47

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

________________________________________________________________

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

К 75–летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Б.П. Поршаков, а.Ф. Калинин, с.М. Купцов, а.С. Лопатин, к.Х. Шотиди

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Часть I. Термодинамика

в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для подготовки бакалавров, дипломированных специалистов и магистров по направлению 130500 «Нефтегазовое дело»

Москва 2005

УДК 622.276

П 76

Теоретические основы теплотехники. Часть I. Термодинамика в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности / Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М. Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди. Учебное пособие. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. – 148 с.

В пособии в систематизированном виде изложены основные принципы и некоторые технические приложения термодинамики, относящиеся к технологическим процессам нефтяной и газовой промышленности. Учебное пособие полностью отражает материалы первой части теоретических основ теплотехники, являющейся фундаментом дисциплин «Термодинамика» и «Теплотехника».

Пособие предназначено для подготовки бакалавров, дипломированных специалистов и магистров по направлению 130500 «Нефтегазовое дело» и специальностям: 150205, 151001, 151202, 240401, 240403, 280201.

Рецензенты:

д. т. н., профессор, С.П. Зарицкий, ДОАО «Оргэнергогаз»;

д. т. н., профессор, В.А. Иванов, ТюмГНГУ.

© Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М. Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди, 2005

© РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………….. 4

1. Основные понятия и определения ……………………………………….…. 6

2. Физическое состояние вещества, фазовая диаграмма

чистого вещества …………………………………………………………. 17

3. Законы и уравнение состояния идеальных газов.

Уравнения состояния реального газа.…………………............................... 20

4. Первое начало термодинамики …………………………………………….. 25

5. Процессы изменения состояния термодинамических систем ……………. 34

6. Круговые процессы (циклы). Цикл Карно .………...…………………........ 52

7. Второе начало термодинамики …………………………………………….. 60

8. Смеси жидкостей, паров и газов …………………………………………… 76

9. Пары и парообразование ……………………………………………………. 85

10. Истечение жидкостей, паров и газов. Дросселирование ………………... 92

11. Процессы сжатия в компрессорах …………………………………...….. 112

12. Циклы паросиловых установок и холодильных машин ……………….. 120

13. Циклы двигателей внутреннего сгорания ……………………..……...… 135

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………..…. 148

Введение

Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики, инструментом проведения внутренней и внешней политики.

Энергетический сектор обеспечивает жизнедеятельность многих отраслей промышленности, консолидацию субъектов Российской Федерации, во многом определяет формирование основных финансово-экономических показателей страны.

Приоритетными задачами энергетической стратегии России являются:

• полное и надежное обеспечение населения и экономики страны энергоресурсами по доступным и вместе с тем стимулирующим энергосбережение ценам;

• снижение рисков и недопущение развития кризисных ситуаций в энергообеспечении страны;

• снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования, сокращения потерь при добыче, транспортировке и реализации продукции топливно-энергетического комплекса и т.д.

Решение многих из этих задач невозможно без использования методологии и математического аппарата, представленного в разделах теплотехники.

Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности теплоэнергетических установок и систем.

Теоретической основой теплотехники являются термодинамика и теплопередача, которые являются фундаментальными базовыми дисциплинами для большинства инженерных специальностей.

Термодинамика - наука, изучающая законы превращения энергии и особенности процессов этих превращений.

В основу термодинамики положены основные законы или начала, установленные опытным путем.

Первое начало термодинамики характеризует собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии: «энергия изолированной системы при всех изменениях, происходящих в системе, сохраняет постоянную величину». Отсюда, в частности, следует вывод о невозможности построения вечного двигателя первого рода, способного производить работу без получения энергии извне.

Второе начало характеризует качественную сторону и направленность процессов, происходящих в системе. Второе начало термодинамики отражает принципы существования абсолютной температуры и энтропии, как функций состояния, и возрастания энтропии изолированной термодинамической системы. Важнейшим следствием второго начала является утверждение о невозможности осуществления полных превращений теплоты в работу. Отсюда следует вывод о невозможности построения вечного двигателя второго рода, способного полностью превращать теплоту в работу.

Третье начало термодинамики (закон Нерста) гласит о том, что при абсолютном нуле температур все равновесные процессы происходят без изменения энтропии.

Метод термодинамики заключается в строгом математическом развитии исходных постулатов и основных законов, полученных на основе обобщения общечеловеческого опыта познания природы и допускающих прямую проверку этих положений во всех областях знаний. Термодинамика, построенная по такому принципу, называется феноменологической термодинамикой. Она изучает связи между макроскопическими величинами системы, например, между давлением, температурой и объемом, без описания микроскопических (атомных, молекулярных) явлений.