Введение

Газовая динамика, как составная часть механики сплошной среды, является наукой о движении газов с большими скоростями. Большими считаются такие скорости, при которых наблюдаются существенные изменения давления и температуры, а, следовательно, и плотности газа в потоке. Наличие зависимости между скоростью и плотностью в газовом потоке говорит о сжи­маемости газа, проявляющейся при больших скоростях дви­жения. Влияние скорости потока на его плотность наблюдается тогда, когда эта скорость становится близкой, а тем более рав­ной или превышающей скорость распространения звука в рас­сматриваемом газовом потоке.

Закономерности движения газа с малыми скоростями или не­сжимаемой жидкости изучаются наукой, которая называется гид­ромеханикой. Изучение гидромеханики базируется на фун­даментальных законах механики, применяемых к особенностям сплошной среды. При изучении же газовой динамики, т. е. зако­номерностей движения сжимаемой среды, необходимо кроме зако­нов механики применять и основные положения термодинамики. Следует отметить, что по мере возрастания скорости потока газа его сжимаемость начинает проявляться постепенно, поэтому невоз­можно провести четкую границу между гидромеханикой и газовой динамикой. Условно считают, что пренебрегать сжимаемостью га­за в потоке можно до скоростей, составляющих примерно 1/3 ско­рости звука.

Современная газовая динамика представляет собой обширную физико-математическую дисциплину. Достижения этой науки ши­роко и эффективно используются во многих отраслях техники и особенно в авиации.

1. Основы технической термодинамики

   1. Основные понятия и определения

Техническая термодинамика – наука, изучающая процессы преобразования теплоты в работу в тепловых машинах, а также свойства тел, посредством которых осуществляются указанные преобразования.

Различные физические тела, особенно газообразные, при нагревании расширяются, что и лежит в основе принципа действия тепловых двигателей. Вещество, посредством которого, осуществляется преобразование теплоты в работу в технической термодинамике, называется рабочим телом (р.т.).

Термодинамическая система (т.д.с.) – это совокупность материальных тел, являющихся объектом изучения, находящихся в тепловом или (и) механическом взаимодействии с другими телами, которые называются окружающей средой (о.с).

Поверхность, отделяющая рабочее тело термодинамической системы от окружающей среды называется граничной.

В зависимости от свойств, граничной поверхности различают:

• изолированную т.д.с.- граничная поверхность не допускает, ни теплового, ни механического взаимодействия рабочего тела термодинамической системы с окружающей средой;

• полуизолированную т.д.с.- граничная поверхность допускает или тепловое или механическое взаимодействие рабочего тела термодинамической системы с окружающей средой;

• неизолированную т.д.с.- граничная поверхность допускает и тепловое и механическое взаимодействие рабочего тела термодинамической системы с окружающей средой;

• закрытую т.д.с.- граничная поверхность не допускает обмена массы рабочего тела термодинамической системы с окружающей средой;

• открытую т.д.с.- граничная поверхность допускает обмен массы рабочего тела термодинамической системы с окружающей средой.

Требования, предъявляемые к рабочему телу т.д.с.:

• должно обладать хорошими теплопроводящими свойствами, то есть должно быстро нагреваться или охлаждаться;

• должно хорошо деформироваться;

• должно быстро занимать или освобождать представленный ему объем.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют газы. Для упрощения математического аппарата при проведении расчетов в технической термодинамике, рассматривается идеальный газ.

Молекулы идеального газа обладают следующими свойствами:

- имеют исчезающе малый объем, то есть представляют собой материальные точки, обладающие одинаковыми массой и размерами;

- не вступают в химическое взаимодействие между собой;

- между молекулами отсутствуют силы притяжения и отталкивания;

- при взаимодействии ведут себя, как абсолютно упругие шары.

Состоянием т.д.с.- называется совокупность физических величин, характеризующих систему в данный момент времени. Физические величины т.д.с., не изменяющиеся в процессе ее взаимодействия с окружающей средой, называются константами системы, а изменяющиеся – ее параметрами. Различают равновесное и неравновесное состояние систем.

Состояние системы называется равновесным, если ее параметры одинаковы в каждой точке объема, в противном случае – неравновесным.

Тепловая машина, совершающая работу за счет получаемой извне теплоты, называется тепловым двигателем. Тепловая машина, в которой теплота переходит от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой за счет затрачиваемой извне энергией, называется холодильной машиной.