Введение

Настоящее учебное пособие содержит примеры решения задач, рассматриваемых на практических занятиях и включаемых в домашние задания по дисциплинам «Техническая термодинамика» и «Термодинамика», изучаемым студентами судомеханического факультета ОНМУ. Оно дополняет учебные пособия [1, 2], в которых рассматривается теория термодинамических процессов и циклов в идеальном и реальном газах. Поскольку в [1, 2] теория термодинамических процессов и циклов рассмотрена подробно, в данном пособии она излагается лишь в минимально необходимом объеме.

Содержание настоящего пособия охватывает все разделы указанных выше дисциплин. Особое внимание уделено расчету и анализу термодинамических процессов и циклов двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и паротурбинных установок. Приведены также примеры решения задач тепломассообмена во влажном воздухе. В заключительной главе пособия приведены методические указания по выполнению лабораторных работ, предусмотренных программами упомянутых дисциплин.

Знания, приобретенные студентами-судомеханиками при самостоятельном изучении (проработке) данного пособия, будут способствовать активному их участию в практических занятиях и успешному выполнению ими домашних заданий. Пособие будет полезно также студентам других специальностей, изучающих основы теплотехники.

Авторы будут признательны за предложения и замечания, направленные на совершенствование и дополнение настоящего пособия.

1. Термодинамические процессы в идеальном газе

1. Теоретический анализ термодинамических процессов в идеальном газе

Целью расчета и исследования любого термодинамического процесса является определение термических параметров рабочего тела в начале и конце процесса, а также определение полученной (затраченной) работы и теплоты, подведенной (отведенной) в процессе.

Для этого необходимо знать:

• уравнение состояния рабочего тела (молекулярную массу используемого газа, находящегося в идеально-газовом состоянии);

• уравнение внутренней энергии (количество атомов, образующих молекулу газа);

• уравнение процесса в одной из термических систем координат (p,v; p,T или T,v);

• состояние рабочего тела в начале процесса (два независимых параметра, либо величины, из которых их можно определить);

• значение одного из изменяющихся параметров в конце процесса (либо величину, из которой его можно рассчитать).

Выбор тех или иных исходных данных обусловлен характером процесса либо решаемой задачи. Например, могут быть заданы параметры рабочего тела в одном из его состояний и значения теплоты либо работы процесса, а требуется определить параметры в другом состоянии.

Ниже приводятся примеры расчета и анализа термодинамических процессов, используемых в технике. Поскольку чаще всего используется совокупность термодинамических процессов, задачи составлены так, чтобы учащийся с самого начала осваивал методику построения и расчета такой совокупности процессов (цикла).

Для облегчения восприятия приводимых ниже расчетов и анализа термодинамических процессов в идеальном газе в табл.1 приведены соотношения между изменяющимися в них термическими параметрами состояния, а в табл. 2 – формулы для расчета теплоты и работы процессов.

Таблица 1

Аналитические соотношения между термическими параметрами состояния идеального газа в термодинамических процессах

Процесс	Уравнение процесса в координатах p,v	Соотношения между параметрами
изохорный		прямо пропорционально
изобарный		прямо пропорционально
изотермический		обратно пропорционально
адиабатный	, где k – показатель адиабаты, зависящий от количества атомов в молекуле газа	с ростом Т растет р, и уменьшается v.
политропный	, где n – показатель политропы (может принимать значение от -∞ до +∞)	с ростом Т увеличивается р, и уменьшается v.

Таблица 2

Соотношения для расчета теплоты и работы процессов

Процесс	Теплота	Деформационная работа
изохорный
изобарный
изотермический
адиабатный
политропный

На рис. 1.1 изображена совокупность политропных процессов расширения, исходящих из одной точки. Соотношения между изменением внутренней энергии, теплотой и работой политропных процессов расширения, протекающих в трёх зонах, отмеченных на рисунке, представлены в табл. 3.

Рис. 1.1. Сопоставление политропных процессов расширения