивности и экономичности двигателей и энергетических установок.

Контрольная карточка В
Укажите наиболее полный и правильный ответ
 

Вопрос

Ответ

1. Термодинамика – наука о взаимопревращениях…

1. теплоты и механической работы;

2. различных видов энергии;

3. теплоты, механической работы и химической энергии.

 

ЛИТЕРАТУРА
1.     Техническая термодинамика. Под. ред. В.И. Крутова. М.: Высшая школа, 1991. 384 с.
2.     Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983. 512 с.
3.     Исаев С.И. Термодинамика. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 416 с.
4.     Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1984. 592 с.
5.     Ястржембский А.С. Техническая термодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1960.
6.     Кошкин В.К., Михайлова Т.В. Первый закон термодинамики и его приложения. М.: Изд-во МАИ, 1979. 97 с.
7.     Кошкин В.К., Михайлова Т.В. Второй закон термодинамики и его приложения. М.: Изд-во МАИ, 1979. 47 с.
8.     Кошкин В.К., Михайлова Т.В. Термодинамические циклы авиационных двигателей. М.: Изд-во МАИ, 1980. 50 с.
9.     Кошкин В.К., Михайлова Т.В. Термодинамика реальных газов и паров. М.: Изд-во МАИ, 1982. 66 с.
10. Кошкин В.К., Михайлова Т.В. Термодинамическая теория истечения газов и паров. Процесс дросселирования. М.: Изд-во МАИ, 1983. 54 с.
11. Кошкин В.К., Михайлова Т.В., Михеев Ю.С., Пирогов А.Е. Программированный задачник по технической термодинамике. М.: Изд-во МАИ, 1983. 62 с.
 

 

Вернуться к оглавлению