Предмет и метод термодинамики

А.П. Баскаков, Е.Ю. Павлюк

Техническая термодинамика

Учебное пособие

Научный редактор проф., д.т.н. В.А. Мунц

Екатеринбург

УГТУ – УПИ

УДК

ББК

Б27

Рецензенты: зав. кафедрой «Энергетики» УГЛТА В.В. Мамаев

зав. лабораторией ОАО ВНИИМТ С.Т. Клышников

Баскаков А.П.

Б27. Техническая термодинамика: учебное пособие / А.П.Баскаков, Е.Ю. Павлюк. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. 100 с. ISBN

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения специальностей 140104 – Промышленная теплоэнергетика, 140106 - Энергообеспечение предприятий. Данное пособие содержит необходимый минимум информации, включающий в себя все необходимые разделы курса «Техническая термодинамика». Для удобства усвоения материала студентами каждый раздел завершается комплексом задач, ответы и решения которых приведены в конце учебника. Пособие также укомплектовано необходимой справочной информацией, приведенной как по ходу изложения материала, так и в приложениях.

Библиогр.: назв. Табл. 2. Рис. 35. Прил. 1.

УДК

ББК

ISBN © Уральский государственный

технический университет – УПИ, 2008

Содержание

Предисловие.. 4

1. Основные понятия и исходные положения термодинамики.. 5

1.1. Предмет и метод термодинамики. 5

1.2. Термодинамическая система. 5

1.3. Термодинамические параметры состояния. 6

1.4. Уравнение состояния. 9

1.5. Термодинамический процесс. 9

2. Первый закон термодинамики.. 12

2.1. Внутренняя энергия. 12

2.2. Работа против окружающей среды в закрытой системе. 13

2.3. Теплота. 15

2.3. Аналитическое выражение первого закона термодинамики для закрытой системы.. 16

2.5. Теплоемкость газов. 17

2.6 Энтальпия. 21

3. Второй закон термодинамики.. 23

3.1. Энтропия. 23

3.2. Изменение энтропии в неравновесных процессах. 24

4. Основные термодинамические процессы в газах, парах и смесях.. 27

4.1. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах. 27

4.2. Смеси идеальных газов. 31

4.3. Термодинамические процессы реальных газов. 34

5. Особенности термодинамики открытых систем 43

5.1. Уравнение первого закона термодинамики для потока. 43

5.2. Истечение газов и паров. 48

5.3. Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы.. 51

6. Циклы теплосиловых установок.. 57

6.1. Цикл Карно и второй закон термодинамики. 57

6.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. 60

6.3. Цикл газотрубинной установки. 62

6.4. Циклы паротурбинных установок. 64

6.5. Холодильные установки и тепловые насосы.. 69

Решения задач и ответы на вопросы... 72

Приложение 1. 76

Предисловие

Настоящее учебное пособие написано для заочников специальностей «Промышленная теплоэнергетика» и «Энергообеспечение предприятий» и, прежде всего, для тех, кто, окончив в свое время техникум, получает высшее образование по ускоренной программе.

В библиотеках России, в том числе и в УГТУ-УПИ, имеется достаточное количество отличных учебников для вузов по дисциплине «Техническая термодинамика», однако они часто практически недоступны для студентов, обучающихся на опорных пунктах вдали от Екатеринбурга, поскольку на большинстве пунктов этих учебников просто нет.

Кроме того, некоторые студенты, обучавшиеся много лет назад в техникуме, забыли не только то, чему их там учили, но растеряли школьные знания. А сегодня для того, чтобы снова аттестовать их на рабочем месте, которое они занимают, а тем более для повышения по службе с них требуют диплом. Понятно, что при такой базе знаний они не могут освоить курс, который читается студентам-очникам во всех деталях, тем более, что времени на это им выделяется значительно меньше, чем при полном (не ускоренном) обучении.

Следовательно, жизнь поставила на повестку дня необходимость подготовки учебного пособия, которое было бы понятно этому контингенту студентов, и который они смогли бы освоить за выделенное им для этого время. Конечно, формально программа курса одинакова для студентов всех форм обучения, но, как показала практика, глубина освоения предмета студентами разных категорий сильно различается.

Данное пособие написано на базе учебника для вузов «Теплотехника» под ред. А.П. Баскакова, последнее издание которого вышло в свет 1991 г.

Авторы постарались в сжатой и доступной форме изложить основные положения термодинамики, необходимые студентам указанных выше специальностей для освоения спецкурсов.

Пособие может быть полезно и студентам других специальностей и форм обучения.

Основные понятия и исходные положения термодинамики

Предмет и метод термодинамики

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляется расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Если рассматривать только макроскопические системы, то термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов).

Строго говоря, все основные выводы термодинамики получают методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики, не привлекая представлений о структуре вещества. Для упрощения понимания материала заочниками мы не будем придерживаться строгой «академичности» изложения.

Термодинамическая система

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («окружающей средой»).

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы – газа, заключенного в цилиндре под поршнем (рис. 1.1), контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень, а окружающей средой называется все, что находится снаружи.

Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой осуществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии с самóй системой или над системой совершается работа. В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема системы. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.

Рис. 1.1. Газ, находящийся в цилиндре под поршнем 1 – термодинамическая система (рабочее тело); 2 – окружающая среда; 3 – контрольная поверхность

В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах – примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой.

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом являются продукты сгорания.