142

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С.П. Королева

Е.Л. Михеенков

О С Н О В Ы

Т Е Р М О Д И Н А М И К И

Курс лекций

С А М А Р А

2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Разделы	Содержание	Стр.
I	Введение. Предмет науки термодинамика	4
1.1	Фазовые состояния веществ	5
1.2	Виды энергии	6
II	Кинетическая теория газов и параметры состояния.	8
2.1	Температура	12
2.1.1	Температурные шкалы	14
2.2	Теплоемкость газов	16
III	Реальные газы и пары.	18
3.1	Уравнение ван-дер-Ваальса	20
3.1.1	Уравнение Бертло	21
3.1.2	Уравнение Битти-Бриджмена	22
3.1.3	Критические параметры и константы уравнения ван-дер-Ваальса	24
3.1.4	Приведенное уравнение ван-дер-Ваальса и соответственные состояния	25
3.2	Общие соотношения термодинамики	27
3.2.1	Термодинамические потенциалы	27
3.2.2	Физическая интерпретация темодинамических потенциалов	28
3.2.3	Термодинамические диаграммы состояния реальных веществ	30
3.3	Законы термодинамики	33
3.3.1	Термодинамическая аналогия	44
3.4	Смеси идеальных газов	48
3.5	Водяной пар	50
3.5.1	Основные процессы с водяным паром	55
3.5.2	Влажный воздух	57
IV	Техническая термодинамика	62
4.1	Процессы циклов тепловых машин	63
4.1.1	Процесс сжатия	66
4.1.2	Процесс расширения	68
4.1.3	Процесс дросселирования	71
V	Циклы работы тепловых машин	78
5.1	Циклы работы двигателей внутреннего сгорания	78
5.2	Циклы работы воздушно-реактивных двигателей	79
5.3	Циклы работы паротурбинных двигателей	82
5.4	Бинарные циклы	87
5.5	Схема и цикл работы машины Стирлинга, машина Эриксона	91
5.6	Теория ракетых двигателей	95
VІ	Обратные циклы.	104
VII	Основы химической термодинамики	110
VIІI	Приложения	130
VIІI.1	Периодическая таблица элементов -2005	130
VIІI.2	Модель земных сфер	130
VIІI.3	Свойства топлив	132
VIІI 4	Газодинамические и π –i-Τ -функции	132
VIІI.5	Международная стандартная атмосфера	132
VIІI.6	Пересчет параметров смеси идеальных газов	139
VІІІ	Литература	140

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А – константы в уравнении состояния

а – скорость звука, м/с

с – теплоемкость, Дж/кг град

E – энергия, Дж

F – сила, ДаН

f - функция; свободная энергия, Дж

H – высота, км

i - энтальпия, Дж/кг

k - показатель адиабаты, константа

L – работа, Дж; длина, м

m – масса, кг

N – число молекул

р – давление, Па

Q- теплота, Дж

q – газодинамическая функция

R – газовая постоянная, Дж/кг град

S – площадь, энтропия, перемещение

Т – температура, К

u – внутренняя энергия, Дж

V – объем, м³

β – коэффициент сжимаемости

ε – относительная плотность потока

η – коэффициент полезного действия

λ- относительная скорость потока

μ – молекулярный вес

π – относительное давление

ρ-плотность, кг/м³

τ – относительная температура

υ- скорость движения молекул, удельный объем

φ- свободная знтальпия.

Индексы:

- верхние

* - параметры торможения

- нижние

р- при постоянном давлении

v – при постоянном объеме

Т – при постоянной температуре

волн – волновая,

вр – вращения,

деф – деформация,

зв – звуковая,

изл –излучения,

к – критические параметры, течения, сечения

кин – кинетическая,

м – относящийся к молю вещества,

магн – магнитная,

пот – потенциальная,

скр. тепл –скрытая тепловая,

тепл – тепловая,

эл – электрическая,

эл-магн – электромагнитная,

І. В В Е Д Е Н И Е.

ПРЕДМЕТ НАУКИ ТЕРМОДИНАМИКА.

Термодинамика – одна из великих наук, созданных человечеством. Эта наука позволяет до начала большинства действий человека оценивать ожидаемые результаты. Термодинамика в силу общности своего подхода успешно помогает в широком круге научной и практической деятельности людей. Именно термодинамика не только объяснила, но и позволила измерить необратимость происходящих в мире явлений. Не многие науки могут достичь философского уровня познания природных явлений.

Ученым-термодинамикам удалось создать изумительные по красоте и краткости математические модели явлений, количественно хорошо совпадающие для большинства условий с наблюдаемыми результатами.

При термодинамическом рассмотрении явлений природы выделяется тело или группа тел, вещество или группа веществ. Эту группу рассматриваемых тел называют термодинамической системой, а все, что лежит вне его границ, - окружающей средой. Термодинамической системой называют рассматриваемую совокупность тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей средой. Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют изолированной, или замкнутой, системой. Особый случай, когда отсутствует процесс обмена энергией с окружающей средой, систему называют адиабатной (теплоизолированной).

Термодинаическая система, имеющая во всех своих частях одинаковые состав и физические свойства, называется однородной.

Вещества в рассматриваемой термодинамической системе могут находиться в одинаковых фазовых состояниях (газ, жидкость, твердое тело). Такие системы называются гомогенными. Если же в системе имеется несколько частей с различными фазовыми состояниями и разделяющими их границами (вода-пар, вода-лед и т.д.), то такая термодинамическая система называется гетерогенной. Эти среды могут быть двух-, трехфазными. При рассмотрении химических явлений компонентами системы называют вещества с одинаковыми химическими свойствами.

Если над рассматриваемой термодинамической системой изнутри или со стороны окружающей среды не происходит воздействий, то такая система находится в равновесном состоянии, то есть параметры системы не меняются. Если же или изнутри или со стороны окружающей среды на систему будет оказано воздействие, то начнут происходить изменения его характеристик. Явления, происходящие в термодинамической системе при воздействиях со стороны окружающей среды или при изменении внутренних свойств системы, называют термодинамическим процессом.

Основой же рассмотрения свойств термодинамической системы являются ее равновесные состояния. Они проще всего описываются удобными математическими соотношениями между основными свойствами среды, называемыми параметрами термодинамической среды.

Термодинамика позволяет находить описание стационарных и нестационарых процессов в природе в равновесных и неравновесных системах, оценивать кинетику и динамику процессов горения, химических, электрических, электромагнитных и прочих процессов в природе.

В данном курсе лекций будут приведены сведения, необходимые в дальнейшем для изучения других разделов знаний, относящихся к авиационному, энергетическому и транспортному двигателестроению. Термодинамика является составляющей курса теплотехники.