книги / Техническая термодинамика и теплопередача
..pdfБ.Я. Бендерский
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Курс лекций с краткими биографиями ученых
Издание второе, переработанное
Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве
учебного пособия, для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 652200 - «Двигатели летательных аппаратов» по специальности 130400 - «Ракетные двигатели»
/ ? & с
Москва ♦ Ижевск
УДК 621.1(075) 612.455(075.8) Б46
Рецензенты:
д-р.техн.наук, профессор Емельянов В.Н.
(Балт. гос. техн. ун-т, «Военмех» им. Д.Ф.Устинова) д-р.тех.наук, проф. Кураев А.А. (Новое, гос. техн. ун-т),
канд.техн.наук., доцент Гостев ВА
(МГТУ им. Н.Э. Баумана)
БендерскийБ.Я.
Б46 Техническая термодинамика и теплопередача. Курс лек ций с краткими биографиями ученых: Учебное пособие. — Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динами ка», 2 0 0 5 .-2 6 4 с.
Курс лекций состоит из двух частей, первая содержит основы технической термодинамики, вторая посвящена теории теплопе редачи. В курс включены краткие биографии ученых.
Пособие рекомендовано для студентов, обучающихся по на правлению «Двигатели летательных аппаратов» по специальности «Ракетные двигатели»,'И может быть полезно для аспирантов и преподавателей.
ISBN 5-93972-438 -8
©Б.Я. Бендерский, 2005
©НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие |
6 |
Часть 1. Техническая термодинамика.................................................... |
7 |
Глава 1. Основные понятия и определения термодинамики.................... |
9 |
1.1. Предмет термодинамики.............................................................. |
9 |
1.2. Метод термодинамики.................................................................. |
10 |
1.3. Термодинамическая система....................................................... |
11 |
1.4. Параметры состояния................................................................... |
15 |
1.5. Температура |
16 |
1.6. Давление.......................................................................................... |
18 |
1.7. Удельный объем............................................................................. |
19 |
1.8. Уравнение состояния.................................................................... |
20 |
1.9. Уравнение состояния реальных газов. Уравнение Ван дер |
|
Ваальса.................................................................................................. |
23 |
1.10. Термодинамические процессы.................................................. |
25 |
1.11. Идеальные газы и их смеси....................................................... |
27 |
Глава 2. Первый закон термодинамики |
32 |
2.1. Внутренняя энергия...................................................................... |
32 |
2.2. Работа и теплота............................................................................ |
34 |
2.3. Теплоемкость.................................................................................. |
39 |
2.4. Аналитическое выражение первого закона термодинамики ... |
42 |
2.5. Энтальпия....................................................................................... |
45 |
2.6. Энтропия......................................................................................... |
47 |
2.7. Термодинамические процессы идеальных газов...................... |
55 |
Глава 3. Второй закон термодинамики |
65 |
3.1. Формулировка второго закона термодинамики......................... |
65 |
3.2. Прямой и обратный циклы Карно................................................ |
69 |
Глава 4. Циклы энергетических установок................................................ |
76 |
4.1. Циклы двигателей внутреннего сгорания................................... |
76 |
4.2. Циклы газотурбинных установок................................................. |
87 |
4.3. Процессы в компрессионных машинах...................................... |
90 |
4.4. Циклы реактивных двигателей..................................................... |
94 |
Глава 5. Открытые системы....................................................................... |
102 |
5.1. Первый закон термодинамики для открытых систем.............. |
102 |
5.2. Сопла и диффузоры..................................................................... |
106 |
5.3. Основные закономерности течения газа в соплах |
|
|
и диффузорах...................................................................................... |
108 |
|
5.4. Особенности истечения из суживающегося сопла................ |
112 |
|
Глава 6. |
Водяной пар.............................................................................. |
118 |
6.1. Водяной пар. Процесс парообразования............................... |
118 |
|
6.2. Таблицы и диаграммы водяного пара..................................... |
122 |
|
Часть 2. Основы теплопередачи.......................................................... |
125 |
|
Глава 1. |
Основные понятия и определения............................................ |
127 |
1.1. Основы теории теплопередачи |
127 |
|
1.2. Виды теплообмена....................................................................... |
127 |
|
1.3. Основной закон теплопроводности(закон Фурье)................... |
130 |
|
1.4. Вывод дифференциального уравнения теплопроводности. |
|
|
Краевые условия.................................................................................. |
132 |
|
1.5. Классификация краевых задач................................................... |
139 |
|
1.6.0 методах решения краевых задач........................................... |
141 |
|
Глава 2. Теплопроводность при стационарном режиме........................ |
144 |
|
2.1. Плоская стенка. Термическое сопротивление......................... |
144 |
|
2.2. Теплопередача между двумя жидкостями через |
|
|
разделяющую их стенку. Коэффициент теплопередачи................ |
150 |
|
2.3. Многослойная плоская стенка.................................................... |
152 |
|
2.4. Цилиндрическая стенка............................................................. |
155 |
|
2.5. Контактное термическое сопротивление.................................. |
158 |
|
Глава 3. Теплопроводность при нестационарном режиме.................. |
160 |
|
3.1. Общее решение уравнения нестационарной одномерной |
|
|
теплопроводности.............................................................................. |
160 |
|
3.2. Твердые тела с бесконечно большой теплопроводностью. |
|
|
Расчет нагрева и охлаждения термически тонких тел .................... |
163 |
|
3.3. Интегральный метод теплового баланса.................................. |
167 |
|
3.4. Метод Швеца............................................................................... |
172 |
|
Глава 4. Конвекция..................................................................................... |
177 |
|
4.1. Ламинарный и турбулентный режимы течения........................ |
177 |
|
4.2. Основные уравнения теории конвективного теплообмена.... |
180 |
|
4.3. Критерии подобия. Физический смысл критериев подобия. 186 |
||
4.4. Теория подобия применительно к тепловым процессам...... |
193 |
|
4.5. Три теоремы подобия |
196 |
|
Глава 5. Исследование конвективного теплообмена методами |
|
|
теории пограничного слоя........................................................................ |
200 |
|
5.1. |
Вывод уравнений пограничного слоя................................... |
202 |
5.2. Приближенные методы решения уравнений пограничного |
|
слоя. Интегральные уравнения Теодора фон Кармана.................. |
209 |
5.3. Интегральное соотношение для теплового ламинарного |
|
пограничного слоя. Тепловой слой на пластине............................ |
214 |
Глава 6. Приближенный расчет трения и теплоотдачи в пограничном |
|
слое............................................................................................................... |
217 |
6.1. Расчет пограничного слоя на плоской пластинке |
|
в несжимаемой среде......................................................................... |
217 |
6.2. Приближенный расчет трения и теплообмена в турбулентном |
|
пограничном слое................................................................................ |
230 |
6.3. Связь между трением и теплообменом. Аналогия |
|
Рейнольдса........................................................................................... |
235 |
6.4. Формулы для расчета конвективного теплообмена в трубах 239 |
|
Глава 7. Теплообмен при свободной конвекции................................... |
242 |
7.1. Ламинарный перенос тепла на вертикальной пластине........ |
242 |
7.2. Интегральные уравнения пограничного слоя в случае |
|
свободной конвекции.......................................................................... |
245 |
7.3. Турбулентный перенос тепла на вертикальной пластине.... |
249 |
Глава 8. Лучистый теплообмен................................................................. |
252 |
8.1. Описание процесса и основные определения......................... |
252 |
8.2. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде.. 257 |
|
Список литературы..................................................................................... |
262 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Любая формула, включенная
в книгу, уменьшает число ее покупателей вдвое.
Стивен Хокинг
Впособии изложены основы технической термодинамики
итеории теплопередачи. В первой части рассмотрены основ ные законы технической термодинамики и принципы работы двигателей внутреннего сгорания, компрессионных машин, га зотурбинных установок, двигателей летательных аппаратов, ракетных двигателей.
Вторая часть посвящена физическим основам теплообме на. Рассмотрены процессы нестационарной и стационарной теплопроводности, свободной и вынужденной конвекции, лу чистого теплообмена, кратко изложены теория подобия, при ближенные методы расчета трения и теплоотдачи в погранич ном слое.
Курс лекций содержит краткие биографии ученых и они, как показал опыт предыдущих изданий, с интересом воспри нимаются читателями. Книга издана в «карманном» формате, что очень нравится студентам.
Автор выражает благодарность профессору, д. ф.-м. наук
А.В. Борисову за поддержку в издании пособия и будет при знателен за пожелания и замечания, которые следует направ лять по адресу: 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1, Институт компьютерных исследований.
Автор
ЧАСТЬ 1
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
Что труднее всего на свете видеть своими глазами?
То, что лежит перед нами.
Гете
1 .1 . Предмет термодинамики
Среди физиков бытует следующее определение термодинамики:
«Термодинамика — палка о трех началах».
Исторически термодинамика возникла как наука, изучаю щая переход теплоты в механическую работу, что диктовалось, прежде всего, необходимостью дать теоретические основы работы тепловых машин.
Современная термодинамика есть наука, изучающая вза имную связь между тепловой и другими видами энергии и вли яние этой связи на свойства физических тел. Особенностью термодинамики является рассмотрение процессов, происхо дящих в природе, с точки зрения превращения энергий в этих процессах.
Термодинамика - наука о закономерностях взаимного пре образования различных видов энергии.
Техническая термодинамика - раздел термодинамики, изу чающий процессы, явления и устройства, в которых осущес твляется всевозможное преобразование теплоты в работу. Она положена в основу расчета и проектирования тепловых дви гателей, а также различного технологического оборудования.
Термодинамика есть логическое развитие трех законов, ле жащих в ее основе и являющихся обобщением огромного че ловеческого опыта.
Предмет
термодинамики 9
Первое начало термодинамики есть закон сохранения и превращения энергии.
Второе начало термодинамики характеризует направ ление протекания термодинамического процесса.
Третье начало термодинамики утверждает, что абсо лютный нуль температуры недостижим.
1 .2 . Метод термодинамики
Метод решения хорош, если с самого начала мы можем предвидеть — и впоследствии подтвердить это— что,
следуя этому методу, мы достигаем цели.
Лейбниц
Существует два подхода при изучении физических явлений:
1.Феноменологический.
2.Статистический.
Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет собой содержание статистической физики.
Феноменологический метод не требует привлечения мо дельных представлений о структуре вещества, т.е. рассматри вает явление в целом.
Термодинамика относится к дисциплине первого подхода. Термодинамика имеет свои преимущества и недостатки пе ред молекулярно-кинетической теорией вещества. Преимуще ство ее в том, что она не делает никаких гипотез, поэтому ее положения так же достоверны, как и законы, на которых она
основана.
К недостаткам термодинамики необходимо отнести отсут ствие наглядности и невозможность объяснить с ее помощью принты происходящих процессов.
10 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1 .3 . Термодинамическая система
В этом мире наша первая обязанность
состоит в том, чтобы устраивать произвольные островки порядка и системы.
Винер
В термодинамике рассматриваются только макроскопичес кие тела, которые носят общее название термодинамической системы.
Термодинамическая система - это материальное тело (или совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом.
Тела, не входящие в термодинамическую систему, назы вают окружающей (внешней) средой. От системы она отделя ется контрольной поверхностью (оболочкой).
Рис. 1. Термодинамическая система и окружающая среда
Так, для простейшей термодинамической системы, изоб раженной на рис. 1 и состоящей из газа, заключенного в ци линдре 1 под поршнем 2 со штоком 3, внешней средой являет ся окружающий воздух, а контрольными поверхностями — стенки цилиндра 1 и поршень 2.
Термодинамическая система может энергетически взаи модействовать с окружающей средой и другими системами, а также обмениваться с ними веществом.